太阳能光伏三相微逆变器以及太阳能光伏发电系统

摘要

本发明提供一种太阳能光伏三相微逆变器，包括：直流端子，与三个直流光伏组件相连接，用于接收直流光伏组件产生的直流电；三个单相逆变电路，其直流输入端分别通过直流端子与三个直流光伏组件相连接，用于分别将直流光伏组件产生的直流电转换为交流电；交流端子，分别与三个单相逆变电路的交流输出端和三相交流电网相连接，用于将三个单相逆变电路产生的交流电并网输出；其中，每个单相逆变电路的直流输入端彼此并联，并且其交流输出端通过交流端子分别与三相交流电网三相中的一相以及零线相连接。相应地，本发明还提供一种太阳能光伏发电系统。本发明将三个单相逆变电路的直流侧并联在一起，能够简单地消除三相微逆变器直流侧输入端的纹波功率。

说明书

技术领域

本发明涉及电源变换器消除纹波功率的技术领域，具体来说，本发明涉及一种太阳能光伏三相微逆变器以及一种太阳能光伏发电系统。

背景技术

很多可再生能源产生直流电，例如太阳能光伏和化学电池。直流电通过逆变器转换为固定频率的正弦交流电，传输给电网或者离网使用。

太阳能光伏发电系统的逆变器最近趋向于采用分布式的微型逆变器(微逆变器)。微型逆变器对每个直流光伏组件提供最大功率点控制，从而使每个直流光伏组件产生最大的能量，提高整个太阳能光伏发电系统的性能。另外，微型逆变器还能产生交流低压输出，而不是中心式逆变器系统的高直流电压输出，提高了系统的安全性和工作效率。

图2为现有技术中的一个单相逆变器的结构示意图。如图所示，该单相逆变器200可以包括直流-直流转换电路201和直流-交流转换电路202。其直流输入端设置有存储电容203，用以减小纹波电压。

图3为现有技术中的一个反激全桥拓扑的单相逆变器的电路结构示意图。如图所示，该单相逆变器300可以包括直流-直流转换电路401和直流-交流转换电路302。其中，直流-直流转换电路301用于进行MPPT(最大功率点跟踪)控制和正弦波产生，输出半正弦波。该直流-直流转换电路301可以包括存储电容303，电流检测元件304，电压检测元件305和反激电路306。反激电路306又可以包括变压器T，开关管Q和二极管D。变压器T的主边线圈与开关管Q串联，副边线圈与二极管D串联到输出。这里以单路反激为例，两路或多路地交错反激也可以使用。而直流-交流转换电路302为工作在工频的H全桥，用于将半周期正弦波反相，形成完整的正弦波，其可以采用低频低功耗元件，例如晶闸管等。

单相逆变器的一个基本特性是：电源和负载间的能量传输包括平均能量和双倍频率的纹波。逆变器希望从直流电源获取没有纹波的直流电，然后将平均能量和纹波能量传给输出负载，这样就要求逆变器里有能量存储单元来处理纹波能量。图1为现有技术中的一个单相逆变器的直流端纹波功率的波形示意图。如图所示，逆变器产生和交流电网能量同相的输出功率，所以输出能量在零和峰值输出功率之间震荡。在逆变器的输出功率为零时，光伏组件的电流不流过逆变器，所以给存储电容充电；在逆变器的输出功率为峰值时，存储电容放电补充光伏组件的功率，使峰值达到平均值的两倍。所以，存储电容的充放电形成了光伏组件提供的直流电之上附加的交流成分，叫做纹波功率。

为管理双倍频率的纹波功率，能量需要被在两倍的频率存储和释放。为避免能量交换造成大的电压纹波，需要使用大的电容。通常逆变器采用在直流主线的大容量电解电容作为被动滤波器，但电解电容有多种失效模式，特别是纹波电流造成电容内部自热，减少寿命。主动滤波电路被广泛研究来替代被动方法，通过分开的能量变换电路来提供另一个纹波，该纹波抵消掉双频率纹波功率，但该方法需要复杂的电路和控制方法。

所以，需要能简单地消除光伏并网逆变器中直流侧纹波功率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能光伏三相微逆变器以及一种太阳能光伏发电系统，能够简单地消除三相微逆变器直流侧输入端的纹波功率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种太阳能光伏三相微逆变器，包括：

