一种解耦电路

1.本实用新型涉及太阳能光伏发电技术领域，特别是涉及一种解耦电路。


背景技术：

2.单相逆变器普遍运用于中小功率应用中，但是在交流侧产生的二次脉动功率会导致直流侧出现二次纹波，对于二次纹波的存在，特别是在光伏(photovoltaic，pv)系统中会影响pv板的工作效率，降低最大功率点跟踪(maximum power point tracking，mppt)的效果。针对二次纹波解耦问题，学术界普遍提出两种方法，有源功率解耦方法和无源功率解耦方法，无源功率解耦方法主要是通过在光伏系统中增加无源器件，比如在直流侧加入大电解电容，大电解电容用于缓冲二次纹波能量，大电解电容提供的大容值确实十分有效，但是通常大的电解电容，会存在使用寿命较短的问题，影响到单相逆变器的平均使用寿命，在高温情况下单相逆变器的情况更加不理想，而且大的电解电容会导致整个光伏系统体积过大，成本也会相对较高，降低功率密度。
3.对此人们探索了几种有源解耦的方法，一般有源解耦是将直流侧的脉动纹波转移到别的储能元件上，使得直流侧电压电流更加平稳，从而可以用长寿命的薄膜电容代替电解电容，该方法主要由新的拓扑解耦和控制算法构成，例如，将交流侧电压引入低频变压器并经整流后接入解耦电容，但整个系统复杂，损耗较大。因此现有单相逆变器的有源解耦电路存在解耦回路复杂的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种解耦电路，解决了现有单相逆变器的有源解耦电路解耦回路复杂的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
6.一种解耦电路，包括：解耦电感、第一开关管、第二开关管、第一解耦电容、第三开关管、第二解耦电容、第四开关管和第五开关管；
7.所述解耦电感的一端与光伏系统中逆变器的交流输出侧的第一端连接，所述解耦电感的另一端与所述第一开关管的发射极连接，所述第一开关管的集电极与所述第二开关管的发射极连接，所述第二开关管的集电极与所述第一解耦电容的正极连接，所述第一解耦电容的负极与所述逆变器的交流输出侧的第二端连接；
8.所述第三开关管的集电极与所述第一开关管的集电极连接，所述第三开关管的发射极与所述第二解耦电容的负极连接，所述第二解耦电容的正极与所述逆变器的交流输出侧的第二端连接；
9.所述第四开关管的集电极与所述第一开关管的集电极连接，所述第四开关管的发射极与所述第五开关管的发射极连接，所述第五开关管的集电极与所述逆变器的交流输出侧的第二端连接。
10.可选的，所述解耦电路还包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管
和第五二极管；
11.所述第一二极管的正极与所述第一开关管的发射极连接，所述第一二极管的负极与所述第一开关管的集电极连接；
12.所述第二二极管的正极与所述第二开关管的发射极连接，所述第二二极管的负极与所述第二开关管的集电极连接；
13.所述第三二极管的正极与所述第三开关管的发射极连接，所述第三二极管的负极与所述第三开关管的集电极连接；
14.所述第四二极管的正极与所述第四开关管的发射极连接，所述第四二极管的负极与所述第四开关管的集电极连接；
15.所述第五二极管的正极与所述第五开关管的发射极连接，所述第五二极管的负极与所述第五开关管的集电极连接。
16.根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
17.本实用新型提供了一种解耦电路。该解耦电路包括：解耦电感、第一开关管、第二开关管、第一解耦电容、第三开关管、第二解耦电容、第四开关管和第五开关管；解耦电感的一端与光伏系统中逆变器的交流输出侧的第一端连接，解耦电感的另一端与第一开关管的发射极连接，第一开关管的集电极与第二开关管的发射极连接，第二开关管的集电极与第一解耦电容的正极连接，第一解耦电容的负极与逆变器的交流输出侧的第二端连接；第三开关管的集电极与第一开关管的集电极连接，第三开关管的发射极与第二解耦电容的负极连接，第二解耦电容的正极与逆变器的交流输出侧的第二端连接；第四开关管的集电极与第一开关管的集电极连接，第四开关管的发射极与第五开关管的发射极连接，第五开关管的集电极与逆变器的交流输出侧的第二端连接。本实用新型的解耦电路为独立式解耦，即解耦电路与原始逆变器电路部分无共享开关，且并联于逆变器的交流侧，仅使用了五个开关管，相比于单相逆变器并联于直流侧的解耦方式，简化了二倍频功率解耦回路。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本实用新型实施例所提供的解耦电路的结构图；
