具有级联的H桥转换器的光伏DC/AC逆变器

摘要

本发明涉及一种DC-AC逆变器（200），该DC-AC逆变器包括多个H桥转换器（101、102……），每个H桥转换器被设置成与各个光伏元件（108、109……）集成并且从光伏元件向H桥转换器提供DC电压，该H桥转换器还被级联以产生多电平电压输出（Vout）。该DC-AC逆变器还包括：开关控制电路，该开关控制电路连接到所述多个H桥转换器的每一个，以控制其切换以产生多电平电压输出；以及中央调节单元，该中央调节单元连接到级联的H桥转换器，以调节该多电平电压输出，使得从该DC-AC逆变器输出AC电网电压。

说明书

技术领域

本发明涉及DC-AC逆变器和光伏系统。

背景技术

在相关技术中，已经使用多个不同的DC-AC逆变器类型来将诸如太阳能电池板这样的光伏（PV）元件连接到已有电网。用于将太阳能电池板产生的DC电压转换成AC电压的相关技术转换器类型的示例是诸如串式转换器、电源优化器和微转换器。转换器的各个类型都与特定的优点和缺点关联。例如，串式转换器具有高转换效率，但是当涉及部分遮荫捕光时转换效率差；而功率优化器在部分遮荫处捕光表现良好，但是比串式转换器的转换效率低并且更昂贵。最后，微转换器通常表现良好并且有多种用途，但是比串式转换器和功率优化器都更加昂贵。

在太阳能电池板应用中已经证明有用的进一步的DC-AC逆变器是级联全桥转换器，也被称为级联的H桥转换器或链式链接转换器。级联的H桥转换器由级联连接（即，串联）的多个全桥转换器组成。用DC电压V_DC馈电的转换器能够产生由+V_DC、0和-V_DC组成的3电平输出。相加每个转换器的输出以形成多电平波形。N个级联的H桥转换器能够产生具有2N+1个电压电平的电压波形，利用该电压波形可以获得正弦波的良好逼近。在这样的具体拓扑中，转换器的DC电源被彼此隔离。

“11-level Cascaded H-bridge Grid-tied Inverter Interface with Solar Panels”（Filho等，Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC)，2010，第25次年度IEEE，发表日期2010年2月21-25日）公开了连接到太阳能电池板的级联的H桥转换器的使用。该公开的系统的问题在于当从各个太阳能电池板向对应的H桥转换器传输太阳能时发生的功率损耗。

发明内容

本发明的目的是解决或者至少缓解相关技术中的这些问题。

在本发明的一个方面利用DC-AC逆变器实现该目的，该DC-AC逆变器包括多个H桥转换器，每个所述H桥转换器被设置成与各个光伏元件集成并且从所述光伏元件向所述H桥转换器提供DC电压，所述H桥转换器还被级联以产生多电平电压输出。该DC-AC逆变器还包括：开关控制电路，所述开关控制电路连接到所述多个H桥转换器的每一个以控制其切换，以产生所述多电平电压输出；中央调节单元，所述中央调节单元连接到级联的H桥转换器，以调节所述多电平电压输出使得从所述DC-AC逆变器输出AC电网电压。

在本发明的第二方面利用光伏系统实现该目的，所述光伏系统包括：多个光伏元件和DC-AC逆变器。所述DC-AC逆变器包括多个H桥转换器，各个所述H桥转换器被设置成与所述多个光伏元件中的相应一个光伏元件集成并且从所述相应光伏元件向所述H桥转换器提供DC电压，所述H桥转换器还被级联以产生多电平电压输出。所述DC-AC逆变器还包括：开关控制电路，所述开关控制电路连接到所述多个H桥转换器的每一个以控制其切换为了产生所述多电平电压输出；中央调节单元，所述中央调节单元连接到级联的H桥转换器，以调节所述多电平电压输出使得从所述DC-AC逆变器输出AC电网电压。