直流端子，与三个直流光伏组件相连接，用于接收所述直流光伏组件产生的直流电；

三个单相逆变电路，其直流输入端分别通过所述直流端子与所述三个直流光伏组件相连接，用于分别将所述直流光伏组件产生的直流电转换为交流电；

交流端子，分别与所述三个单相逆变电路的交流输出端和三相交流电网相连接，用于将所述三个单相逆变电路产生的交流电并网输出；

其中，每个单相逆变电路的直流输入端彼此并联，并且其交流输出端通过所述交流端子分别与所述三相交流电网三相中的一相以及零线相连接。

可选地，所述三相微逆变器还包括：

电流检测元件，与所述三个直流光伏组件相串联，用于测量所述直流光伏组件提供的输入电流；

电压检测元件，跨接于所述三个单相逆变电路中任一个的直流输入端与接地端之间，用于测量所述直流光伏组件的输入电压。

可选地，所述三个直流光伏组件之间彼此互相独立。

可选地，所述三个直流光伏组件先彼此互相串联，然后与所述直流端子相连接。

可选地，所述单相逆变电路包括：

直流-直流转换电路，与所述直流端子相连接，用于进行最大功率点跟踪控制；

直流-交流转换电路，分别与所述直流-直流转换电路和交流端子相连接，用于进行正弦波的产生和并网。

可选地，所述单相逆变电路还包括：直流检测电路、交流检测电路、控制电路、通信电路、电源电路和并网电路。

可选地，所述三个单相逆变电路共用一套交流检测电路、控制电路、通信电路和电源电路。

本发明还提供一种太阳能光伏三相微逆变器，包括：

直流端子，与三个直流光伏组件相连接，用于接收所述直流光伏组件产生的直流电；

三个单相逆变电路，其直流输入端分别通过所述直流端子与所述三个直流光伏组件相连接，用于分别将所述直流光伏组件产生的直流电转换为交流电；

交流端子，分别与所述三个单相逆变电路的交流输出端和三相交流电网相连接，用于将所述三个单相逆变电路产生的交流电并网输出；

其中，每个单相逆变电路包括直流-直流转换电路，用于进行最大功率点跟踪控制，所述直流-直流转换电路的输出端彼此并联，所述三个单相逆变电路的交流输出端通过所述交流端子分别与所述三相交流电网三相中的一相以及零线相连接。

可选地，所述每个单相逆变电路还包括直流-交流转换电路，分别与所述直流-直流转换电路和交流端子相连接，用于进行正弦波的产生和并网。

可选地，所述三相微逆变器还包括：

电流检测元件，分别与所述三个直流光伏组件相串联，用于测量所述直流光伏组件提供的输入电流；

电压检测元件，分别跨接于所述三个单相逆变电路的直流输入端与接地端之间，用于测量所述直流光伏组件的输入电压。

可选地，所述三个直流光伏组件之间彼此互相独立。

可选地，所述单相逆变电路还包括：直流检测电路、交流检测电路、控制电路、通信电路、电源电路和并网电路。

可选地，所述三个单相逆变电路共用一套交流检测电路、控制电路、通信电路和电源电路。

相应地，本发明提供一种太阳能光伏发电系统，包括多个太阳能光伏三相微逆变器，所述多个三相微逆变器的交流端子分别与三相交流电网中的各相和零线相连接，其中，每个三相微逆变器包括：

直流端子，与三个直流光伏组件相连接，用于接收所述直流光伏组件产生的直流电；

三个单相逆变电路，其直流输入端分别通过所述直流端子与所述三个直流光伏组件相连接，用于分别将所述直流光伏组件产生的直流电转换为交流电；

交流端子，分别与所述三个单相逆变电路的交流输出端和三相交流电网相连接，用于将所述三个单相逆变电路产生的交流电并网输出；

其中，每个单相逆变电路的直流输入端彼此并联，并且其交流输出端通过所述交流端子分别与所述三相交流电网三相中的一相以及零线相连接。

可选地，所述多个三相微逆变器的交流端子先彼此相连接，形成三相微逆变器串，再与所述三相交流电网相连接。

可选地，所述多个三相微逆变器之间彼此独立，其各自的交流端子分别与所述三相交流电网中的各相和零线相连接。

可选地，所述三相微逆变器还包括：

电流检测元件，与所述三个直流光伏组件相串联，用于测量所述直流光伏组件提供的输入电流；

电压检测元件，跨接于所述三个单相逆变电路中任一个的直流输入端与接地端之间，用于测量所述直流光伏组件的输入电压。

可选地，所述三个直流光伏组件之间彼此互相独立。

可选地，所述三个直流光伏组件先彼此互相串联，然后与所述直流端子相连接。

可选地，所述单相逆变电路包括：

直流-直流转换电路，与所述直流端子相连接，用于进行最大功率点跟踪控制；

直流-交流转换电路，分别与所述直流-直流转换电路和交流端子相连接，用于进行正弦波的产生和并网。

可选地，所述单相逆变电路还包括：直流检测电路、交流检测电路、控制电路、通信电路、电源电路和并网电路。

可选地，所述三个单相逆变电路共用一套交流检测电路、控制电路、通信电路和电源电路。

本发明还提供一种太阳能光伏发电系统，包括多个太阳能光伏三相微逆变器，所述多个三相微逆变器的交流端子分别与三相交流电网中的各相和零线相连接，其中，每个三相微逆变器包括：

