本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種非隔離式微型光伏并網(wǎng)逆變器，屬于光伏發(fā)電并網(wǎng)、直流-直流(DC-DC)和直流-交流(DC-AC)變換器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光伏發(fā)電具有清潔環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)對(duì)能源緊缺、氣候變化的一個(gè)有效途徑。隨著環(huán)境污染、能源緊缺等問題日益嚴(yán)重，人們?cè)絹碓疥P(guān)注太陽能這種清潔可再生能源的應(yīng)用，太陽能是極具發(fā)展前景的新一代能源。光伏逆變器是將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電并注入到電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)將若干太陽能電池板通過串并聯(lián)組合，把能量集中送到一個(gè)或多個(gè)逆變器，再由逆變器生成交流電送入電網(wǎng)。這種集中式發(fā)電方式往往受制于發(fā)電效率低、安裝不易、電池板匹配困難等缺點(diǎn)。微型光伏逆變器通過給每塊光伏組件單獨(dú)配置控制器，可以實(shí)現(xiàn)每塊太陽能電池板最大功率跟蹤，同時(shí)，微型光伏逆變器具有即插即用、安裝簡(jiǎn)單、靈活擴(kuò)容、系統(tǒng)變換效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以引起了廣泛關(guān)注。

更高的MPPT效率、更好的易用性、更低的安裝成本、更高的安全性以及完善的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性，使得微型光伏逆變器成為未來光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。但是工業(yè)上對(duì)更穩(wěn)定性、更長(zhǎng)的使用壽命、更高能量變換效率、更高功率密度和更低單位瓦數(shù)成本等的需求給微型光伏逆變器的設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的主要在于克服傳統(tǒng)微型光伏逆變器因使用電解電容作為能量解耦元件，導(dǎo)致的壽命難以和光伏電池壽命相匹配，以及微型光伏逆變器的橋式逆變電路部分中的橋臂存在直通風(fēng)險(xiǎn)，造成的穩(wěn)定性不高的缺點(diǎn)，克服了微型光伏逆變器因變壓器的使用而導(dǎo)致的成本和能量轉(zhuǎn)換效率較低的缺點(diǎn)，克服了微型光伏逆變器的功率密度相對(duì)于組串式光伏逆變器和集中式光伏逆變器低的缺點(diǎn)。本發(fā)明提供了一種特別是涉及一種非隔離式微型光伏并網(wǎng)逆變器，具有工作壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率高、同時(shí)具備成本優(yōu)勢(shì)的解決方案。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種非隔離式微型光伏并網(wǎng)逆變器，包括：太陽能電池板、輸入濾波電容、非隔離式DC-DC變換器、直流母線電容、雙Buck逆變電路以及電網(wǎng)，所述的太陽能電池板依次連接所述輸入濾波電容、所述非隔離式DC-DC變換器、所述直流母線電容、所述雙Buck逆變電路以及所述電網(wǎng)。

所述太陽能電池板的正負(fù)輸出端分別與所述輸入濾波電容的兩端相連；所述的輸入濾波電容與所述非隔離式DC-DC變換器的輸入相連；所述的非隔離式DC-DC變換器的輸出與所述直流母線電容相連；所述雙Buck逆變電路由第一開關(guān)管S₁、第二開關(guān)管S₂、第三開關(guān)管S₃、第四開關(guān)管S₄、第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃、第四二極管D₄、第一濾波電感L₁和第二濾波電感L₂組成；所述的第一二極管D₁的陰極和所述直流母線電容的正極相連，所述的第一開關(guān)管S1的漏極與所述第一二極管D₁的陽極相連，所述第一開關(guān)管S₁的源極與所述直流母線電容的負(fù)極相連；所述的第二二極管D₂的陰極和所述第一二極管D₁的陰極相連，所述第二開關(guān)管S₂的漏極和所述第二二極管D₂的陽極相連，所述開關(guān)管S₂的源極和所述第一開關(guān)管S₂的源極相連；所述第三開關(guān)管S₃的漏極和所述第二二極管D₂的陰極相連，所述第三二極管D₃的陰極和所述第三開關(guān)管S₃的源極相連，所述第三二極管D₃的陽極和所述第二開關(guān)管S₂的源極相連；所述第四開關(guān)管S₄的漏極和所述第三開關(guān)管S₃的漏極相連，所述的第四二極管D₄的陰極和所述第四開關(guān)管S₄的源極相連，所述第四二極管D₄的陽極和所述第三二極管D₃的陽極相連；所述第一電感L₁的一端和所述第一二極管D₁的陽極相連，另一端和所述第三開關(guān)管S₃的源極相連；所述第二電感L₂的一端和所述第二開關(guān)管S₂的漏極相連，另一端和所述第四二極管D₄的陰極相連；所述電網(wǎng)的一端和所述第三開關(guān)管S₃的源極相連，所述電網(wǎng)的另一端和所述第四開關(guān)管S₄的源極相連。

