一种采用混合型功率器件的光伏逆变器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及光伏并网逆变器【技术领域】。包括由功率电路组成的功率逆变单元和逆变控制单元两部分，功率逆变单元主要包括输入EMI滤波电路、交错并联Boost升压电路、采用混合器件的全桥逆变电路、输出并网滤波电路，逆变控制单元主要包括电网相位检测电路、采样电路、及控制器。本发明采用双级结构，前级采用交错并联Boost升压，减小了电流的波动，降低了输出电压纹波；后级逆变单元采用混合功率器件，有效减小了逆变损耗，提高系统效率。具有结构简单、电路容易控制、方便扩容的特点。
【专利说明】一种采用混合型功率器件的光伏逆变器
【技术领域】
[0001]本发明涉及光伏并网逆变器【技术领域】，尤其涉及一种采用混合功率器件的光伏并网逆变器。
【背景技术】
[0002]随着光伏硅材料提炼技术的进步和成本的不断下降，太阳能并网发电技术得到了快速发展，作为电能转换的关键环节，电力电子变换器对于光伏系统整体性能与可靠性占有举足轻重的地位。在太阳能光伏逆变器的设计中系统效率是重点考虑的因素之一，尽可能小的功率损耗不仅节省能量，还可以降低温升，提高系统可靠性，并使系统更紧凑，从而降低了成本。常规的双级式并网逆变器前级通常采用Boost升压电路，后级采用相同规格功率管的全桥逆变，中间并联大量电解电容进行滤波和储能。但是常规的Boost升压电路输出电流纹波较大，极大地影响了中间电解电容的使用寿命，并且前级电路扩容困难，当通过并联多个功率管进行扩容时容易造成电流波动，降低了系统的可靠性。同时常规的全桥逆变电路四个功率管通常全部采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或场效应晶体管(MOSFET)。当四个功率管通常全部采用IGBT时，由于IGBT开关频率相对于MOSFET低一些，开关速度较慢，谐波较大，并网电流波形较差。而当四个功率管通常全部采用MOSFET时，MOSFET导通损耗大，降低了系统效率，较大功率时系统发热严重。
【发明内容】
[0003]本发明为避免上述技术存在的不足之处，提供一种采用混合型功率器件的光伏逆变器，为实现高可靠、高效率、低成本的中小功率光伏并网逆变系统的设计和控制提供解决方案，其优化的架构和控制方法，可以方便的提高系统可靠性和效率，并提高并网电流的质量。
[0004]本发明解决技术问题采用如下的技术方案实现:
[0005]系统主要由输入EMI滤波电路①、交错并联Boost升压电路②、采用混合器件的全桥逆变电路③、输出并网滤波电路④、电网相位检测电路⑤、采样电路⑥、控制器⑦等部分组成。其连接关系是:光伏电池板组连接经过输入EMI滤波电路①输入到交错并联Boost升压电路②，交错并联Boost升压电路②通过直流母线与采用混合器件的全桥逆变电路③相连，全桥逆变电路③经过输出并网滤波电路④与外部电网相连。控制器⑦通过采样电路
⑥和电网相位检测电路⑤分别与交错并联Boost升压电路②和全桥逆变电路③相连同时控制器通过输出PWM和SPWM与交错并联Boost升压电路②和全桥逆变电路③的功率管相连。
[0006]进一步的，交错并联Boost升压电路②是由两路Boost升压电路并联，每路输出端分别串联一个碳化硅(SIC) 二极管(Dl和D2)，两个MOSFET功率管SI和S2以高频交错导通，通过控制SI和S2的占空比实现最大功率点跟踪控制。
[0007]进一步的，全桥逆变电路③四个功率管采用混合型功率器件，上部两个功率管S3和S5为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，并且分别反并联一个碳化硅二极管，下部两个功率管S4和S6为场效应晶体管(MOSFET)。
[0008]进一步的，全桥逆变电路③为单极性正弦波脉宽调制，功率管S3和S5以工频速率互补导通，此工频控制波与外部电网同步，功率管S4和S6受正弦脉宽调制波控制，且调制波与电网同步。
