本實用新型涉及一種交流側(cè)耦合的功率解耦電路，屬于電工
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏組件通過最大功率點追蹤(MPPT)控制，來產(chǎn)生恒定的最大功率，而傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的瞬時功率卻呈現(xiàn)周期性脈動，這是單相并網(wǎng)逆變器中普遍存在的瞬時功率不匹配的問題。通常，將大容量的電解電容作為解耦電路的儲能元件，然而電解電容的引入縮短了光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體壽命。根據(jù)解耦電容在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的位置不同，可分為光伏陣列側(cè)解耦，直流母線側(cè)解耦和交流輸出側(cè)解耦。交流輸出側(cè)解耦電路因為解耦電容兩端電壓值較大，且可以允許較大波動，故可以有效減小解耦電容值大小，減小系統(tǒng)體積，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)可以使用長壽命的薄膜電容來代替電解電容，延長光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命。針對交流側(cè)功率解耦方式，有不少學(xué)者提出了相應(yīng)的功率解耦電路。LiQ和WolfsP提出將解耦電容放置在逆變器和電網(wǎng)之間，由此構(gòu)成雙向交交變頻式逆變器拓撲，但解耦電容兩端的電壓幅值受到電網(wǎng)電壓的限制，不具備升降壓功能，解耦電容值的減小有限。合肥工業(yè)大學(xué)的陳宗翔提出一種在A相、C相通過電感濾波連接電網(wǎng)，而在B相通過電感Lb連接電網(wǎng)，由此通過B相上的兩個開關(guān)和電感Lb構(gòu)成功率解耦電路，其儲能元件是電感Lb。但采用電感作為解耦電路儲能元件，其解耦能力由電感值和通過電流的平方?jīng)Q定，將大大降低解耦電路解耦能力，倘若增大電感值又將使光伏發(fā)電系統(tǒng)體積大大增加。技術(shù)實現(xiàn)要素：本實用新型的目的是，根據(jù)交流輸出側(cè)解耦電路存在的各種問題，本實用新型公開一種交流側(cè)耦合的功率解耦電路，具有儲能元件少，電容值小，輸入范圍寬，電壓可調(diào)的特點。實現(xiàn)本實用新型的技術(shù)方案如下：一種交流側(cè)耦合的功率解耦電路，包括電感器、主開關(guān)器件、寄生二極管和解耦電容。所述主開關(guān)器件為七只開關(guān)管，分別為第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管、第五開關(guān)管、第六開關(guān)管和第七開關(guān)管；每只開關(guān)管均反并聯(lián)一個寄生二極管；寄生二極管為七只二極管，分別為第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管、第五二極管、第六二極管和第七二極管。所述第一開關(guān)管T1和第四開關(guān)管T4的發(fā)射極分別連接逆變器的輸出交流側(cè)兩端；第一開關(guān)管T1和第四開關(guān)管T4的集電極分別連接電感器Lc兩端；同時第一開關(guān)管T1的集電極與第二開關(guān)管T2的發(fā)射極和第五開關(guān)管T5的集電極相連；第四開關(guān)管T4的集電極與第六開關(guān)管T6的發(fā)射極和第二開關(guān)管T3的集電極相連；第二開關(guān)管T2和第六開關(guān)管T6的集電極與第七開關(guān)管T7的集電極相連；第七開關(guān)管T7的發(fā)射極連接解耦電容Cc的一端；第三開關(guān)管T3和第五開關(guān)管T5的發(fā)射極連接在一起，接到解耦電容Cc的另一端；所述功率解耦電路可實現(xiàn)功率的雙向流動，各開關(guān)管的寄生二極管可構(gòu)成能量流通的路徑，而無須額外增加二極管；所述功率解耦電路中，電容Cc實現(xiàn)對光伏逆變器輸出功率與電網(wǎng)瞬時功率之差的功率解耦作用，而電感Lc則實現(xiàn)上述能量差的傳遞。所述功率解耦電路可分為四個工作模式，工作模態(tài)1，即PHC充電模式；工作模態(tài)2，即PHC放電模式；工作模態(tài)3，即NHC充電模式；工作模態(tài)4，即NHC放電模式。