直流端子，与三个直流光伏组件相连接，用于接收所述直流光伏组件产生的直流电；

三个单相逆变电路，其直流输入端分别通过所述直流端子与所述三个直流光伏组件相连接，用于分别将所述直流光伏组件产生的直流电转换为交流电；

交流端子，分别与所述三个单相逆变电路的交流输出端和三相交流电网相连接，用于将所述三个单相逆变电路产生的交流电并网输出；

其中，每个单相逆变电路包括直流-直流转换电路，用于进行最大功率点跟踪控制，所述直流-直流转换电路的输出端彼此并联，所述三个单相逆变电路的交流输出端通过所述交流端子分别与所述三相交流电网三相中的一相以及零线相连接。

可选地，所述每个单相逆变电路还包括直流-交流转换电路，分别与所述直流-直流转换电路和交流端子相连接，用于进行正弦波的产生和并网。

可选地，所述多个三相微逆变器的交流端子先彼此相连接，形成三相微逆变器串，再与所述三相交流电网相连接。

可选地，所述多个三相微逆变器之间彼此独立，其各自的交流端子分别与所述三相交流电网中的各相和零线相连接。

可选地，所述三相微逆变器还包括：

电流检测元件，分别与所述三个直流光伏组件相串联，用于测量所述直流光伏组件提供的输入电流；

电压检测元件，分别跨接于所述三个单相逆变电路的直流输入端与接地端之间，用于测量所述直流光伏组件的输入电压。

可选地，所述三个直流光伏组件之间彼此互相独立。

可选地，所述单相逆变电路还包括：直流检测电路、交流检测电路、控制电路、通信电路、电源电路和并网电路。

可选地，所述三个单相逆变电路共用一套交流检测电路、控制电路、通信电路和电源电路。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明将三个单相逆变电路的直流侧并联在一起，交流端子连接三相交流电缆后并入三相交流电网。由于三相交流电的各相为相差120°的正弦波，它们在各个单相逆变电路的直流输入端的纹波功率也是相差120°。于是，三个纹波功率相加后为零，即三个单相逆变电路的直流输入端的纹波功率为零。这样，单相逆变电路直流侧的存储能量的存储电容就可以被消除。在原理上相当于当相L1给存储电容充电时，相L2和L3给存储电容放电，所以本发明的三相微逆变器能够简单地消除了直流侧输入端的纹波功率。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为现有技术中的一个单相逆变器的直流端纹波功率的波形示意图；

图2为现有技术中的一个单相逆变器的结构示意图；

图3为现有技术中的一个反激全桥拓扑的单相逆变器的电路结构示意图；

图4为本发明一个实施例的无存储电容的太阳能光伏三相微逆变器的结构示意图；

图5为本发明一个实施例的无存储电容的太阳能光伏三相微逆变器的三个单相逆变电路的直流输入端的纹波功率及其总和的曲线示意图；

图6为本发明一个实施例的无存储电容的太阳能光伏三相微逆变器的电路示意图；

图7为本发明另一个实施例的无存储电容的太阳能光伏三相微逆变器的结构示意图；

图8为本发明一个实施例的太阳能光伏三相微逆变器与三相交流电网相连接的结构示意图；

图9为本发明一个实施例的太阳能光伏三相微逆变器的一个单相逆变电路的具体结构示意图；

图10为本发明另一个实施例的太阳能光伏三相微逆变器的三个单相逆变电路共用一些电路的示意图；

图11为本发明另一个实施例的无存储电容的太阳能光伏三相微逆变器的结构示意图；

图12为本发明一个实施例的包括多个上述三项微逆变器的太阳能光伏发电系统的结构示意图；

图13为本发明另一个实施例的包括多个上述三项微逆变器的太阳能光伏发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图4为本发明一个实施例的无存储电容的太阳能光伏三相微逆变器的结构示意图。如图所示，该太阳能光伏三相微逆变器400可以包括：

直流端子401，与三个直流光伏组件DC1、DC2、DC3相连接，用于接收直流光伏组件DC1、DC2、DC3产生的直流电；

三个单相逆变电路402，例如三个单相反激逆变电路，其直流输入端分别通过直流端子401与三个直流光伏组件DC 1、DC2、DC3相连接，用于分别将直流光伏组件DC1、DC2、DC3产生的直流电转换为交流电；