[0009]进一步的，所述控制器⑦通过采样直流母线电压、电网电压、并网电流、电网频率，及过零检测电路，通过电流环反馈PI控制算法实现以光伏最大功率并网。
[0010]与现有技术相比，本发明的显著效益体现在:
[0011]1.前级核心拓扑为两个Boost电路交错并联，能够有效地实现较高功率容量输出，避免了开关管直接并联引起的电流波动，降低了开关管的容量要求，提高了输入电流纹波频率，减小了纹波幅值，有利于滤波电路的设计和减小开关损耗。
[0012]2.全桥逆变电路的四个功率管采用混合型功率器件，通过上部采用两个IGBT的工频导通有效降低了开关管的导通损耗，发热较小，提高了系统效率。而下部的两个MOSFET以高频正弦脉宽调制工作，谐波小，并网电流波形质量好。
[0013]3.交错并联Boost升压电路输出串联二极管和全桥逆变的IGBT反并联二极管均为碳化硅二极管，利用碳化硅二极管的零反向恢复时间，有效的提高系统效率，降低系统EMI。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中:
[0015]图1为本发明光伏逆变器原理示意图；
[0016]图2为本发明光伏逆变器主电路结构示意图；
[0017]图3为本发明光伏逆变器交错并联Boost升压电路控制波形示意图；
[0018]图4a为本发明光伏逆变器交错并联Boost升压电路开关管SI导通、开关管S2关断工作示意图；
[0019]图4b为本发明光伏逆变器交错并联Boost升压电路开关管SI关断、开关管S2关断工作示意图；
[0020]图4c为本发明光伏逆变器交错并联Boost升压电路开关管SI关断、开关管S2导通工作示意图；
[0021]图5为本发明光伏逆变器采用混合功率器件的逆变电路控制波形示意图；
[0022]图6a为本发明光伏逆变器的逆变电路开关管S3和开关管S6关断，开关管S4和开关管S5导通时逆变电路示意图；
[0023]图6b为本发明光伏逆变器的逆变电路开关管S3、开关管S4和开关管S6关断，开关管S5导通时逆变电路示意图；
[0024]图6c为本发明光伏逆变器的逆变电路开关管S3和开关管S6导通，开关管S4和开关管S5关断时逆变电路不意图；
[0025]图6d为本发明光伏逆变器的逆变电路开关管S3导通，开关管S4、开关管S5和开关管S6关断时逆变电路不意图。【具体实施方式】
[0026]下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0027]图1所示实施例提供一种采用混合型功率器件的光伏逆变器主要包括:输入EMI滤波电路①、交错并联Boost升压电路②、采用混合器件的全桥逆变电路③、输出并网滤波电路④、电网相位检测电路⑤、采样电路⑥、控制器⑦等部分组成。其连接关系是:光伏电池板组连接经过输入EMI滤波电路①输入到交错并联Boost升压电路②，交错并联Boost升压电路②通过直流母线与采用混合器件的全桥逆变电路③相连，全桥逆变电路③经过输出并网滤波电路④与外部电网相连。控制器⑦通过采样电路⑥和电网相位检测电路⑤分别与交错并联Boost升压电路②和全桥逆变电路③相连，同时控制器通过输出PWM和SPWM与交错并联Boost升压电路②和全桥逆变电路③的功率管相连。
[0028]图2所示实施例表明本发明一种采用混合型功率器件的光伏逆变器主电路的具体的结构设计和连接:光伏阵列经过输入EMI滤波电路①，将功率输入到交错并联Boost升压电路②，经过交错并联Boost升压电路②升压后产生稳定的高压直流母线，接着输入到采用混合功率器件的全桥逆变电路③，全桥逆变电路③输出经过LC滤波器和EMI滤波电路④与外部电网相连。
