高位差储能光伏逆变器制造技术

高位差储能光伏逆变器是用于光伏发电领域，把光伏发出的直流电逆变为工频交流电。传统的光伏逆变器对输入直流电与交流电直接的功率差，采用最前级的大电容储能滤波。这种方法在低电压输入的小型或微型光伏逆变中，由于前级的储能电容要求容量大，所以当前只有采用电解电容。但电解电容有工作温度范围窄，寿命短等缺点。本发明专利技术采用恒功率传输推高电路和高位差储能电容的构造解决了这个问题。本发明专利技术省略了位于前端的低电压、小波动的低频储能电解电容，从而大大扩宽了逆变器的控制温度范围和使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新能源中的光伏发电领域，是实现光伏发出的直流电变成交流电，SP逆变中的一种技术。
技术介绍
当前光伏发电技术中，逆变器是核心环节之一，它的可靠性和寿命至关重要。现在一般光伏电池板的寿命达到了 20年以上，但当前逆变器做到这么长的寿命比较困难或者成本太高。逆变器中，尤其是在小型和微型逆变器中，寿命的最薄弱环节是铝电解电容，铝电解电容的寿命在105摄氏度下是10000小时以下，温度每降低10度寿命增加一倍。但由于逆变器是功率转换器件，自身有能量消耗，能量消耗导致温度上升，温度上升导致寿命缩短。所以要降低温度，就需要提高效率或增加散热。但当效率提高到一定程度，要进一步提高效率的话，代价将成指数增加，必须采用昂贵的器件和一些复杂电路(比如软开关电路等)。如果增加散热，就要增加风扇或水冷等。这些又大大增加了产品的成本和复杂度。那为什么要用铝电解电容呢？原因如下:光伏电池的PV特性导致了，只有当系统在特定的电压点时才能发出最多的电，PV特性参考图4。所以为了发出最多的电，逆变器的输入工作电压恒定的工作在最大功率点电压比较合适，这样光伏能持续的按照最大功率发电。但光伏逆变器输出的是工频电，输出的功率是以两倍工频波动的，参考图2、图3、图4。光伏逆变器从暂态看，输入功率是相对稳定的(图4中的Ppv)，输出功率是以两倍工频波动的(图4中的Ptjut)，所以在逆变器中必定有以两倍工频吸收和释放的储能元件。图4中Ppv下部的阴影部分是逆变器中储能元件吸收的能量，Ppv上部的阴影部分是逆变器中储能元件释放的能量。图2是传统光伏逆变器简化示意图，其中Cin是储能电容。现在出现的光伏逆变器的两倍工频储能元件都是用最前级的电容Cin完成。电容的能量储存为C*U2/2，在电容不变的情况下，能量靠电压的变化储存和释放的。所以要保证PV在固定的电压点附近工作，发出最多的电，就必须保证光伏电压波动很小，即储能电容Cin的电压波动很小。储能电容Cin经过推导和实验得知:Cin ≈K X Ppv/ (Vpv X Δ Vin)公式 1上式中K为一个与输出频率相关的常数，当输出频率为50hz时K ^ 0.0032。波动电压(图1中的AVin)越小，光伏发电效率越高，但根据公式I得知，这要求储能电容Cin越大；Vpv越小，也要求储能电容越大。比如，一个光伏组件的最佳工作电压是25V，输出功率是200W，要求光伏电压波动Λ Vin小于IV，连接它的微逆变器的输入侧储能电容则为:200/(314X25X1)≈25.6mF。25.6mF的电容，以现在的工业水平只有锅电解电容比较合适。这就是为什么当前的光伏逆变器，尤其是小型和微型的光伏逆变器(因为输入电压低)，普遍选用铝电解电容。因为这么大容量其他类型的电容太贵了。由于采用了铝电解，导致逆变器的工作温度范围受限，寿命不容易保证，而且为了解决热的问题增加了许多成本。
技术实现思路
本专利技术解决了上述问题，采用的方法是在逆变器前级用一个恒功率传输电压推高电路和一个高位差储能电容Cm代替原来的位于前级的储能电容cin。即整个逆变器有三部分组成:恒功率传输电压推高电路、高位差储能电容和DC/AC电路。在稳态时，恒功率传输电压推高电路用高频开关电路把光伏发出的电能以在工频周期内恒定的功率推送到位于中间的高位差蓄能电容Cm和后级逆变电路。参考图5和图6。恒功率传输电压推高电路推送的功率即为光伏的发电功率，即逆变器工频交流输出的平均功率，这里所谓的恒功率并不是绝对的恒定不变，只是在工频周期内，不是以工频或两倍工频波动的，与逆变器的暂态输出功率相比是相对恒定的(请参考图7，Pt为恒功率传输电路的传输功率，Pout为逆变器的暂态输出功率)；但从长时间看，它当然是随逆变器的平均输出功率变化的。高位差储能电容Cm以比光伏输出电压较高的电压和电压波动缓冲工频交流的输出功率波动，参考图6中的高位差储能电容的Cm电压Vm波形。