一种隔离型光伏逆变器、方法及光伏并网系统与流程

1.本发明涉及逆变器技术领域，具体涉及一种隔离型光伏逆变器、方法及光伏并网系统。


背景技术：

2.由于越来越多薄膜光伏板的使用，因此需要逆变器实来现电气隔离，以抵抗光伏板本身pid效应导致的老化。现有技术中，采用传统技术方案实现的隔离型逆变器体积大，重量沉，且实现隔离功能的部分通常为移相全桥拓扑，无法保证软开关的实现，效率低，因此，本领域亟需解决隔离型逆变器体积大且无法实现软开关、工作效率低的问题。


技术实现要素：

3.本发明提供一种隔离型光伏逆变器、方法及光伏并网系统，解决了隔离型逆变器体积大且无法实现软开关、工作效率低的问题。
4.第一方面，本发明提供一种隔离型光伏逆变器，包括：
5.第一dc/dc模块，输入端与光伏组件连接，用于将光伏组件输出的直流电压升高并稳定在预设电压值；
6.第二dc/dc模块，输入端与所述第一dc/dc模块的输出端连接，用于实现光伏组件与电网之间的电气隔离；
7.dc/ac模块，输入端与所述第二dc/dc模块的输出端连接，用于将所述第二dc/dc模块输出的直流电压逆变为交流电压，输出至电网。
8.进一步地，所述第一dc/dc模块为boost升压电路。
9.进一步地，所述第二dc/dc模块为llc谐振变换器。
10.进一步地，所述预设电压值为使所述llc谐振变换器工作在谐振频率点上的直流电压值。
11.进一步地，所述dc/ac模块为t型三电平模块。
12.进一步地，所述第一dc/dc模块与所述光伏组件的数量相同，每个光伏组件连接一个第一dc/dc模块。
13.进一步地，所述光伏组件为晶硅光伏组件。
14.进一步地，所述光伏组件为cigs薄膜光伏组件。
15.第二方面，本发明提供一种光伏逆变方法，包括：
16.第一dc/dc模块将光伏组件输出的直流电压升高并稳定在预设电压值；
17.第一dc/dc模块输出的直流电压输入第二dc/dc模块，使第二dc/dc模块工作在谐振频率点上，第二dc/dc模块的输入直流电压和输出直流电压相同，同时第二dc/dc模块的高频直流变压器实现光伏组件与电网之间的电气隔离；
18.dc/ac模块将第二dc/dc模块输出的直流电压逆变为交流电压，输出至电网。
19.第三方面，本发明提供一种光伏并网系统，包括第一方面所述的隔离型光伏逆变
器。
20.相比于现有技术，本发明至少存如下有益效果：
21.本发明的隔离型光伏逆变器包含三级变换结构，通过将光伏组件输出的直流电压升高并稳定在预设电压值，以使直流电压传输到第二dc/dc模块时第二dc/dc模块能够工作在谐振频率点上，再将直流电压逆变为交流电压送至电网，这样，既保证隔离型光伏逆变器即使在低电压时也可以正常启动工作，又实现第二dc/dc模块的工作效率。这样的隔离型光伏逆变器工作频率高，具有体积小、重量轻、功率密度高、转换效率高且能够实现电气隔离的优点。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1是现有技术中的隔离型光伏逆变器拓扑结构；
24.图2是本发明实施例一提供的隔离型光伏逆变器示意图；
25.图3是本发明实施例一提供的隔离型光伏逆变器拓扑结构图；
26.图4是本发明实施例一提供的光伏组件示意图；
27.图5是本发明实施例一提供的cigs薄膜光伏组件示意图；
28.图6是本发明实施例一的本发明实施例一的升压仿真结果；
29.图7是本发明实施例一的llc谐振变换器一个mosfet管的仿真结果；
30.图8是本发明实施例一的llc谐振变换器一个桥臂的仿真结果；
31.图9是本发明实施例一的llc谐振变换器的细节仿真结果；
