实现光伏并网微型逆变电源高效率和高可靠性的方法技术

一种实现光伏并网微型逆变电源高效率和高可靠性的方法，通过两相互补进行电流控制。本发明专利技术通过对两相输出电流叠加后向电网传输能量，该方法不需要使用电解电容，光伏电池板两端输出电压或工作电压在相对稳定的外部环境下如光照稳定的情况下也是稳定的，保证了MPPT的实现和电池板输出功率最大化，同时可实现高可靠性和高转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能光伏发电，尤其是光伏发电并网用微型逆变电源，具体地说是一种实现光伏并网微型逆变电源高效率和高可靠性的方法。
技术介绍
目前，在新能源开发领域，太阳能光伏发电是目前主要的发展方向。而太阳能电池本身的低转换效率是制约光伏发电目前不能普及的主要因素之一。作为太阳能光伏发电系统的重要一环，高转换效率、高可靠性并网用逆变电源的研发近年来受到了广泛重视。其中，光伏发电并网用微型逆变电源十分适合中小型太阳能发电系统，会推动基于建筑屋顶、墙体和电线干等空间太阳能发电的广泛应用。但是，并网用微型逆变器的开发还存在提高转换效率和改进可靠性相互矛盾等关键技术问题，本专利技术的目的就是要解决这一技术难题。光伏电池存在最大输出功率工作点，且最大输出功率工作点随光照等环境因素而变化。为实现最大输出功率点跟踪(MPPT)和输出功率最大化，电池板两端的电压需要相对恒定。这就要求电池板的负载电流也就是逆变器的输入电流要恒定。但是，高效率的单级逆变电源输出到电网的电流需要和电网电压同频同相，即逆变电源的输出功率是正弦波变化的。如果忽略逆变电源转换过程的能量损失，光伏电池的输出功率应和逆变电源输出功率相等。这就导致光伏电池的输出电压也就是逆变电源的输入电压是正弦波动变化的，使MPPT不能实现。为了解决这一矛盾，最简单的办法是在电池板的两端并联连接一个大容值电容Cin，如图1所示。为易于实现MPPT，所需要并接的r>电容值C由下式给出:C=Pdc2πfUdcΔu---(1)]]>其中，Pdc是光伏电池板最大输出功率，Udc是电容上的平均电压，f是交流电网频率，Δu是最大能容许的电压波动峰～峰值。对于一个典型的200瓦输出功率光伏模块，Udc=35V，假设Δu=2V，那么，为了获得光伏电池98%的利用率，最小的电容值是7.6mF。对于如此大的电容值，通常只有用电解电容来实现。然而，电解电容在105°C工作环境只有最长7000小时的寿命，在75°C时是16000小时。电池板和微型逆变器(AC模块)工作时是暴露在日照环境下，再加上逆变器工作时自身产生的热量，其环境温度达到75°C是正常的。如果按光伏系统每天工作8小时计算，电解电容在75°C环境工作的寿命小于6年，远不能和光伏电池本身20年以上的寿命相匹配。对逆变器产品的可靠性评估是基于第一次失效平均时间(MTFF)和失效之间的平均时间(MTBF)。目前，实际应用于AC模块的微型逆变器产品寿命在5～10年。即MTFF是5年，MTBF是10年。应用长寿命的薄膜电容来替换电解电容应该是延长逆变器使用寿命的有效途径。因为，薄膜电池在同样工作温度下具有80000小时的寿命。按每天工作8小时计算，其寿命可达27年。然而，问题并不是这么简单。因为，薄膜电容的单位容值较低，从成本和体积等方面来说，对于mF级的电容用薄膜电容几乎是不现实的。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题，提出一种实现光伏并网微型逆变电源高效率和高可靠性的方法，通过两相互补进行电流控制。本专利技术的技术方案是：一种实现光伏并网微型逆变电源高效率和高可靠性的方法，将两相输出电流Iout1和Iout2叠加后向电网传输能量，具体包括以下步骤：（a）、光伏电池板在最大输出功率点的输出电流是I0，将光伏电池板的负载电流设置为两相I1和I2，且其大小用下式表示：I1=I0*|sin(2πft)|...(2)       I2=I0*[1-|sin(2πft)|]...(3)其中，f是电网频率，t是时间，绝对值表示I1和I2不小于零，把正弦波的负半周变为正半周，即I1和I2的频率是2f，电池板的总负载电流是I1+I2=I0*[|sin(2πft)|+1-|sin(2πft)|]=I0...(4)（b）、在光伏电池板的输出端并联一个较小容值的薄膜电容，在一个周期T内对I1进行积分，得到I1*T=2I0*T/π=0.637I0*T...(5)即第一相传输电流I1占总传输电流的63.7%，I2占36.3%，I2只有I1的57%。（c）、在一个周期T内从等量关系上把I2也以正弦函数表示，即I2=(π/2-1)*I0|sin(2πft)|=0.57I0|sin(2πft)|...(6)（d）、I1的控制信号基准电压Vsw1是根据电网交流电压而得到的，是电网频率的2倍，且在电网的正负半周期内，和电网电压同相位，I2的控制信号基准电压是和Vsw1互补的，即Vsw1=Vm*|sin(2πft)|...(8)    Vsw2=Vm*[1-|sin(2πft)|]...(9)其中Vm是电网峰值电压缩小若干倍的取值，f是电网频率；由于I1和电网电压同相且呈现正弦半波波形，逆变器第一相输出电流Iout1通过和电网频率相同的开关控制直接输送到电网，正负半周各用2个开关；（e）、第二相输出电流Iout2存储在小容值的电容Clink上，再通过高频开关降压方式和第一相输出电流Iout1进行叠加，实现向电网传输能量。