交流端子403，分别与三个单相逆变电路402的交流输出端和三相交流电网405相连接，用于将三个单相逆变电路402产生的交流电并网输出；

其中，每个单相逆变电路402的直流输入端彼此并联，并且其交流输出端通过交流端子403分别与三相交流电网402三相中的一相L1、L2或L3以及零线N相连接。由于三相的总功率为常数，在直流输入端产生的纹波功率为零，所以存储电容被消除了。

图5为本发明一个实施例的无存储电容的太阳能光伏三相微逆变器的三个单相逆变电路的直流输入端的纹波功率及其总和的曲线示意图。详细来说，三相L1、L2和L3的纹波功率p_r(L1)、p_r(L2)、p_r(L3)的计算公式为：

p_r(L1)＝p_ocos(2ωt)

$>p_r\left(L2\right)=p_o\cos 2(\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})=p_o\cos (2\mathrm{\omega t}-\frac{4\pi }{3})$>

$>p_r\left(L3\right)=p_o\cos 2(\mathrm{\omega t}-\frac{4\pi }{3})=p_o\cos (2\mathrm{\omega t}-\frac{8\pi }{3})=p_o\cos (2\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})$>

那么，三相L1、L2和L3的纹波功率总和p_r(total)可以得到：

$>p_r\left(\mathrm{Total}\right)=p_r\left(L1\right)+p_r\left(L2\right)+p_r\left(L3\right)=p_o\cos \left(2\mathrm{\omega t}\right)+p_o\cos (2\mathrm{\omega t}-\frac{4\pi }{3})+p_o\cos (2\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})=0$>

所以，当三相微逆变器400的三路直流输入被并联连接时，总的纹波功率p_r(total)为零。

继续如图4所示，在本实施例中，该三相微逆变器400可以还包括：

电流检测元件I1、I2和I3，分别与三个直流光伏组件DC1、DC2、DC3相串联，用于分别测量直流光伏组件DC1、DC2、DC3提供的输入电流；

电压检测元件V，跨接于三个单相逆变电路402中任一个的直流输入端与接地端之间，用于测量直流光伏组件DC1、DC2、DC3的输入电压。

图6为本发明一个实施例的无存储电容的太阳能光伏三相微逆变器的电路示意图。如图所示，每个直流光伏组件DC1、DC2、DC3提供的输入电流被电流检测元件I1、I2和I3检测；三路的电压相同，被电压检测元件V统一检测，每个直流光伏组件DC1、DC2、DC3的输出功率由电流乘以电压获得，用于每个组件的性能和故障监测。

在本实施例中，三个直流光伏组件DC1、DC2、DC3之间可以彼此互相独立，各自与三相微逆变器400的直流端子401相连接。

而图7为本发明另一个实施例的无存储电容的太阳能光伏三相微逆变器的结构示意图。如图所示，在该太阳能光伏三相微逆变器700中，三个直流光伏组件DC1、DC2、DC3可以先彼此互相串联，然后一起与三相微逆变器400的直流端子401相连接。该直流端子401与三个的单相逆变电路402的直流输入端相连接。三个直流光伏组件DC1、DC2、DC3组成的组件串提供的输入电流被电流检测元件I检测；组件串的总电压被电压检测元件V检测，组件串的输出功率由电流乘以电压获得，用于组件串的性能和故障监测。

图8为本发明一个实施例的太阳能光伏三相微逆变器与三相交流电网相连接的结构示意图。如图所示，三个单相逆变电路402产生与三相交流电网405电压相位匹配的交流电。

回到图4和图7，在本发明中，单相逆变电路402可以包括：

直流-直流转换电路4021，与直流端子401相连接，用于进行最大功率点跟踪控制；

直流-交流转换电路4022，分别与直流-直流转换电路4021和交流端子403相连接，用于进行正弦波的产生和并网。

另外，单相逆变电路402可以还包括其他电路。图9为本发明一个实施例的太阳能光伏三相微逆变器的一个单相逆变电路的具体结构示意图。如图所示，该单相逆变电路402可以还包括：直流检测电路4023、交流检测电路4024、控制电路4025、通信电路4026、电源电路4024和并网电路4028。

当然，在本发明中，单相逆变电路402还可以包括其他必要的、被本领域技术人员所公知的组成部分，而并不限于采用上述的电路结构。

图10为本发明另一个实施例的太阳能光伏三相微逆变器的三个单相逆变电路共用一些电路的示意图。如图所示，在该三相微逆变器1000中，三个单相逆变电路402可以共用一套交流检测电路4024、控制电路4025、通信电路4026和电源电路4027。如此一个三相微逆变器1000可以节省两套共用电路，既降低了生产成本又提高了三相微逆变器1000的可靠性。