20.图2为本实用新型实施例所提供的功率解耦能量耦合关系曲线图；
21.图3为本实用新型实施例所提供的模式一的电路结构示意图；
22.图4为本实用新型实施例所提供的模式二的电路结构示意图；
23.图5为本实用新型实施例所提供的模式三的电路结构示意图；
24.图6为本实用新型实施例所提供的模式四的电路结构示意图；
25.图7为本实用新型实施例所提供的直流侧输入电流波形示意图；
26.图8为本实用新型实施例所提供的直流侧母线电压波形示意图；
27.图9为本实用新型实施例所提供的第一解耦电容电压波形示意图；
28.图10为本实用新型实施例所提供的第二解耦电容电压波形示意图；
29.图11为本实用新型实施例所提供的解耦电感电流波形示意图；
30.图12为本实用新型实施例所提供的交流侧负载输出电压波形示意图；
31.图13为本实用新型实施例所提供的交流侧负载输出电流波形示意图。
32.符号说明：l
d
、解耦电感；d1、第一二极管；s1、第一开关管；s2、第二开关管；d2、第二二极管；c
d1
、第一解耦电容；s3、第三开关管；d3、第三二极管；c
d2
、第二解耦电容；d4、第四二极管；s4、第四开关管；d5、第五二极管；s5、第五开关管。
具体实施方式
33.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.本实用新型的目的是提供一种解耦电路，解决了现有有源解耦电路解耦回路复杂的问题。
35.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
36.本实施例提供一种解耦电路，图1为本实用新型实施例所提供的解耦电路的结构图，参见图1，解耦电路包括：解耦电感l
d
、第一开关管s1、第二开关管s2、第一解耦电容c
d1
、第三开关管s3、第二解耦电容c
d2
、第四开关管s4和第五开关管s5。
37.解耦电感l
d
的一端与光伏系统中逆变器的交流输出侧的第一端连接，解耦电感l
d
的另一端与第一开关管s1的发射极连接，第一开关管s1的集电极与第二开关管s2的发射极连接，第二开关管s2的集电极与第一解耦电容c
d1
的正极连接，第一解耦电容c
d1
的负极与逆变器的交流输出侧的第二端连接。
38.第三开关管s3的集电极与第一开关管s1的集电极连接，第三开关管s3的发射极与第二解耦电容c
d2
的负极连接，第二解耦电容c
d2
的正极与逆变器的交流输出侧的第二端连接。
39.第四开关管s4的集电极与第一开关管s1的集电极连接，第四开关管s4的发射极与第五开关管s5的发射极连接，第五开关管s5的集电极与逆变器的交流输出侧的第二端连接。
40.解耦电路还包括：第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4和第五二极管d5。
41.第一二极管d1的正极与第一开关管s1的发射极连接，第一二极管d1的负极与第一开关管s1的集电极连接。
42.第二二极管d2的正极与第二开关管s2的发射极连接，第二二极管d2的负极与第二开关管s2的集电极连接。
43.第三二极管d3的正极与第三开关管s3的发射极连接，第三二极管d3的负极与第三开关管s3的集电极连接。
44.第四二极管d4的正极与第四开关管s4的发射极连接，第四二极管d4的负极与第四开关管s4的集电极连接。
45.第五二极管d5的正极与第五开关管s5的发射极连接，第五二极管d5的负极与第五
开关管s5的集电极连接。
46.解耦电路直接并联在逆变器的交流输出侧，整个解耦电路呈现π型结构，解耦电路的左侧支路由逆变器交流输出侧的输出电压u
inv
、解耦电感l
d
和第一开关管s1构成，解耦电路的右侧支路由第四开关管s4和第五开关管s5构成，s4的发射极和s5的发射极相连，第二开关管s2的集电极与第一解耦电容c
d1
正向串联并与左侧支路构成闭合回路，其中s2的发射极与s1的集电极相连，第三开关管s3的发射极与第二解耦电容c
d2
负向串联并与右侧支路构成回路，其中s3的集电极与s4的集电极相连。
47.本实施例的解耦电路为功率解耦电路，功率解耦电路的工作原理为：
48.逆变器的交流侧输出电压u
g
和输出电流i
g
通常都为正弦函数，如下式所示：
49.u
g
(t)＝u
g
sin(ωt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0050][0051]
上式中，u
g
(t)为t时刻逆变器的交流侧输出电压，u