32.图10是本发明实施例一的滤波后的交流电压信号仿真结果。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在相关技术中，如图1所示的隔离型光伏逆变器，该逆变器采用移相全桥作为隔离部分，其中，mppt升压电路dc/dc为boost电路，中间隔离电路dc/dc为移相全桥。再如公布号为cn103856095a的专利申请公开的全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器，包含两级功率变换，实现了输入侧与负载侧的电气隔离，且输出滤波器体积小，适合大功率场合，但在轻载时，移相全桥难以实现软开关(零电压开关)，而且移相全桥存在副边整流二极管反向恢复问题。移相全桥由于占空比丢失的原因，输出电压的交流分量较小，二次侧滤波电路需要滤波电感，导致一次侧电压反向时，整流二极管不能立即降为零。因此，本发明实施例提供
了一种隔离型光伏逆变器，无论轻载还是大功率场合，都能够实现软开关，且体积小、效率高。
35.实施例一
36.请参见图2，本实施例提供一种隔离型光伏逆变器，包括：第一dc/dc模块1、第二dc/dc模块2及dc/ac模块3。
37.第一dc/dc模块1的输入端与光伏组件4连接，用于将光伏组件4输出的直流电压升高并稳定在预设电压值；
38.第二dc/dc模块2，输入端与第一dc/dc模块1的输出端连接，用于实现光伏组件4与电网5之间的电气隔离；
39.dc/ac模块3，输入端与第二dc/dc模块2的输出端连接，用于将第二dc/dc模块2输出的直流电压逆变为交流电压，输出至电网5。
40.优选地，本实施例实现一种如图3所示的隔离型光伏逆变器拓扑结构，第二dc/dc模块2为llc谐振变换器，具有软开关特性，可以提高开关频率，减少电感和变压器的体积，当llc谐振变换器工作在谐振频率点上时，llc谐振变换器的输入电压和输出电压保持不变，此时，用于实现电气隔离的第二dc/dc模块2的工作效率最高，因此本实施例优选将预设电压值设置为使第二dc/dc模块2(llc谐振变换器)工作在谐振频率点上的直流电压，能够使得本实施例的隔离型光伏逆变器的电压传输效率明显提高，进而提高了隔离型光伏逆变器的工作效率。
41.若仅采用第二dc/dc模块2(llc谐振变换器)和dc/ac模块3的两级结构，会存在两种情况：
42.一种情况：llc谐振变换器工作在谐振频率点上，那么虽然实现电气隔离的llc谐振变换器的工作效率高，但由于此时其的输入电压和输出电压保持不变，会使隔离型光伏逆变器得工作电压范围过小，无法适用于不同电压的光伏组件；
43.另一种情况：llc谐振变换器工作在非谐振频率点上，那么，虽然可以通过llc谐振变换器调节电压，使隔离型光伏逆变器满足较宽的工作电压范围，但是llc谐振变换器的工作效率低，进而隔离型光伏逆变器的工作效率也低。
44.因此，本实施例在第二dc/dc模块2之前设置有第一dc/dc模块1，第一dc/dc模块优选为boost升压电路，经过boost电路开关频率高于50khz，将电压升为1000v接入llc谐振变换器，既能保证光伏组件的宽电压输入范围(例如，输入电压工作范围能够达到200-1000v)，又能通过使llc谐振变换器工作在谐振频率点上来提升llc谐振变换器的工作效率。本隔离型光伏逆变器的工作效率明显高于采用移相全桥实现电气隔离的逆变器，且可以实现原副边的软开关，在实现隔离的同时，保证了传输效率，且能够保证较宽的输入电压范围，工作频率高，具有体积小、重量轻、功率密度高、转换效率高且能够实现电气隔离的优点。
45.本实施例中，隔离型光伏逆变器包含三级变换结构，通过boost升压电路将光伏组件4输出的直流电压升高并稳定在预设电压值(例如1000v)，以使直流电压传输到llc谐振变换器时，llc谐振变换器能够工作在谐振频率点上，再将直流电压逆变为交流电压送至电网，这样，既保证隔离型光伏逆变器即使在低电压时也可以正常启动工作，又实现第二dc/dc模块的工作效率。