根据(6)和(8)式，把Clink上存储的电流变换成和Iout1同频同相的正弦半波电流，即从Clink的第二相输出电流转换高频SPWM开关控制基准电压是Vsb=0.57Vsw1...(10);将两相输出电流Iout1和Iout2叠加后向电网传输能量。本专利技术的有益效果：本专利技术通过对两相输出电流叠加后向电网传输能量。该方法不需要使用电解电容，同时可实现高可靠性和高转换效率。附图说明图1是传统的单级转换微型逆变器拓扑结构原理图。图2是本专利技术采用的两相互补电流微型逆变器的拓扑结构原理图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。如图2所示，一种设光伏电池板在最大输出功率点的输出电流是I0，如果把光伏电池板的负载电流设置为两相I1和I2，且其大小用下式表示:I1=I0*|sin(2πft)|...(2)        I2=I0*[1-|sin（2πft）|]...(3）其中，f是电网频率，t是时间，绝对值表示I1和I2永不小于零，把正弦波的负半周变为正半周，即I1和I2的频率是2f。那么，电池板的总负载电流是I1+I2=I0*[|sin(2πft)|+1-|sin(2πft)|]=I0...(4)这就是说光伏电池板的输出电流和其负载电流是相等的，保证了其工作电压恒定，和时间无关。因此，从理论上来说，光伏电池板两端即使不用并联电容，其输出电压或工作电压在相对稳定的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现光伏并网微型逆变电源高效率和高可靠性的方法，将两相输出电流Iout1和Iout2叠加后向电网传输能量，其特征是它包括以下步骤：（a）、光伏电池板在最大输出功率点的输出电流是I0，将光伏电池板的负载电流设置为两相I1和I2，且其大小用下式表示：I1=I0*|sin(2πft)|...(2)???????I2=I0*[1?|sin(2πft)|]...(3)其中，f是电网频率，t是时间，绝对值表示I1和I2不小于零，把正弦波的负半周变为正半周，即I1和I2的频率是2f，电池板的总负载电流是I1+I2=I0*[|sin(2πft)|+1?|sin(2πft)|]=I0...(4)（b）、在光伏电池板的输出端并联一个较小容值的薄膜电容，在一个周期T内对I1进行积分，得到I1*T=2I0*T/π=0.637I0*T...(5)即第一相传输电流I1占总传输电流的63.7%，I2占36.3%，I2只有I1的57%。（c）、在一个周期T内从等量关系上把I2也以正弦函数表示，即I2=(π/2?1)*I0|sin(2πft)|=0.57I0|sin(2πft)|...(6)（d）、I1的控制信号基准电压Vsw1是根据电网交流电压而得到的，是电网频率的2倍，且在电网的正负半周期内，和电网电压同相位，I2的控制信号基准电压是和Vsw1互补的，即Vsw1=Vm*|sin(2πft)|...(8)????Vsw2=Vm*[1?|sin(2πft)|]...(9)其中Vm是电网峰值电压缩小若干倍的取值，f是电网频率；由于I1和电网电压同相且呈现正弦半波波形，逆变器第一相输出电流Iout1通过和电网频率相同的开关控制直接输送到电网，正负半周各用2个开关；（e）、第二相输出电流Iout2存储在小容值的电容Clink上，再通过高频开关降压方式和第一相输出电流Iout1进行叠加，实现向电网传输能量。根据(6)和(8)式，把Clink上存储的电流变换成和Iout1同频同相的正弦半波电流，即 从Clink的第二相输出电流转换高频SPWM开关控制基准电压是Vsb=0.57Vsw1...(10);将两相输出电流Iout1和Iout2叠加后向电网传输能量。...

【技术特征摘要】
1.一种实现光伏并网微型逆变电源高效率和高可靠性的方法，将两相输出电
流Iout1和Iout2叠加后向电网传输能量，其特征是它包括以下步骤：
（a）、光伏电池板在最大输出功率点的输出电流是I0，将光伏电池板的负载
电流设置为两相I1和I2，且其大小用下式表示：
I1=I0*|sin(2πft)|...(2)       I2=I0*[1-|sin(2πft)|]...(3)
其中，f是电网频率，t是时间，绝对值表示I1和I2不小于零，把正弦波的负
半周变为正半周，即I1和I2的频率是2f，电池板的总负载电流是
I1+I2=I0*[|sin(2πft)|+1-|sin(2πft)|]=I0...(4)
（b）、在光伏电池板的输出端并联一个较小容值的薄膜电容，在一个周期T
内对I1进行积分，得到
I1*T=2I0*T/π=0.637I0*T...(5)
即第一相传输电流I1占总传输电流的63.7%，I2占36.3%，I2只有I1的57%。
（c）、在一个周期T内从等量关系上把I2也以正弦函数表示，即
I2=(π/2-1)*I0|sin(2πft)|...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄胜明，李俊，嵇保健，张广明，章伟，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：