所述前級(jí)DC-DC部分采用非隔離式DC-DC變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，后級(jí)DC-AC部分采用的是雙Buck逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

所述的輸入濾波電容和所述直流母線電容是薄膜電容。

所述雙Buck逆變電路中的全控型器件第一開關(guān)管S₁、第二開關(guān)管S₂、第三開關(guān)管S₃和第四開關(guān)管S₄采用的是碳化硅或氮化鎵寬禁帶功率器件；所述雙Buck逆變電路中的第一二極管D₁和第二二極管D₂采用的是碳化硅或氮化鎵寬禁帶肖特基二極管。

所述雙Buck逆變電路中的橋臂不含有開關(guān)管直通問題，開關(guān)管PWM驅(qū)動(dòng)不需要疊加死區(qū)。

所述雙Buck逆變電路總開關(guān)管的開關(guān)頻率在100千赫茲以上。

所述第三開關(guān)管S3在所述電網(wǎng)電壓正半周恒導(dǎo)通，所述第四開關(guān)管S4在所述電網(wǎng)電壓負(fù)半周恒導(dǎo)通。

在所述電網(wǎng)電壓正半周時(shí)，所述第三開關(guān)管S₃、所述第二電感L₂、所述第二開關(guān)管S₂和所述第二二極管D₂處于工作狀態(tài)；在所述電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)，所述第四開關(guān)管S₄、所述第一電感L₁、所述第一開關(guān)管S₁和所述第一二極管D₁處于工作狀態(tài)。

所述第三二極管D₃和所述第四二極管D₄是故障保護(hù)二極管，當(dāng)所述電網(wǎng)電壓大于所述直流母線電容上的電壓時(shí)，防止所述第一電感L₁和所述直流母線電容或者所述第二電感L2和所述直流母線電容因形成諧振回路而產(chǎn)生過電壓打壞器件。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯而易見的突出性質(zhì)和顯著優(yōu)點(diǎn)：

(1)所述微型光伏逆變器采用非隔離式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不需要高頻變壓器，提升了微型光伏逆變器效率的同時(shí)也降低了成本；(2)所述微型光伏逆變器為前后兩級(jí)式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級(jí)是非隔離型DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)光伏板的輸出電壓升壓，后級(jí)式雙Buck逆變器(DC-AC逆變器)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制，正因?yàn)槭莾杉?jí)式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直流母線的電壓較高，將直流母線電容作為二倍工頻功率脈動(dòng)的解耦元件，使得薄膜電容的利用成為可能；(3)所述微型光伏逆變器的輸入濾波電容和直流母線電容采用的都是薄膜電容，提升了系統(tǒng)的壽命；(4)所述微型光伏逆變器的DC-AC部分采用的是雙Buck逆變電路拓?fù)?，該電路拓?fù)溆兴膫€(gè)橋臂，每個(gè)橋臂在任何時(shí)候都不會(huì)出現(xiàn)橋臂直通的問題，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；(5)所述雙Buck逆變電路拓?fù)渲械拈_關(guān)管PWM控制不需要死區(qū)，因此開關(guān)頻率可以做得更高，磁性元件更小，系統(tǒng)的功率密度更高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種非隔離式微型光伏逆變器的電路拓?fù)鋱D；

圖2為本發(fā)明的一種非隔離式微型光伏逆變器中DC-AC部分的電路拓?fù)鋱D；

圖3為本發(fā)明的一種非隔離式微型光伏逆變器中所述雙Buck逆變電路在一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)四個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形；