图11为本发明另一个实施例的无存储电容的太阳能光伏三相微逆变器的结构示意图。如图所示，该太阳能光伏三相微逆变器1100可以包括：

直流端子401，与三个直流光伏组件DC1、DC2、DC3相连接，用于接收直流光伏组件DC1、DC2、DC3产生的直流电；

三个单相逆变电路402，例如三个单相反激逆变电路，其直流输入端分别通过直流端子401与三个直流光伏组件DC1、DC2、DC3相连接，用于分别将直流光伏组件DC1、DC2、DC3产生的直流电转换为交流电；

交流端子403，分别与三个单相逆变电路402的交流输出端和三相交流电网405相连接，用于将三个单相逆变电路402产生的交流电并网输出；

其中，每个单相逆变电路402包括直流-直流转换电路4021，用于进行最大功率点跟踪(MPPT)控制，直流-直流转换电路4021的输出端彼此并联，三个单相逆变电路402的交流输出端通过交流端子403分别与三相交流电网405三相L1、L2或L3中的一相以及零线N相连接。由于三相的总功率为常数，在直流输入端产生的纹波功率为零，所以存储电容被消除了。

在本实施例中，每个单相逆变电路402可以还包括直流-交流转换电路4022，分别与直流-直流转换电路4021和交流端子403相连接，用于进行正弦波的产生和并网。

由于三路直流-直流转换电路4021的输出被并联，这样纹波功率在直流-直流转换电路4021的输出端被消除，而三路的直流输入保持独立。三个组件分别与三相微逆变器1100的直流端子401连接，电流和电压被独立检测，并各自控制获得最大功率点，使每个组件输出最大功率。每个组件的数据独立，可用于每个组件的性能和故障监测。

继续如图11所示，在本实施例中，该三相微逆变器1100可以还包括：

电流检测元件I1、I2和I3，分别与三个直流光伏组件DC1、DC2、DC3相串联，用于测量直流光伏组件DC1、DC2、DC3提供的输入电流；

电压检测元件V1、V2和V3，分别跨接于所述三个单相逆变电路402的直流输入端与接地端之间，用于测量直流光伏组件DC1、DC2、DC3的输入电压。

在本实施例中，三个直流光伏组件之间DC1、DC2、DC3可以彼此互相独立，各自与三相微逆变器1100的直流端子401相连接。

类似地，本实施例中的单相逆变电路402也可以还包括其他电路。参考图9所示，该单相逆变电路402也可以还包括：直流检测电路4023、交流检测电路4024、控制电路4025、通信电路4026、电源电路4024和并网电路4028。

当然，在本发明中，单相逆变电路402还可以包括其他必要的、被本领域技术人员所公知的组成部分，而并不限于采用上述的电路结构。

类似地，本实施例中的三个单相逆变电路402也可以共用一些电路。参考图10所示，三个单相逆变电路402也可以共用一套交流检测电路4024、控制电路4025、通信电路4026和电源电路4027。

图12为本发明一个实施例的包括多个上述三项微逆变器的太阳能光伏发电系统的结构示意图。如图所示，该太阳能光伏发电系统1200可以包括多个如上所述的任意一种太阳能光伏三相微逆变器1202，多个三相微逆变器1202之间彼此独立，其各自的交流端子分别与三相交流电网1205中的各相L1、L2或L3和零线N相连接。

图13为本发明另一个实施例的包括多个上述三项微逆变器的太阳能光伏发电系统的结构示意图。如图所示，该太阳能光伏发电系统1200可以包括多个如上所述的任意一种太阳能光伏三相微逆变器1202，多个三相微逆变器1202的交流端子先彼此相连接，形成三项微逆变器串，再与三相交流电网1205中的各相L1、L2或L3和零线N相连接。

本发明将三个单相逆变电路的直流侧并联在一起，交流端子连接三相交流电缆后并入三相交流电网。由于三相交流电的各相为相差120°的正弦波，它们在各个单相逆变电路的直流输入端的纹波功率也是相差120°。于是，三个纹波功率相加后为零，即三个单相逆变电路的直流输入端的纹波功率为零。这样，单相逆变电路直流侧的存储能量的存储电容就可以被消除。在原理上相当于当相L1给存储电容充电时，相L2和L3给存储电容放电，所以本发明的三相微逆变器能够简单地消除了直流侧输入端的纹波功率。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。