通过将H桥逆变器与光伏元件集成，实现了关于制造和安装的许多优点。进一步地，消除了在诸如太阳能电池板这样的PV元件和其H桥转换器之间的DC布线。由于在PV元件和H桥转换器之间没有发送功率损耗，因此与消除DC布线相关的主要优点是效率增加。第二个主要优点是成本方面；DC线缆布线和连接器（尤其是DC额定电缆和连接器）昂贵，而与PV元件集成的DC-AC逆变器将会导致整体成本的大幅下降。第三个优点是安全方面，由于DC-AC逆变器与PV元件集成，因此不再通过冗长的DC电缆连接，显著减小针对诸如维修人员或消防人员的触电或其它电气事故的风险。进一步地，在相关技术中已经设置在各个H桥转换器的功能能够在中央调节单元中实现，例如，各种控制功能和电网兼容性电路。此外，本发明允许对单独的PV面板进行监控。监控每个板的能量生产将例如给操作者提供关于板清洁和维护的要求的早期指示，得到更好的利用率。通常，中央调节单元包括用于吸收在DC-AC逆变器和电网之间的不可避免的电压失配的电感器。

之前提到的诸如串式转换器的转换器类型、功率优化器和微转换器通常具有95%至98%的效率，而采用级联的H桥转换器的本发明具有大于99%的效率。有利地，由于极低的功率耗散，因此能够避免昂贵的吸热设备。

在本发明的实施方式中，每个H桥转换器经由包括通信通道和电力传输路径在内的双芯线缆连接到所述中央调节单元，其中经由所述通信通道从所述中央单元传输控制信号并且经由所述电力传输路径将所述级联的H桥转换器的所述多电平电压输出传输到所述中央单元，所述中央调节单元被设置成适应多电平电压输出使得从DC-AC逆变器输出AC电网电压。

在本发明的另选实施方式中，每个H桥转换器和中央调节单元经由其而连接的通信通道是无线的。

在本发明的进一步实施方式中，H桥转换器的每一个还包括开关，该开关设置在所述H桥转换器的输入端处并且能够被选择性操作以将所述H桥转换器与所述光伏元件连接和断开。

在级联的H桥逆变器中，各个H桥的输出之和必须大于最终产生的电网AC电压的所要求的大小。在与PV面板一起使用的级联的H桥转换器的情况下，由面板产生的整个DC电压必须大大高于所要求的AC电压大小，以照顾被遮荫的面板和有故障的面板，从而降低效率。此外，在很多被遮荫的面板和有故障的面板的情况下，由这个偏大地定规格的DC电压容量提供的冗余可能仍是不充足的。该遮荫通常是有诸如树、建筑物或烟囱这样的物体引起的，并且是对于在居民区中的PV面板安装来说是尤其常见的。应当注意，级联的H桥转换器的输出电压是由级联链中的单个H桥的各个输出电压电平决定的。结果，如果一个PV面板被遮荫使得其相应的集成的DC-AC逆变器仅产生小的电压，或在最差的情况下为零的电压，整个级联的H桥的输出电压将受到影响，因为遮荫的PV面板对DC-AC逆变器输出电压仅做出小的贡献（如果有的话），这是非常不受欢迎的并且最终会导致不能够提供充足的AC电网电压的情形。

在这个具体的实施方式中，即使PV面板断开，H桥中的电容性存储器（即电容器）可以积极于产生所要求的输出电压。这有利地在很小地增加成本的情况下增加了PV电厂的冗余和容错能力；对于每个H桥仅需要进一步的开关（例如，MOSFET）。在遮荫的情况下，必须从剩余的起作用的面板和H桥向断开的H桥的电容性存储器传输电力，使得利用多个级联的H桥达到所要求的电压水平。

在进一步的实施方式中，每个H桥设置有用于控制H桥切换的单个的微控制器。进一步地，多个H桥转换器的每一个和相应的单个的微控制器安装在印刷电路板（PCB）上，该印刷电路板设置成与对应的光伏元件集成，并且中央调节单元被距印刷电路板远离地设置。在以下印刷电路板被称作子模块。这会大大促进PV面板与DC-AC逆变器的集成；微控制器向各个子模块加入了大量的智能。

各个子模块通常由上面安装有4个MOSFET（在使用断开开关的情况下是5个）、一个或更多个电容器、以及微控制器的PCB组成。可选地，可以在PCB上实现通信电路。由于低的功率耗散，子模块可以被安装在密封的、耐风雨的塑料注塑壳体中。