圖4為本發(fā)明的一種非隔離式微型光伏逆變器中所述雙Buck逆變電路在電網(wǎng)電壓正半周期時(shí)的工作模態(tài)；

圖5為本發(fā)明的一種非隔離式微型光伏逆變器中所述雙Buck逆變電路在電網(wǎng)電壓正半周期時(shí)的等效電路；

圖6為本發(fā)明的一種非隔離式微型光伏逆變器中所述雙Buck逆變電路在電網(wǎng)電壓負(fù)半周期時(shí)的工作模態(tài)；

圖7為本發(fā)明的一種非隔離式微型光伏逆變器中所述雙Buck逆變電路在電網(wǎng)電壓負(fù)半周期是的等效電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。

實(shí)施例：如圖1所示，本非隔離式微型光伏并網(wǎng)逆變器，包括：太陽能電池板(1)、輸入濾波電容(2)、非隔離式DC-DC變換器(3)、直流母線電容(4)、雙Buck逆變電路(5)以及電網(wǎng)(6)，所述的太陽能電池板(1)依次連接所述輸入濾波電容(2)、所述非隔離式DC-DC變換器(3)、所述直流母線電容(4)、所述雙Buck逆變電路(5)以及所述電網(wǎng)(6)。所述太陽能電池板(1)的正負(fù)輸出端分別與所述輸入濾波電容(2)的兩端相連；所述的輸入濾波電容(2)與所述非隔離式DC-DC變換器(3)的輸入相連；所述的非隔離式DC-DC變換器(3)的輸出與所述直流母線電容(4)相連；所述雙Buck逆變電路(5)由第一開關(guān)管S₁、第二開關(guān)管S₂、第三開關(guān)管S₃、第四開關(guān)管S₄、第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃、第四二極管D₄、第一濾波電感L₁和第二濾波電感L₂組成；所述的第一二極管D₁的陰極和所述直流母線電容(4)的正極相連，所述的第一開關(guān)管S1的漏極與所述第一二極管D₁的陽極相連，所述第一開關(guān)管S₁的源極與所述直流母線電容(4)的負(fù)極相連；所述的第二二極管D₂的陰極和所述第一二極管D₁的陰極相連，所述第二開關(guān)管S₂的漏極和所述第二二極管D₂的陽極相連，所述開關(guān)管S₂的源極和所述第一開關(guān)管S₂的源極相連；所述第三開關(guān)管S₃的漏極和所述第二二極管D₂的陰極相連，所述第三二極管D₃的陰極和所述第三開關(guān)管S₃的源極相連，所述第三二極管D₃的陽極和所述第二開關(guān)管S₂的源極相連；所述第四開關(guān)管S₄的漏極和所述第三開關(guān)管S₃的漏極相連，所述的第四二極管D₄的陰極和所述第四開關(guān)管S₄的源極相連，所述第四二極管D₄的陽極和所述第三二極管D₃的陽極相連；所述第一電感L₁的一端和所述第一二極管D₁的陽極相連，另一端和所述第三開關(guān)管S₃的源極相連；所述第二電感L₂的一端和所述第二開關(guān)管S₂的漏極相連，另一端和所述第四二極管D₄的陰極相連；所述電網(wǎng)(6)的一端和所述第三開關(guān)管S₃的源極相連，所述電網(wǎng)(6)的另一端和所述第四開關(guān)管S₄的源極相連。

下面結(jié)合附圖2-7敘述本實(shí)施例的具體工作原理：

從圖1所示電路拓?fù)錁?gòu)成可見：本發(fā)明的非隔離式微型光伏并網(wǎng)逆變器是由前級(jí)的非隔離式DC-DC變換器、中間的直流母線電容C_bus和后級(jí)的雙Buck逆變電路構(gòu)成的。所述前級(jí)非隔離式DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)將光伏側(cè)電壓升壓到V_bus，后級(jí)的雙Buck逆變電路實(shí)現(xiàn)將直流母線側(cè)的電壓V_bus完成逆變并網(wǎng)控制。由于本發(fā)明中的微型光伏逆變器采用的是兩級(jí)式帶直流母線的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直流母線電壓高，因此直流母線電容的容值較低，使得高壽命的薄膜電流的采用成為了可能。