46.优选地，dc/ac模块为t型三电平模块，可以使光伏逆变器达到更高的效率；llc谐振变换器通过高频变压器接入dc/ac模块，选用t型三电平能够保证逆变器的工作效率。
47.可以理解的是，在boost升压电路与llc谐振变换器之间、llc谐振变换器与t型三电平模块均存在支撑电容，在t型三电平模块后还设有用于降低高频分量的滤波电路，使得t型三电平模块输出的交流电压接入电网使用。
48.在实际应用中，光伏组件可以是一个或两个以上，每个光伏组件可以包括若干个串联或并联的光伏板，本实施例中的第一dc/dc模块与光伏组件的数量相同，也就是说，每个光伏组件都连接一个第一dc/dc模块，为每个光伏组件的输出电压进行升压。
49.值得说明的是，本实施例的光伏组件，不仅可以是晶硅光伏组件，还可以是cigs薄膜光伏组件，cigs薄膜光伏组件的电压远高于晶硅，电流小，本实施例的隔离型光伏逆变器的直流母线等级足以支撑其在cigs薄膜光伏组件的应用，且具有体积小，重量轻的优点，传统的隔离型逆变器厚度达到20mm，而本实施例由于利用了llc谐振变换器的软开关特性，提高了开关频率，减少电感和变压器的体积，能够将隔离型逆变器的厚度减至10mm，尤其适用于光伏建筑一体化的应用，可大幅度减少电缆的使用，缩小成本。此外，本实施例的隔离型逆变器功率密度高，传统的隔离型逆变器功率密度为149kw/m3，虽然本隔离型逆变器采用三级拓扑结构，但是由于开关频率的提升，可减小相关器件如电感、变压器的体积，采用此三级拓扑结构的隔离型逆变器的功率密度高于260kw/m3，明显优于传统的隔离型逆变器。
50.以图3所示的隔离型光伏逆变器拓扑结构为例，将该逆变器应用于图4所示的光伏组件，该光伏组件可以为由8个光伏板组成的光伏板串，输入电压范围0-800.8v，该隔离型光伏逆变器通过mppt(maximum power point tracking)实现最大功率点追踪，使得每一路光伏组件的最大功率可达到5.14kw，最大功率时的电压约为630v。两路光伏组件的输出功率共10.277kw，仿真效率能够高达99.27％。在实际应用中，可以将本实施例的隔离型光伏逆变器应用于如图5所示的cigs薄膜光伏组件环境，cigs薄膜光伏板的电压高，电流小，图5所示的cigs薄膜光伏组件由12串cigs薄膜光伏板串连接而成，每个cigs薄膜光伏板串又包含串接的8个cigs薄膜光伏板，该cigs薄膜光伏组件接入一个boost升压电路。
51.对图3所示的隔离型光伏逆变器拓扑结构进行仿真实验，两路光伏组件输出的直流电压接入boost升压电路进行升压，能够得到图6所示的升压仿真结果，图6中从上至下依次为：boost升压电路与llc谐振变换器之间支撑电容的电压，开机时脉冲在1％以内；boost升压电路的输入电流，纹波较小；llc谐振变换器与dc/ac模块之间支撑电容的电压，较快稳定在1000v；llc谐振变换器二次侧二极管的输出电流。
52.图7为llc谐振变换器一个mosfet管(mos1)的仿真结果，图7中从上至下依次为llc谐振变换器的一个mosfet管(mos1)的电压、电流、驱动信号以及结温、通态损耗以及开关损耗。母线电压为1000v，电流峰值小于20a，环境温度为70摄氏度，结温上升不到7摄氏度，器件的开关损耗小于300nw。