在本发明的在一个实施方式中，各个印刷电路板（即，各个子模块）被设置在相应的光伏元件的连接盒中。通过将子模块集成到PV面板的连接盒中，能够避免在采用非集成DC-AC逆变器的PV装置中出现的DC布线。由于电缆和连接器昂贵并且受特定的安装和安全规则制约，例如安装DC额定断路器以在发生火灾等情况下隔离各个PV面板，因此省略DC电缆布线和连接器是很有益的。此外，通过将子模块集成到PV面板连接盒中，能够在不增加额外成本的情况下实现安全断开功能。利用子模块能够单独地感测到线缆布线故障并且能够将板电压与线缆立即断开。这使得该装置比利用非集成的DC-AC逆变器的PV装置极大地更加安全。此外，能够容易地、直接地测量各个PV面板的很多特征，例如总体的面板性能、能源采集参数、面板温度等。此外，连接盒中的子模块的集成降低整个制造和安装成本。

在本发明的进一步的具体实施方式中，提供了模块级别的最大功率点跟踪（MPPT）。PV面板的电流-电压特性是非线性的。沿着该曲线，能够针对某个电流级别和某个电压级别找到PV面板的最大输出功率。因此，当H桥电容器上的电压位于某个级别时，该板能够提供最大的输出功率。来自PV面板的电流将会连续地对该电容器进行充电，并且，依赖于H桥的开关元件的状态，流过H桥输出端子的电流能够对该电容器充电或放电。当利用H桥插入正电压时，流过H桥输出端子的正电流将会对该电容器充电，负电流将会对该电容放电。当插入负电流时情况正好相反。通过来选择以怎样的间隔与电网AC电流同步地将非零电压插入到级联中（例如利用正弦脉冲宽度调制），可以将电容器电压从输出功率的角度来看控制到最佳。

当研究了权利要求和随后的说明书时，本发明的特征和优点将会变得明显。本领域技术人员了解能够组合本发明的不同特征以产生除了以下说明书中描述的具体实施方式以外的具体实施方式。在整个说明书中，可替换的使用PV元件、PV面板和太阳能电池板来指示相同类型的光伏元件。

附图说明

现在将通过实例的方式参考附图描述本发明，其中：

图1示出根据本发明实施方式中使用的DC-AC逆变器，

图2示出根据本发明实施方式的DC-AC逆变器；

图3示出根据本发明另一实施方式的DC-AC逆变器；

图4示出本发明的另一实施方式；以及

图5示出根据本发明另一方面的完整的光伏系统。

具体实施方式

以下将参照示出本发明某些实施方式的附图更充分地描述本发明。但是，本发明可以以很多不同的形式实现并且不应当解释为局限于在此提出的具体实施方式；更确切地说，这些具体实施方式通过示例的方式提供使得本发明是全面的和完整的，并且充分表达本发明的保护范围。

图1示出将会在本发明实施方式中使用的H桥转换器。典型地，H桥转换器10的开关元件以四个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS-FET）Q1、Q2、Q3和Q4的形式来实现，但是能够使用任何其它适合的开关元件。级联的H桥转换器由级联连接的多个转换器10组成，每个转换器10都具有单独的DC连接电容器C。用DC电压V_DC馈电的转换器能够产生由+V_DC、0和-V_DC组成的3电平输出。在本发明中，由PV面板提供DC电压。相加每个转换器的输出使得形成多电平输出V_OUT。由N个级联的H桥转换器组成的电路能够产生具有2N+1个电压电平的电压波形。该具体拓补具有用来产生多电平电压输出的四种不同的状态：

Q1Q2Q3Q4V_OUT关开开关+V_DC开关关开-V_DC开开关关0关关开开0

通过向相应的MOSFET的栅极施加控制电压来控制MOSFET。在本发明实施方式中，向相应的栅极施加控制电压的开关控制电路以微控制器实现。该微控制器与H桥转换器一起被安装在印刷电路板上并被集成在各个PV面板的接线盒中。