g
为交流侧输出电压幅值，ω为基波角频率，t表示时间，i
g
(t)为t时刻逆变器的交流侧输出电流，i
g
为交流侧输出电流幅值，为功率因素角。为便于分析耦合关系，令为0。根据公式(1)和(2)得到交流侧瞬时功率p
ac
、直流侧输入恒定功率p
pv
分别为：
[0052][0053][0054][0055]
上式中，p
ac
(t)表示t时刻逆变器的交流侧瞬时功率；u
g
表示逆变器的交流侧输出电压幅值；i
g
表示逆变器的交流侧输出电流幅值；ω表示基波角频率；t表示时间；p
pv
为直流侧输入恒定功率，p
r
为周期变化的二倍频脉动功率。
[0056]
比较交流侧瞬时功率与直流侧输入恒定功率，判断功率解耦能量关系，即当交流侧瞬时功率大于直流侧输入恒定功率时，光伏系统处于释放能量过程，解耦电容处于降压状态；当交流侧瞬时功率小于直流侧输入恒定功率时，光伏系统处于吸收能量过程，解耦电容处于升压状态。同时根据公式(1)
‑
(5)可得到功率解耦能量耦合关系曲线，功率解耦能量耦合关系曲线如图2所示。图2中t为输出电压的周期。
[0057]
解耦电路共有四种工作模式，模式一和模式二对应逆变器输出电压正半周期，模式三和模式四对应逆变器输出电压负半周期。模式一和模式三可等效为boost电路，模式二和模式四可等效为buck电路。
[0058]
模式一对应的电路回路如图3所示，此时逆变器输出电压为正，根据图2可知，在[0,t/8]和[3t/8,4t/8]时间段内，交流侧瞬时功率小于直流侧输入恒定功率，s4受驱动脉冲控制，处于开通状态时，电路回路为u
inv+
‑
l
d
‑
d1‑
s4‑
d5‑
u
inv
‑
，解耦电感电流逐渐上升，当解耦电感电流峰值达到解耦电感峰值参考电流i
dref
时，此时开关s4断开，电路回路为u
inv+
‑
l
d
‑
d1‑
d2‑
c
d1
‑
u
inv
‑
。模式一对应的电路回路具体为：第四开关管导通，第一开关管、第二开关管、
第三开关管和第五开关管断开时，电流从逆变器的交流输出侧的第一端流出，依次经过解耦电感、第一二极管、第四开关管和第五二极管后流回逆变器的交流输出侧的第二端；第四开关管、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第五开关管均断开时，电流从逆变器的交流输出侧的第一端流出，依次经过解耦电感、第一二极管、第二二极管和第一解耦电容后流回逆变器的交流输出侧的第二端。
[0059]
模式二对应的电路回路如图4所示，逆变器输出电压为正，在[t/8,3t/8]时间段内，交流侧瞬时功率大于直流侧输入恒定功率，s5,s1保持开通，s2受驱动脉冲控制，当s2处于导通状态时，电路回路为c
d1
‑
s2‑
s1‑
l
d
‑
u
inv
‑
c
d1
，解耦电感电流逐渐上升，当电流峰值达到参考值i
dref
时，开关s2断开，此时电路回路为u
inv
‑
‑
s5‑
d4‑
s1‑
l
d
‑
u
inv+
。模式二对应的电路回路具体为：第二开关管、第一开关管和第五开关管导通，第三开关管和第四开关管断开时，电流从逆变器的交流输出侧的第二端流出，依次经过第一解耦电容、第二开关管、第一开关管和解耦电感后流回逆变器的交流输出侧的第一端；第二开关管断开，第一开关管和第五开关管导通，第三开关管和第四开关管断开时，电流从逆变器的交流输出侧的第二端流出，依次经过第五开关管、第四二极管、第一开关管和解耦电感后流回逆变器的交流输出侧的第一端。
[0060]
模式三对应的电路回路如图5所示，此时逆变器输出电压为负，在[4t/8,5t/8]和[7t/8,t]时间段内，交流侧瞬时功率小于直流侧输入恒定功率，s5受驱动脉冲控制，当s5处于导通状态时，电路回路为u
inv+
‑
s5‑
d4‑
s1‑
l
d
‑
u
inv
‑
，解耦电感电流逐渐上升，当电流峰值达到参考值i
dref
时，开关s5断开，此时电路回路为u
inv+
‑
c
d2
‑
d3‑
s1‑
l
d
‑
u
inv
‑
。模式三对应的电路回路具体为：第五开关管和第一开关管导通，第二开关管、第三开关管和第四开关管断开时，电流从逆变器的交流输出侧的第一端流出，依次经过第五开关管、第四二极管、第一开关管和解耦电感后流回逆变器的交流输出侧的第二端；第五开关管断开，第一开关管导通，第二开关管、第三开关管和第四开关管断开时，电流从逆变器的交流输出侧的第一端流出，依次经过第二解耦电容、第三二极管、第一开关管和解耦电感后流回逆变器的交流输出侧的第二端。
[0061]