53.图8为llc谐振变换器一个桥臂的仿真结果，图8中横坐标为时间，单位为s，纵坐标从上至下依次为：mosfet的电压，单位为v；mosfet的电流，单位为a；驱动信号，为数字信号；器件结温，单位为摄氏度；通态损耗，单位为j；开关损耗，单位为w。仿真时长为3s，关断时电压为1000v，电流在0～20a范围，环境温度设为70摄氏度，结温在78摄氏度以内。llc谐振变换器的细节仿真结果如图9所示，横坐标为时间，单位为s，纵坐标从上至下依次为：mosfet
电压，单位为v；mosfet电流，单位为a；驱动信号，为数字信号；器件节温，单位为摄氏度；通态损耗，单位为j；开关损耗，单位为w。llc谐振变换器可以在开通时实现软开关，所以开通损耗几乎为0，损耗小，可大幅度提高整个逆变器的效率。
54.llc谐振变换器二次侧输出1000v直流电压接入t型三电平模块，进行逆变成50hz交流电压，之后通过滤波接入电网使用，滤波后的交流电压信号仿真结果如图10所示，图10中自上而下依次为：dc/ac模块经过滤波后的交流相电压，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为电压，单位为v；三路线电压，纵坐标为电压，单位为v，横坐标为时间，单位为s，；三路线电流，纵坐标为电流，单位为a，横坐标为时间，单位为s，频率50hz。输出功率为10.202kw，可并网使用。
55.实施例二
56.本实施例提供一种光伏逆变方法，包括：
57.步骤s1、第一dc/dc模块将光伏组件输出的直流电压升高并稳定在预设电压值；
58.步骤s2、第一dc/dc模块输出的直流电压输入第二dc/dc模块，使第二dc/dc模块工作在谐振频率点上，同时第二dc/dc模块的高频直流变压器实现光伏组件与电网之间的电气隔离；
59.步骤s3、dc/ac模块第二dc/dc模块输出的直流电压逆变为交流电压，输出至电网。
60.其中，第一dc/dc模块优选为boost升压电路，第二dc/dc模块为llc谐振变换器，dc/ac模块为t型三电平模块。
61.当llc谐振变换器工作在谐振频率点上时，llc谐振变换器的输入电压和输出电压保持不变，此时，用于实现电气隔离的第二dc/dc模块的工作效率最高，因此本实施例优选将预设电压值设置为使llc谐振变换器工作在谐振频率点上的直流电压，能够使得本实施例的隔离型光伏逆变器的电压传输效率明显提高，进而提高了隔离型光伏逆变器的工作效率。
62.本实施例中，光伏逆变的工作效率明显高于采用移相全桥实现电气隔离的逆变器，且可以实现原副边的软开关，在实现隔离的同时，保证了传输效率，且能够保证较宽的输入电压范围，工作频率高，具有体积小、重量轻、功率密度高、转换效率高且能够实现电气隔离的优点。
63.实施例三
64.本实施例提供一种光伏并网系统，包括实施例一提供的隔离型光伏逆变器。
65.本实施例的光伏组件，不仅可以是晶硅光伏组件，还可以是cigs薄膜光伏组件，cigs薄膜光伏组件的电压远高于晶硅，电流小，本实施例的隔离型光伏逆变器的直流母线等级足以支撑其在cigs薄膜光伏组件的应用，且具有体积小，重量轻的优点，传统的隔离型逆变器厚度达到20mm，而本实施例由于利用了llc谐振变换器的软开关特性，提高了开关频率，减少电感和变压器的体积，能够将隔离型逆变器的厚度减至10mm，尤其适用于光伏建筑一体化的应用，可大幅度减少电缆的使用，缩小成本。
66.在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统和方法实施例仅仅是示意性的。
67.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而
且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
68.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。