一种多级非隔离型多支路光伏并网逆变器

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，特别是涉及到一种将太阳能转换为电能的多级非隔离型多支路光伏并网逆变器。

背景技术

新能源与可再生能源势必加快进入能源体系主流。围绕碳中和与能源安全，能源行业发展的技术路线日益清晰，以光伏、风电为代表的可再生能源战略地位凸显，储能作为关键支撑技术必将发挥愈来愈重要的作用。从而，光伏、风电和储能体系内相关的设备的进步也愈来愈重要，光伏发电产业和储能产业的发展离不开相关的设备的发展。

可以看出，逆变器是光伏发电系统和储能系统不可或缺的关键设备。同时，逆变器性能直接影响系统发电效率和稳定性。作为光伏系统中和储能系统中的智能化设备，逆变器只占系统总成本不到20％，却直接影响电力转换效率，运行稳定性和使用寿命。

在传统拓扑的非隔离式光伏并网系统中，光伏电池组件输出电压必须在任何时刻都大于电网电压峰值，所以需要光伏电池板串联，来提高光伏系统输入电压等级。但是多个光伏电池板串联铜材可能由于部分电池板被云层等外部因素遮蔽，导致光伏电池组件输出能量严重损失，光伏电池组件输出电压跌落，无法保证输出电压在任何时刻都大于电网电压峰值，使整个光伏并网系统不能正常工作。而且，只通过一级能量变换难以很好的同时实现最大功率点跟踪和并网逆变两个功能。

因此，现有技术中亟需一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种多级非隔离型多支路光伏并网逆变器，能够将太阳能吸收转化成电能，由直流电转换为交流电，以供家庭电器或者并网使用。

一种多级非隔离型多支路光伏并网逆变器，包括控制板、底板以及底座，所述底座为散热器，所述底板设置在底座上，所述控制板设置在底板上；所述底板上还设置有直流输入接头、交流输出接头、升压电路、逆变电路、滤波电路以及光耦隔离，所述控制板上设置有控制电路，用于控制升压电路、逆变电路以及滤波电路；所述升压电路与逆变电路连接，所述逆变电路与滤波电路连接。

所述控制电路的控制芯片采用DSP数字信号处理芯片，包括串行通信接口模块、串行外设接口模块、CAN控制器模块以及AD模块，用于输出控制信号。

所述升压电路为BOOST升压电路，通过改交占空比将电压升压至150V-550V。

所述逆变电路为电压源输入型的全桥逆变电路，逆变电路输入为升压电路输出电压，输出为交流电。

所述滤波电路包括电感和滤波电容，滤波电路的输出与电网连接。

所述底板上还设置有辅助电源。

所述光耦隔离实现用弱点控制强电，产生四路IGBT的PWM驱动信号。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1)、本发明通过IGBT短路保护与欠驱动反馈补偿实现大功率的IGBT异常状态保护，IGBT驱动与保护的光纤编解码技术提高系统在大电流下的抗干扰能力；利用无感母线排和高寿命薄膜电容的集成结构诚少di/dt和du/dt的冲击，实现大功率逆交器的高可靠、低损耗与长寿命。

2)、低压输入(Vdc<40V)、大升压比(1:8)、高效变换(>98.5％)、低纹波的DC/DC电路设计技术突破光伏发电系统在BIPV场合应用的世界性难题，提高系统的安全性。

3)、利用DSP嵌入式系统+FPGA协处理技术构建开发出32位高精度三重化SVPWM空间矢量计算、并网低谐波控制与重复控制、高精度快速MPPT跟踪等核心算法的硬件化协处理技术，实现了数控系统实时性、高可靠性的重大突破，达到国际先进水平。

4)、M序列无功扰动主动检测+被动检出穿法，结合IGBT关断与开关分断的二级系统保护制策略，使系统在900ms内完成孤岛检测和保护响应，切断电网与光伏发电系统的连接，有效解决反孤岛控制在工程应用中盲区大、响应速度慢等瓶颈技术难题，性能高于ULI741、DIN0126等技术要求，达到反孤岛控制的出界先进水平。

5)、分布式光伏并网系统的镇定控制技术与分散自律调节技术，解决共直流母线电压波动或振荡，以及逆变输出电流谐波含量增大等技术难题，实现直流母线分布式接入系统高稳定性的运行控制。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明一种多级非隔离型多支路光伏并网逆变器外部结构示意图。

图2为本发明一种多级非隔离型多支路光伏并网逆变器电路系统结构框图。

图3为本发明一种多级非隔离型多支路光伏并网逆变器系统组成结构框图。

图4为本发明一种多级非隔离型多支路光伏并网逆变器升压电路原理图。

图5为本发明一种多级非隔离型多支路光伏并网逆变器电路原理图。

图6为本发明一种多级非隔离型多支路光伏并网逆变器控制电路结构框图。

图中1-控制板、2-底板、3-底座、4-直流输入接头、5-交流输出接头、6-光耦隔离、11-升压电路、12-逆变电路、13-滤波电路、14-控制电路。

具体实施方式

一种多级非隔离型多支路光伏并网逆变器，如图1-图6所示，包括控制板1、底板2以及底座3，所述底板2安装在底座3上，控制板1安装在底板2上；底板2上还设置有直流输入接头4和交流输出接头5,。所述控制板1上设置控制电路14，以DSP芯片为核心，通过采集的电压电流信号与芯片内部的比较单元处理，计算后输出控制信号，通过数据线传到底板2，经过光耦隔离6后，产生控制IGBT开通或关断的PWM控制信号，