模式四对应的电路回路如图6所示，此时逆变器输出电压为负，在[5t/8,7t/8]时间段内，交流侧瞬时功率大于直流侧输入恒定功率，s3受驱动脉冲控制，当s3导通时，电路回路为c
d2
‑
u
inv
‑
l
d
‑
d1‑
s3‑
c
d2
，解耦电感峰值电流i
dref
达到参考值时，开关s3断开，此时电路回路为u
inv
‑
l
d
‑
d1‑
s4‑
d5‑
u
inv
。模式四对应的电路回路具体为：第三开关管和第四开关管导通，第一开关管、第二开关管和第五开关管断开时，电流从逆变器的交流输出侧的第二端流出，依次经过解耦电感、第一二极管、第三开关管和第二解耦电容后流回逆变器的交流输出侧的第一端；第三开关管断开，第四开关管导通，第一开关管、第二开关管和第五开关管断开时，电流从逆变器的交流输出侧的第二端流出，依次经过解耦电感、第一二极管、第四开关管和第五二极管后流回逆变器的交流输出侧的第一端。
[0062]
在解耦电路的运行过程中，根据脉动功率周期性变化规律，将解耦电路的运行过程划分为四个工作模式，因此在单个工作模式下，脉动功率的极性不改变，恒为正或者恒为负。通过解耦电路中不同元器件的组合形成四种工作模式的电路回路，使得每种工作模式单独运行，并通过解耦电容缓冲二倍频功率，使得逆变器的直流侧二次纹波得到抑制。
[0063]
本实用新型与原始逆变器保持相对独立的结构，相比于直流侧解耦，本实用新型
的解耦电路并联于交流侧，相比于其他类型的解耦方式，此方式解耦可避免二倍频功率经过额外的回路，如直流侧回路，如此减小了二倍频功率补偿回路，起到二倍频功率就地补偿的效果，从而减小回路损耗。其中独立式是指解耦电路与原始逆变器电路部分无共享开关，非独立式往往与原始逆变器存在开关共享情况。
[0064]
根据上述对解耦电路的电压和电流等情况的讨论，用matlab软件对五开关功率解耦电路(解耦电路)进行simulink仿真验证，证明本实用新型的解耦效果良好。解耦电路的仿真参数设置参见表1。
[0065]
表1仿真参数
[0066][0067][0068]
图7和图8所示分别为直流侧输入电流和母线电压波形，在0.4s时刻投入解耦电路，可观察到在投入的瞬间，输入电流的脉动幅度减小。未投入解耦电路之前，输入电流最大值约为5.45a，最小值约为4.6a，脉动幅度约为0.85a；在投入解耦电路以后，输入电流最大值为5.28a，最小值为4.94a，脉动幅度约为0.34a。投入解耦电路前后输入电流的脉动幅度减小约60％，而且整个解耦电路动态响应迅速，与输入电流类似，投入解耦电路以后，直流侧母线电压在0.4s时刻由脉动幅度约为42v降至脉动幅度约为19v，说明本实用新型的解耦效果良好。
[0069]
图9和图10所示分别为第一解耦电容和第二解耦电容电压波形，两个解耦电容在工作周期上互补运行，且在工作期间电压波形恰为0.01s，为脉动的二次纹波，第一解耦电容c
d1
平均电压约为477v，电压最高值约为513v，最低值约为457v，脉动幅值约为56v；第二解耦电容c
d2
平均电压约为462v，电压最大值约为495v，电压最低值约为435v，脉动幅值约为60v，脉动能量和c
d1
接近，因为两个解耦电容所对应的工作模式的等效电路相同，皆为boost和buck电路，因此解耦效果也相同。
[0070]
图11所示为解耦电感电流波形，在模式一状态下解耦电感电流幅值约为12a，模式二状态下电流幅值约为8a，模式三状态电流幅值约为12a，模式四状态电流幅值约为8a，模式一和模式三都工作在boost状态，模式二和模式四都工作在buck状态，在相同的等效电路状态下工作，解耦电感电流接近。
[0071]
图12和图13所示分别为交流侧负载输出电压波形和电流波形，在0.4s投入解耦电路后可以看到负载输出电压电流几乎无明显变化，电压幅值依然稳定在300v左右，电流幅值稳定在3a左右，可以得出解耦电路的控制对于输出电压无明显影响的结论。
[0072]
对于未加入功率解耦电路而言，若使得母线电压纹波从原来的42v降低为19v，直流侧电压脉动要减小为23v，则需要在直流侧并联200μf大电容；加入解耦电路后，若使得母线电压纹波从42v降为19v，则只需要并联100μf电容。所以通过对解耦电路进行仿真验证发现本实用新型能够有效的抑制母线电压中的二次纹波存在，且解耦电路能够达到减小直流侧电容的效果，同时延长电源使用寿命。
[0073]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0074]
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。