[0029]图3所示实施例表明本发明一种采用混合型功率器件的光伏逆变器的交错并联Boost升压电路的开关序列:在电感LI和L2电流连续模式下，假设开关管SI和开关管S2占空比小于0.5，在h?h阶段，开关管SI导通，开关管S2关断，在h?t2阶段，开关管SI和开关管S2关断，在t2?t3阶段，开关管SI关断，开关管S2导通，在t3?t4阶段，开关管SI和开关管S2关断。
[0030]图4a所示实施例表明交错并联Boost升压电路工作在h?I1阶段，开关管SI导通，开关管S2关断，电感LI中的电流开始上升，电感L2中的电流通过续流二极管D2给电容Co充电，并不断减小。
[0031]图4b所示实施例表明交错并联Boost升压电路工作在h?t2阶段和t3?t4阶段，开关管SI和开关管S2都关断，电感LI中的电流通过续流二极管Dl及电感L2中的电流通过续流二极管D2给电容Co充电，并都在不断减小。
[0032]图4c所示实施例表明交错并联Boost升压电路工作在t2?t3阶段，开关管SI关断，开关管S2导通，电感LI中的电流通过续流二极管Dl给电容Co充电并不断下降，电感L2中的电流开始上升。
[0033]图4a、图4b和图4c所示交错并联Boost升压电路工作稳定后，电容Co的电压基本保持稳定，电容Co的作用主要是高频纹波电压进行滤波。
[0034]图5所示实施例表明本发明一种采用混合型功率器件的光伏逆变器的全桥逆变电路的开关序列以及与电网电压电流的关系是:在电网电压的正半周期，绝缘栅双极型晶体管S3和场效应晶体管S6保持关断状态，绝缘栅双极型晶体管S5保持导通状态，场效应晶体管S4以正弦调制波SPWM交替开关，对输入电压进行调制。在电网电压的负半周期，绝缘栅双极型晶体管S5和场效应晶体管S4保持关断状态，绝缘栅双极型晶体管S3保持导通状态，场效应晶体管S6以正弦调制波SPWM交替开关，对输入电压进行调制。[0035]图6a所示实施例表明全桥逆变电路在电网电压的正半周期，开关管S3和开关管S6保持关断状态，开关管S5和开关管S4导通，此时直流母线像电网注入电流。
[0036]图6b所示实施例表明全桥逆变电路在电网电压的正半周期，开关管S3和开关管S6保持关断状态，开关管S5导通，开关管S4关断，此时开关管S5和开关管S3的反并联_.极管D3形成回路为电网续流。
[0037]图6c所示实施例表明全桥逆变电路在电网电压的负半周期，开关管S4和开关管S5保持关断状态，开关管S3和开关管S6导通，此时直流母线像电网注入电流。
[0038]图6d所示实施例表明全桥逆变电路在电网电压的负半周期，开关管S4和开关管S5保持关断状态，开关管S3导通，开关管S6关断，此时开关管S3和开关管S5的反并联_.极管D4形成回路为电网续流。
[0039]整个光伏并网微逆变器装置详细工作原理如下:
[0040]太阳能电池板组件经过EMI滤波电路①输入到交错并联Boost升压电路②，通过交错并联Boost升压电路②对从太阳能电池板组件输入的大范围变化的光伏电压进行Boost升压，交错并联Boost升压电路②的两个开关管交替导通，控制方式如图3所示。控制器⑦利用采样电路⑥采样直流母线和光伏输入电压，以及逆变输出电流，通过控制算法来改变图3控制序列的占空比可以达到不同输入输出电压匹配的目的，实现最大功率点跟踪。交错并联Boost升压电路②通过两个续流碳化硅二极管Dl和D2、以及储能电容Co向全桥逆变电路③提供稳定的直流母线电压。采用混合功率器件的全桥逆变电路③共有四个开关管S 3、S4、S5和S6，其中上部两个功率管S3和S5为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，并且分别反并联一个碳化硅二极管，下部两个功率管S4和S6为场效应晶体管(MOSFET);此全桥逆变电路为单极性正弦波脉宽调制，采用混合功率器件的全桥逆变电路③的控制序列如图5所示，功率管S3和S5以工频速率互补导通，此工频控制波是由控制器⑦通过电网相位检测电路⑤和锁相环控制方法达到与外部电网同步，开关管S4和S6受正弦脉宽调制波控制，并且调制波与电网同步。全桥逆变电路③的输出经过EMI滤波电路(LCL低通滤波)连接到电网。