工作模態(tài)1：在工作模態(tài)1，即PHC充電模式下，第二開關(guān)管T2至第六開關(guān)管T6開關(guān)全部斷開，電流可以通過第二二極管D2、第三二極管D3和第四二極管D4流通，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管T1開通時，第七開關(guān)管T7此時為斷開，電感Lc初始電流ip＝0，逆變器輸出側(cè)給電感iL充電，電感電流iL逐漸增大，電流方向為由上向下，電感存儲能量。調(diào)節(jié)第一開關(guān)管T1的驅(qū)動脈沖占空比大于1/2，可以實現(xiàn)升壓模式。然后第一開關(guān)管T1斷開，第七開關(guān)管T7開通，電感Lc續(xù)流給解耦電容Cc，解耦電容上電壓vc增大，電感電流iL逐漸降低直到iL＝0時，第七開關(guān)管T7關(guān)斷，電感Lc上存儲的能量全部轉(zhuǎn)移給電容Cc，實現(xiàn)解耦電路的PHC充電模式過程。工作模態(tài)2：在工作模態(tài)2，即PHC放電模式下，第五開關(guān)管T5和第六開關(guān)管T6斷開，第七開關(guān)管T7斷開，第一開關(guān)管T1斷開。第二開關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3同時開通，此時第四開關(guān)管T4斷開，電容Cc給電感Lc放電，控制第二開關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3的占空比大于1/2，等效于解耦電路工作在升壓模式，電容Cc的電壓vc逐漸減小，電感電流iL從0開始逐漸增大，電流方向為由下向上，電感從電容上獲取了一部分能量；然后第二開關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3同時斷開，第四開關(guān)管T4開通，電感Lc給逆變器輸出側(cè)放電，電感電流iL逐漸減小直到iL＝0時，第四開關(guān)管T4關(guān)斷，電感Lc上存儲的能量全部向逆變器輸出側(cè)轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)解耦電路的PHC放電模式過程。工作模態(tài)3：在工作模態(tài)3，即NHC充電模式下，第二開關(guān)管T2和第三開關(guān)管T3斷開，第五開關(guān)管T5和第六開關(guān)管T6斷開，第一開關(guān)管T1斷開。第四開關(guān)管T4開通，第七開關(guān)管T7斷開時，電感Lc初始電流ip＝0，逆變器輸出側(cè)給電感Lc充電，電感電流iL逐漸增大，電流方向為由下向上，電感存儲能量?？刂频谒拈_關(guān)管T4的占空比大于1/2，可以實現(xiàn)升壓模式。然后第四開關(guān)管T4斷開，第七開關(guān)管T7開通，電感Lc續(xù)流給解耦電容Cc，解耦電容上電壓vc增大，電感電流iL逐漸降低直到iL＝0時，第七開關(guān)管T7關(guān)斷，電感Lc上存儲的能量全部轉(zhuǎn)移給電容Cc，實現(xiàn)解耦電路的NHC充電模式過程。工作模態(tài)4：在工作模態(tài)4，即NHC放電模式下，第二開關(guān)管T2和第三開關(guān)管T3斷開，第四開關(guān)管T4斷開，第七開關(guān)管T7斷開。第五開關(guān)管T5和第六開關(guān)管T6同時開通，此時第一開關(guān)管T1斷開，電容Cc給電感Lc放電，控制第五開關(guān)管T5、第六開關(guān)管T6的占空比大于1/2，等效于解耦電路工作在降壓模式，電容Cc的電壓vc逐漸減小，電感電流iL從0開始逐漸增大，電流方向為由上向下，電感從電容上獲取了一部分能量；然后第五開關(guān)管T5、第六開關(guān)管T6同時斷開，第一開關(guān)管T1開通，電感Lc給逆變器輸出側(cè)放電，電感電流iL逐漸減小直到iL＝0時，第一開關(guān)管T1關(guān)斷，電感Lc上存儲的能量全部向逆變器輸出側(cè)轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)解耦電路的NHC放電模式過程。本實用新型的有益效果是，本實用新型功率解耦電路的輸入端是并聯(lián)在逆變器的輸出側(cè)的，逆變器輸出側(cè)的電壓幅值高且是正負周期變化，使得基于升降壓電路設(shè)計的解耦電路中的解耦電容能獲得較高的平均電壓和較大的電壓變化范圍，將極大地降低解耦電容的電容值，且解耦電容的極性是固定的，無須使用大電解電容就可以滿足逆變器并網(wǎng)要求，大大降低系統(tǒng)體積和成本，從而可以大幅度提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命。本實用新型功率解耦電路為二端口電路并聯(lián)于逆變器交流輸出側(cè)，與三端口類型的解耦電路相比，可以模塊化的形式投入光伏發(fā)電系統(tǒng)中，便于維護。