由于有恒功率传输电压推高电路的隔挡，高位差储能电容Cm的电压波动AVm不影响光伏发电电压，也就不影响光伏的发电效率，所以Cm可以有较大的电压波动AVm。之所以Cm被称之为高位差电容是因为它的电位Vm较光伏电压Vpv高，并且位差AVm也可以很大。为了储存和平抑逆变器工频交流输出的功率波动，Cm的容值选择与Cin类似:Cm^KXPpv/(VmX A Vm)公式 2上式中K与公式I中相同，当逆变器输出频率为50hz时，K ^ 0.0032。 比较公式I和公式2，就可以得知:由于Vm、A Vm较Vin、A Vin可以大很多，所以Cm就可以比Cm小很多。这样实现同样的蓄能，采用本专利技术的技术以后就可以采用容值小很多的电容了。由于电容量小了，就可以避免使用电解电容了，采用长寿命的薄膜电容就可以了。当然所谓恒功率传输电压推高电路只是在运行条件、工频负载等不变的情况是恒功率的，是在工频周期中相当逆变器 工频输出的功率波动是恒定的。由于恒功率传输电压推闻电路是有闻频开关电路实 现，从闻频是看，也可能会是波动的，实时波动的幅度很小频率很高，从工频看就近似是恒定的了。这里所谓的高频是指IOKHz以上的频率。本专利技术从框架结构上很像传统光伏逆变的两级结构，参考图5和图8，但他们实质是不同的。本专利技术中的恒功率电压推高电路与传统两级结构的光伏逆变器的区别是:1.本专利技术中的恒功率传输电压推高电路向后级传送的功率，在环境和工频负载没有改变时，在工频周期内向输送的功率是恒定的；而传统两级结构的光伏逆变器中的升压DC/DC，从工频周期内观察，向后级传输的是与逆变器输出功率相同，是以两倍工频的频率波动的。参考图7和图9，2.本专利技术中的恒功率传输电压推高电路的控制策略从工频周期内观察是向后级输送恒定的功率为目的的；而传统两级结构的光伏逆变器中的升压DC/DC的控制策略从工频周期内观察是为后级提供相当稳定的电压为目的的3.本专利技术中的逆变器输出功率的两倍工频波动的能量缓冲是由恒功率电压推高电路的后级电容Cm的电压波动实现的；而传统两级结构的光伏逆变器，平抑逆变器输出功率的两倍工频波动是由位于前级的Cin电压波动实现的本专利技术的有益效果主要是大大缩小了平抑逆变器功率输出波动的储能电容容量需求，从而避免了使用寿命短、对温度敏感的电解电容。由于不需要使用电解电容了，所以克服了传统光伏逆变器，尤其是低电压输入的微型、小型光伏逆变器的寿命和可靠性瓶颈，大大提高了光伏逆变器的寿命和工作温度范围。另外，由于把平抑输出功率的两倍频波动的储能电容从最前端移到逆变器的中部，并且恒功率传输电压推高电路是恒定功率把光伏的发电功率推送到高位差储能电容上的，从而大大减小了光伏电压输出的波动，可以更有效率的完成光伏电池的最大功率点发电，提高光伏的发电效率。附图说明本说明书有11个附图:图1，光伏发电的功率电压特性；图2，传统光伏逆变器示意图；图3，传统光伏逆变器电压电流曲线；图4，传统光伏逆变器功率电压曲线；图5，本专利技术的光伏逆变器原理示意6，本专利技术的光伏逆变器电压电流曲线；图7，本专利技术的光伏逆变器功率电压曲线；图8，传统两级结构的光伏逆变器方框图；图9，传统两级结构的光伏逆变器功率电压曲线；图10，本专利技术的光伏 逆变器实施例示意图；图11，本专利技术的光伏逆变器实施例示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
高位差储能光伏逆变器，是一种把光伏发出的直流电转换成工频交流电的产品，其特征在于它是由恒功率传输电压推高电路、高位差储能电容和后级的DC/AC变换电路组成，在系统稳态时，恒功率传输电压推高电路把光伏发出的电能用高频开关电路以恒定的功率推向后级，而高位差储能电容的电压以两倍工频的频率波动来平抑逆变器工频输出的在工频周期内的功率波动。

【技术特征摘要】
1.位差储能光伏逆变器，是一种把光伏发出的直流电转换成工频交流电的产品，其特征在于它是由恒功率传输电压推高电路、高位差储能电容和后级的DC/AC变换电路组成，在系统稳态时，恒功率传输电压推高电路把光伏发出的电能用高频开关电路以恒定的功率推向后级，而高位差储能电容的电压以两倍工频的频率波动来平抑逆变器工频输出的在工频周期内的功率波动。2.按权利要求1所述的高位差储能光伏...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永，
申请(专利权)人：丰郅上海新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：