底座3为一个散热器，在逆变器工作时起到保护作用。整个逆变器的电路部分包括升压电路11、逆变电路12、滤波电路13和控制电路14，升压电路11与逆变电路12连接，逆变电路12和滤波电路13连接，控制电路14对整个系统电路进行控制。升压电路11采用BOOST升压电路结构，逆变电路12采用全桥电压型逆变结构。控制电路14实现对BOOST升压电路和逆交电路的控制。升压电路11和逆变电路12在控制电路14的控制下协调运作。控制板1采用了高性能的DSP数字信号处理芯片TMS320F2812进行监控，能够快速、准确的对整机运行实施控制和监测，RS485通讯和人机交互界面也提高了整机的拓展性和实用性。

所述升压电路11采用了BOOST电路结构，通过控制功率开关器件的导通关断占空比即可将光伏阵列输出电压提升至150V-600V左右。此外，经过对光伏阵列输出电压、电流的检测和DSP的最大功率跟踪控制可实现在不同的外界温度和日照条件下，最大可能的捕获光伏阵列的输出功率。

具体的，升压电路11的原理图如图3所示。当开关器件V开通时，开通时间为ton。电源E向电感L充电，充电电流基本恒定(it)，同时电容C上的电压向负载R供电，电容C很大，可基本保持输出电压Uo为恒定值。当V处于关断时，关断时间toff。电源E和电感L共同向电容C充电，并向负载提供能量。根据在一个周期T里电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即E*il*ton＝(Uo-E)*i1*toff，化简后可得Uo＝(T/toff)*E。由此可知，我们可以通过控制功率开关器件的导通关断占空比即可将光伏阵列输出电压提升至可逆变的150V～550V电压左右。此外，经过对光伏阵列输出电压、电流的检测和DSP的最大功率跟踪控制可实现在不同的外界温度和日照条件下，最大可能的捕获光伏阵列的输出功率。

所述逆变电路12为电压源输入型的全桥逆交电路，逆变器的核心是将直流电压(光伏组件)转换成交流电压(可并网)的过程，在转变的过程中，不停地转换直流电的正负极连接，从而形成方向变化的交流电。这个开关桥的一侧连接输入的直流电源，在另一侧连接交流电网。在工作过程中，只有两个相对的开关可以同时关闭。该结构具有逆变算法灵活，输出电能质量高的优点。四个开关器件分别反并联一个续流二极管，形成双桥臂的逆交系统。

具体的，如图4所示，所述逆变电路12为电压源输入型的全桥逆变电路，该结构具有逆变算法灵活，输出电能质量高的优点。T1与D1反并联，T2与D2反并联，T3与D3反并联，T4与D4反并联，构成双桥臂逆变系统。由控制电路提供PWM信号，控制TI-T4的开通或关断，T4保持开通，T2与T3均关断，此时控制T1开关进而控制电压脉冲宽度，根据冲量相等而形状不同的窄脉冲施加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，可以等效成正向的正弦信号；反之，保持T2导通，T1和T4关断，控制T3开关进而控制电压脉沖宽度，可以等效反向的正弦信号。如此交替导通两组IGBT，可以实现对直流信号的逆变。

所述滤波电路13包括电感和滤波电容，其输出端与电网连接，输入端和逆变器连接。滤波电路的作用是减少逆变器输出电流，提高逆交器的输出电能质量。

具体的，滤波电路包括共模扼流圈L、滤波电容Cx和Cy以及泄放电阻R。共模扼流圈L是一个双重缠绕的环形电感，其磁芯一般采用低损耗、高导磁率、频率特性好的铁氧体材料。共模扼流圈对差模干扰不起作用。共模干扰时，因两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后，总电感量迅速增大，因此对共模干扰呈现出较大的阻抗，使共模干扰信号不易通过。L的电感量和EMI滤波器的额定电流I有关。在允许的情况下，适当增加电感量，可以改善低频衰减特性。Cy电容分别跨接在两根电源线和接地线之间，将高频共模噪声分流或分路到地，从而滤除共模干扰，可选用陶瓷电容，根据滤波器漏电流的大小确定其容量，一般容量范围在0.0022～0.1μF。电容Cx主要用来滤除差模干扰，它们将交流输电线和中线之间存在的非同步高频差模噪声中和，选用薄膜电容器，Cx的容量越大，插入损耗越大，其值大致在0.01～1.0μF。在供电切断之后，这些电容将通过泄放电阻R进行放电，避免因电荷积累而影响滤波特性，保证电路的安全性。

所述控制电路14实现对升压电路11以及逆变电路12进行控制。控制芯片采用TI公司的高性能数字信号处理芯片DSP，它可以对电路中的各参数进行检测，进而提供控制信号，对电路进行控制，主要包括控制升压电路中开关器件T0开通与关断的驱动信号和控制逆变电路中TI～T4的PWM信号。

具体的，图5为控制电路14的电路结构图，以DSP芯片TMS320F2812为核心，它具有丰富的存储空问和外设接口，可以满足本设计的需要。DSP芯片的ADCO～ADC15用于接收对直流侧电压、直流侧电流、交流侧电压和交流侧电流的检测。DSP芯片的PWMI～PWM4输出控制逆变桥的四路PWM控制信号。

本发明通过采用上述技术方案后，逆变器整机能够实现光伏阵列的最大功率跟踪，为电网提供谐波少，高质量的电能。整机运行稳定、可靠，整体效率高。