附圖說明圖1為本實用新型交流側(cè)并聯(lián)耦合的功率解耦電路示意圖；圖2為PHC充電模式的等效電路和電流回路示意圖；圖3為PHC充電模式下的電感電流波形和電容電壓波形圖；圖4為PHC放電模式的等效電路和電流回路示意圖；圖5為PHC放電模式下的電感電流波形和電容電壓波形圖；圖6為NHC充電模式的等效電路和電流回路示意圖；圖7為NHC放電模式的等效電路和電流回路示意圖；圖8為PHC充電模式時電感Lc的充放電及電容Cc充電過程；圖9為PHC放電模式時電感Lc的充放電及電容Cc放電過程；圖10為NHC充電模式時電感Lc的充放電及電容Cc充電過程；圖11為NHC放電模式時電感Lc的充放電及電容Cc放電過程；圖12為電感Lc的電流及電容Cc的電壓；圖13為光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏輸出電流及逆變器并網(wǎng)電流、并網(wǎng)電壓波形。具體實施方式本實用新型具體實施方式如附圖所示。圖1為本實施例交流側(cè)并聯(lián)耦合的功率解耦電路示意圖。本實施例功率解耦電路包括：包括電感器、主開關(guān)器件、寄生二極管和解耦電容。電感器為Lc；主開關(guān)器件為七只開關(guān)管，即第一開關(guān)管T1、第二開關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3、第四開關(guān)管T4、第五開關(guān)管T5、第六開關(guān)管T6和第七開關(guān)管T7；寄生二極管為七只二極管，即第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D4、第五二極管D5、第六二極管D6和第七二極管D7；解耦電容器為Cc。由于生產(chǎn)工藝的影響，每只主開關(guān)器件均反并聯(lián)一個寄生二極管。具體連接方式是，二極管的正極連接開關(guān)管的發(fā)射極，二極管的負極連接開關(guān)管的集電極。第一開關(guān)管T1和第四開關(guān)管T4的發(fā)射極分別連接基于滯環(huán)控制的逆變器的輸出交流側(cè)兩端；第一開關(guān)管T1和第四開關(guān)管T4的集電極分別連接電感器Lc兩端；同時第一開關(guān)管T1的集電極與第二開關(guān)管T2的發(fā)射極和第五開關(guān)管T5的集電極相連；第四開關(guān)管T4的集電極與第六開關(guān)管T6的發(fā)射極和第三開關(guān)管T3的集電極相連；第二開關(guān)管T2和第六開關(guān)管T6的集電極與第七開關(guān)管T7的集電極相連；第七開關(guān)管T7的發(fā)射極連接解耦電容Cc的一端；第三開關(guān)管T3和第五開關(guān)管T5的發(fā)射極連接在一起，接到解耦電容Cc的另一端。其優(yōu)勢是可以實現(xiàn)功率的雙向流動，如圖1所示。圖中各開關(guān)管的寄生二極管可構(gòu)成能量流通的路徑，而無須額外增加二極管。電路中，電容Cc實現(xiàn)對光伏逆變器輸出功率與電網(wǎng)瞬時功率之差的功率解耦作用，而電感Lc則實現(xiàn)上述能量差的傳遞。圖2所示為本實施例功率解耦電路在工作模態(tài)1，即PHC充電模式的等效電路及電流流通路徑，圖中uout是滯環(huán)電流控制的逆變器輸出交流方波電壓值，iL是電感電流值，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管T1開關(guān)管導(dǎo)通時，導(dǎo)通時間定義為dtr，則該階段滿足公式當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管T1關(guān)斷時第七開關(guān)管T7導(dǎo)通，設(shè)第七開關(guān)管T7的導(dǎo)通時間為dtf，第七開關(guān)管T7導(dǎo)通時刻電容Cc電壓為uc1，第七開關(guān)管T7關(guān)斷時刻電容Cc電壓為uc2，之間的電壓差為duc，該階段電容上電流在PHC充電模式下，光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的多余的能量將存儲在解耦電路的電容中。圖3所示為PHC充電模式下的電感電流Lc和濾波電容電壓uC的變化曲線，其中t1-t2區(qū)間為工作模態(tài)1中第一開關(guān)管T1導(dǎo)通時，t2-t3區(qū)間為工作模態(tài)1中第一開關(guān)管T1關(guān)閉、第七開關(guān)管T7導(dǎo)通時，t3-t4為第七開關(guān)管T7關(guān)閉到下一次第一開關(guān)管T1導(dǎo)通的時間間隔。