本發(fā)明的非隔離式微型光伏并網(wǎng)逆變器的核心部分是后級(jí)的雙Buck逆變電路，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。其中開關(guān)管S₃和開關(guān)管S₄是工頻開關(guān)管，開關(guān)管S₁和開關(guān)管S₂是高頻開關(guān)管，二極管D₁和二極管D₂是續(xù)流二極管，二極管D₃和二極管D₄是保護(hù)用二極管。不同于傳統(tǒng)的單相全橋逆變電路，在雙Buck逆變電路中有四個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂只包含一個(gè)開關(guān)管。在任何開關(guān)狀態(tài)下，雙Buck逆變電路都不會(huì)有橋臂直通的風(fēng)險(xiǎn)，不需要給PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)疊加死區(qū)。因此，雙Buck逆變電路的輸出波形諧波畸變較小；另外使得更高頻率的采用成為可能，這將減少磁性元件的使用，提升整個(gè)系統(tǒng)的功率密度。

1.電路工作原理分析

為了進(jìn)一步分析雙Buck電路的工作原理，下文將對(duì)開關(guān)模態(tài)做出詳細(xì)的分析。圖3為雙Buck電路中各個(gè)開關(guān)管在一個(gè)電網(wǎng)周期下的驅(qū)動(dòng)波形，其中G₃是開關(guān)管S₃的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，G₂是開關(guān)管S₂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，G₄是開關(guān)管S₄的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，G₁是開關(guān)管S₁的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。可見開關(guān)管S₁和開關(guān)管S₂工作在高頻PWM模式下，開關(guān)管S₃和開關(guān)管S₄工作在工頻周期控制模式下。

1.1電網(wǎng)電壓為正時(shí)的開關(guān)模態(tài)分析

當(dāng)電網(wǎng)電壓為正半周時(shí)，所述雙Buck逆變電路共有兩個(gè)工作模態(tài)，其開關(guān)模態(tài)的等效電路如圖4所示。

1)工作模態(tài)1：開關(guān)管S₃開通，開關(guān)管S₂開通；開關(guān)管S₁和開關(guān)管S₄關(guān)閉。

此時(shí)等效電路如圖4(a)所示，直流母線上能量將通過開關(guān)管S₃、電網(wǎng)和開關(guān)管S₂給電感L₂充電，電感L₂電流i_L2上升。

2)工作模態(tài)2：開關(guān)管S₃開通，開關(guān)管S₂關(guān)閉；開關(guān)管S₁和開關(guān)管S₄關(guān)閉。

此時(shí)等效電路如圖4(b)所示，由于開關(guān)管S₂是工作在高頻PWM控制下，一旦S₂關(guān)閉，電感上的電流將通過二極管D₂續(xù)流，電感L₂電流i_L2將下降。

圖5是工作在電網(wǎng)電壓正半周的雙Buck逆變電路的簡(jiǎn)化電路，是由直流母線電容C_bus、開關(guān)管S₂、二極管D₂、電感L₂和電網(wǎng)組成的一個(gè)Buck電路。

1.2電網(wǎng)電壓為負(fù)時(shí)的開關(guān)模態(tài)分析

當(dāng)電網(wǎng)電壓為負(fù)半周時(shí)，所述雙Buck逆變電路也有兩個(gè)工作模態(tài)，其開關(guān)模態(tài)的等效電路如圖6所示。

1)工作模態(tài)1：開關(guān)管S₄開通，開關(guān)管S₁開通；開關(guān)管S₃和開關(guān)管S₂關(guān)閉。

此時(shí)等效電路如圖6(a)所示，直流母線上能量將通過開關(guān)管S₄、電網(wǎng)和開關(guān)管S₁給電感L₁充電，電感L₁電流i_L1上升。

2)工作模態(tài)2：開關(guān)管S₄開通，開關(guān)管S₁關(guān)閉；開關(guān)管S₃和開關(guān)管S₂關(guān)閉。

此時(shí)等效電路如圖6(b)所示，由于開關(guān)管S₁是工作在高頻PWM控制下，一旦S₁關(guān)閉，電感上的電流將通過二極管D₁續(xù)流，電感L₁電流iL₁將下降。

圖7是工作在電網(wǎng)電壓負(fù)半周的雙Buck逆變電路的簡(jiǎn)化電路，是由直流母線電容C_bus、開關(guān)管S₁、二極管D₁、電感L₁和電網(wǎng)組成的一個(gè)Buck電路。

本發(fā)明不局限于上述具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行多種實(shí)施方式。應(yīng)理解上述實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。