[0041]控制器⑦通过扰动交错并联Boost升压电路②的两个开关管的控制序列占空比，达到扰动直流母线电压的目的，控制器⑦通过采样电路⑥检测直流母线电压、电网电压和注入电网电流，通过PI控制算法改变全桥逆变电路③中开关管S4和开关管S6的正弦脉宽序列的调制比，同时通过电网相位检测电路⑤和锁相环控制方法，以及上述的调制比产生与电网同步的正弦脉宽控制序列，从而来改变电网注入电流，来稳定直流母线电压扰动。通过采样此时的注入电网电流和太阳能电池组件的输入电压，计算出扰动后的并网功率，与前一次并网功率相比较，确定下一次的扰动方向，从而达到最大功率输出的目的，即完成了太阳能电池组件的最大功率点的跟踪。
[0042]本发明与现有技术相比，整体结构灵活紧凑、性能可靠、效率高，前级核心拓扑为两个Boost电路交错并联，能够有效地实现较高功率容量输出，避免了开关管直接并联引起的电流波动，降低了开关管的容量要求，提高了输入电流纹波频率，减小了纹波幅值，有利于滤波电路的设计和减小开关损耗。
[0043]全桥逆变电路的四个功率管采用混合型功率器件，通过上部采用两个IGBT的工频导通有效降低了开关管的导通损耗，发热较小，提高了系统效率。而下部的两个MOSFET以高频正弦脉宽调制工作，谐波小，并网电流波形质量好。
[0044]交错并联Boost升压电路输出串联二极管和全桥逆变的IGBT反并联二极管均为碳化硅二极管，利用碳化硅二极管的零反向恢复时间，有效的提高系统效率，降低系统EMI。
[0045]以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种采用混合型功率器件的光伏逆变器，其特征在于，包括:输入EMI滤波电路①、交错并联Boost升压电路②、全桥逆变电路③、输出并网滤波电路④、电网相位检测电路⑤、采样电路⑥、控制器⑦等部分；其连接关系是:光伏电池板组连接经过输入EMI滤波电路①输入到交错并联Boost升压电路②，交错并联Boost升压电路②通过直流母线与采用混合器件的全桥逆变电路③相连，全桥逆变电路③经过输出并网滤波电路④与外部电网相连，控制器⑦通过采样电路⑥和电网相位检测电路⑤分别与交错并联Boost升压电路②和全桥逆变电路③相连，同时控制器通过输出PWM和SPWM与交错并联Boost升压电路②和全桥逆变电路③的功率管相连。
2.根据权利要求1所述的一种采用混合型功率器件的光伏逆变器，其特征在于:交错并联Boost升压电路②是由两路Boost升压电路并联，每路输出端分别串联一个碳化硅(SIC) 二极管(Dl和D2)，两个MOSFET功率管SI和S2以高频交错导通，通过控制SI和S2的占空比实现最大功率点跟踪控制。
3.根据权利要求1所述的一种采用混合型功率器件的光伏逆变器，其特征在于:全桥逆变电路③四个功率管采用混合型功率器件，上部两个功率管S3和S5为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，并且分别反并联一个碳化硅二极管，下部两个功率管S4和S6为场效应晶体管(MOSFET)。
4.根据权利要求3所述的全桥逆变电路③，其特征在于:为单极性正弦波脉宽调制，功率管S3和S5以工频速率互补导通，此工频控制波与外部电网同步，功率管S4和S6受正弦脉宽调制波控制，且调制波与电网同步。
5.根据权利要求1所述的一种采用混合型功率器件的光伏逆变器，其特征在于:所述控制器⑦通过采样直流母线电压、电网电压、并网电流、电网频率，及过零检测电路，通过电流环反馈PI控制算法实现以光伏最大功率并网。
【文档编号】H02M7/5387GK103683313SQ201210336793
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月13日 优先权日:2012年9月13日
【发明者】彭刚 申请人:武汉金天新能源科技有限公司