圖中所示在t1-t2區(qū)間，iL1從t1時的I0上升到t2時I1，為電感充電儲能階段，此時電感從逆變器輸出側(cè)獲取的能量為，同時有電感電流與其兩端電壓的關(guān)系其中，而電容電壓uC在理想情況下此階段維持恒定為u0。在t2-t3區(qū)間為電感放電，電容儲能階段，此時電容獲取的能量等于t1-t2區(qū)間內(nèi)電感存儲的能量，即，同時該階段電容上電流其中，說明了工作模態(tài)1下為電感充電儲能和電感能量向電容轉(zhuǎn)移的過程。圖4所示為本實施例的工作模態(tài)2，即PHC放電模式的放電回路及電流回路。在PHC放電模式下，光伏發(fā)電系統(tǒng)不足的能量將從解耦電路的電容中獲取。圖5所示為PHC充電模式下的電感電流iL和濾波電容電壓uc的變化曲線，其中t1-t2區(qū)間為工作模態(tài)2中第四開關(guān)管T4關(guān)斷后，第二開關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3導(dǎo)通之前，t2-t3區(qū)間為工作模態(tài)2中第四開關(guān)管T4關(guān)斷，第二開關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3導(dǎo)通時，t3-t4為第四開關(guān)管T4導(dǎo)通，第二開關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3關(guān)斷時，t4-t5為第四開關(guān)管T4關(guān)斷后下一次第二開關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3導(dǎo)通前。圖5中所示在t2-t3區(qū)間，iL1從t2時的I0反向增加到t3時I1，為解耦電容放電給電感階段，電容電壓uC從u0降低至u1，此時電感從解耦電容獲取能量，同時有解耦電容放電電流的關(guān)系在t3-t4區(qū)間為電感放電給逆變器輸出側(cè)階段，此時電感輸出給逆變器的能量等于t2-t3區(qū)間內(nèi)電感存儲的能量，同時該階段電感上電壓滿足關(guān)系其中，說明了工作模態(tài)2下為電容放電給電感和電感能量向逆變器輸出側(cè)轉(zhuǎn)移的過程。圖6所示為本實施例的工作模態(tài)3，即NHC充電模式的等效電路和電流回路。圖7所示為本實施例的工作模態(tài)4，即NHC充放電模式的等效電路和電流回路。在工作模態(tài)3和工作模態(tài)4時，逆變器輸出側(cè)處在電網(wǎng)電壓負半周期間，但電感電流和電容電壓的波形分析過程與工作模態(tài)1、2類似。圖8所示為本實施例在工作模態(tài)1時，逆變器輸出側(cè)處在電網(wǎng)電壓正半周，uout＝400V的條件下，電感Lc充電、放電過程的波形及電容Cc的充電儲能過程。圖8從上至下分別表示曲線1是解耦電路電感Lc電流(單位：A)，曲線2是電容Cc的電壓(單位：V)，曲線3是第一開關(guān)管T1的驅(qū)動信號，曲線4是第七開關(guān)管T7的驅(qū)動信號。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管T1閉合時，解耦電路的電感處于充電過程，同時以uout/L1的線性速率增加，此時電容電壓保持不變。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管T1斷開，第七開關(guān)管T7閉合時，解耦電路電感放電，同時電容Cc處在充電過程，此時電容電壓增加。圖9所示為本實施例在工作模態(tài)2時，逆變器輸出側(cè)處在電網(wǎng)電壓正半周，uout＝400V的條件下，電感Lc充電、放電過程的波形及電容Cc的放電過程。圖9從上至下分別表示曲線1是解耦電路電感Lc電流(單位：A)，曲線2是電容Cc的電壓(單位：V)，曲線3是第二開關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3的驅(qū)動信號，曲線4是第四開關(guān)T4管的驅(qū)動信號。當(dāng)?shù)诙_關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3閉合時，解耦電路的電容處于放電過程，電容電壓降低，此時電感電流反向增加。當(dāng)?shù)诙_關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3斷開，第四開關(guān)管T4閉合時，解耦電路電感放電，將能量釋放給逆變器輸出側(cè)，電感電流降低，此時電容電壓保持不變。