图2示出根据本发明实施方式的DC-AC逆变器。该DC-AC逆变器100包括多个H桥转换器101、102、103、104，每个H桥转换器被设置成与相应的光伏元件集成并且从光伏元件向每个H桥转换器提供DC电压V_DC1、V_DC2、V_DC3、V_DC4，H桥转换器进一步被级联以产生多电平电压输出V_OUT。要级联的H桥转换器的数量依赖于要使用的PV元件的数量。作为示例，4级H桥转换器能够产生9电平电压输出。进一步地，DC-AC逆变器包括开关控制电路（图2中未示出），该开关控制电路连接到多个H桥转换器中的每一个，以控制其切换以产生多电平电压输出。进一步地，DC-AC逆变器包括连接到级联的H桥转换器的中央调节单元105，该中央调节器单元105用来调节该多电平电压输出，使得从该DC-AC逆变器输出AC电网电压V_AC。在其最简单的形式中，利用吸收在DC-AC逆变器和电网之间的不可避免的电压失配的电感器L1来实现中央调节单元。通常距PV面板远程地设置中央调节单元，例如设置在中央监控台处。

图3示出根据本发明另一实施方式的DC-AC逆变器。除了图2中所示的实施方式，在各个H桥转换器101、102、103、104的输入端处设置有开关S1、S2、S3、S4。可以选择性地操作该开关以将H桥转换器连接到PV面板或者将H桥转换器与PV板断开。通常利用与H桥转换器一起安装在印刷电路板上的微控制器来操作该开关，并且该微控制器也控制MOSFET的切换。进一步地，开关S1、S2、S3、S4可以MOSFET或其它适合的开关装置的形式实现。即使与PV面板断开，即向断开的H桥的输入的电压是0，各个H桥101、102、103、104的电容器C1、C2、C3、C4也能够积极于生成所要求的输出电压。如前面所讨论的，可能产生断开被遮荫的PV面板的需求，在该情况下，必须从剩余的运行中的面板和H桥向断开的H桥的电容器传输电力，使得利用多个级联的H桥达到所要求的电压电平V_OUT（和随后的V_AC）。例如，假设开关S2打开并且H桥102因此与其PV面板断开，那么仍然能够经由对H桥101、103、104的级联连接从其它PV面板向H桥102提供充足的电力。

参照图4，在本发明的另一实施方式中，包括MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4和电容器C1在内的各个H桥101与开关S1和对MOSFET和开关S1进行操作的微控制器107一起安装在PCB106上。印刷电路板与其相应的面板集成使得能够省略DC布线和线缆。在一个实施方式中，PCB集成在PV面板的连接盒中。为了创建本发明级联的H桥转换器，将承载H桥的多个PCB级联连接。

图5示出本发明进一步的方面，其中提供了完整的光伏系统。光伏系统200包括：多个PV面板108、109、110、111。相应的H桥转换器101、102、103、104与每个PV面板集成，优选地集成在各个板的连接盒中。从PV面板向每个H桥转换器提供DC电压V_DC1、V_DC2、V_DC3、V_DC4。H桥转换器被进一步级联以产生多电平电压输出V_OUT。进一步地，为了产生该多电平电压输出，DC-AC逆变器包括开关控制电路（以如之前描述以微控制器的形式实现）来控制其切换。进一步地，PV系统200包括连接到级联的H桥转换器的中央调节单元105，以调节该多电平电压输出使得从该系统中输出AC电网电压V_AC，。在其最简单的形式中，利用吸收在该系统和电网之间的不可避免的电压失配的电感器L1来实现中央调节单元。通常距PV面板远程地设置中央调节单元，例如设置在中央监控台处。在遮荫的情况下，为了将H桥与其PV面板断开，该PV系统可以包括以上讨论的开关。

应当注意的是，如以上在本发明的具体实施方式中已经讨论的中央调节单元105可以包括比电感器更多的智能。例如，中央单元可包括用于经由有线通信通道或无线通信通道与各个PCB通信的微控制器。中央调节单元进一步地或另选地包括一个或多个接地故障断路器和诸如防孤岛电路这样的其它安全组件。此外，中央调节单元可包括用于执行系统诊断的电流和电压测量电路。