圖10所示為本實施例在工作模態(tài)3時，在逆變器輸出側(cè)處在電網(wǎng)電壓負半周，uout＝400V的條件下，電感Lc充電、放電過程的波形及電容Cc的充電儲能過程。圖10從上至下分別表示曲線1是解耦電路電感Lc電流(單位：A)，曲線2是電容Cc的電壓(單位：V)，曲線3是第四開關(guān)管T4的驅(qū)動信號，曲線4是第七開關(guān)管T7的驅(qū)動信號。當(dāng)?shù)谒拈_關(guān)管T4閉合時，解耦電路的電感處于充電過程，電感電流反向增加，同時uout/L1的線性速率增加，此時電容電壓保持不變。當(dāng)?shù)谒拈_關(guān)管T4斷開,第七開關(guān)管T7閉合時，解耦電路電感放電，電感電流降低同時電容Cc處在充電過程，此時電容電壓增加。圖11所示出為本實施例在工作模態(tài)4時，在逆變器輸出側(cè)處在電網(wǎng)電壓負半周，uout＝400V的條件下，電感Lc充電、放電過程的波形及電容Cc的放電過程。圖11從上至下分別表示曲線1是解耦電路電感Lc電流(單位：A)，曲線2是電容Cc的電壓(單位：V)，曲線3是第五開關(guān)管T5、第六開關(guān)管T6的驅(qū)動信號，曲線4是第一開關(guān)管T1的驅(qū)動信號。當(dāng)?shù)谖彘_關(guān)管T5、第六開關(guān)管T6閉合時，解耦電路的電容處于放電過程，電容電壓降低，此時電感電流增加。當(dāng)?shù)谖彘_關(guān)管T5、第六開關(guān)管T6斷開，第一開關(guān)管T1閉合時，解耦電路電感放電，將能量釋放給逆變器輸出側(cè)，電感電流降低，此時電容電壓保持不變。圖12所示為本實施例在光伏系統(tǒng)光伏側(cè)輸出電壓為240V的條件下，電感Lc充電、放電過程的波形及電容Cc的充放電過程的波形。圖11從上至下分別表示曲線1是解耦電路電感Lc電流(單位：A)，曲線2是電容Cc的電壓(單位：V)。圖13所示為本實施例在光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏側(cè)輸出電壓為240V，，光伏發(fā)電系統(tǒng)負載為550W電阻性負載的條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏側(cè)輸出電流，逆變器輸出側(cè)的并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形。圖13從上至下分別表示曲線1是本實施例解耦電路工作時的光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏側(cè)輸出電流(單位：A)，曲線2是本實施例的功率解耦電路不工作時的光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏側(cè)輸出電流(單位：A)，曲線3是光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器輸出側(cè)的并網(wǎng)電流(單位：A)，曲線4是光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器輸出側(cè)的并網(wǎng)電壓(單位：V)。通過對比曲線1和曲線2可知，本實施例的功率解耦電路工作時，光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏側(cè)輸出電流保持在2.8A上下窄幅波動，而本實施例的功率解耦電路不工作時，光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏側(cè)輸出電流在0-10A之間大幅波動，這樣的大幅波動將嚴(yán)重影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。為了驗證本實施例的功率解耦電路的數(shù)學(xué)模型及分析的正確性，利用專業(yè)仿真軟件MatlabR2014a進行仿真，控制策略采用基于脈沖能量控制(PEM)的PWM技術(shù)，仿真參數(shù)如下表所示，仿真結(jié)果見圖8至圖13。表仿真參數(shù)參數(shù)大小電網(wǎng)電壓峰值，ugrid.pk(V)311逆變器輸出電壓，uout(V)400電容，Cc(μF)20電感，Lc(μH)200仿真結(jié)果表明，應(yīng)用本實施例的功率解耦電路的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其系統(tǒng)總的電容量將大大減小，可實現(xiàn)無電解電容的微逆變技術(shù)，則說明了該功率解耦電路的可行性。當(dāng)前第1頁1 2 3