CN102324864B - 一种三相并网逆变单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相并网逆变单元，包括单元控制器和三个2单元IGBT模块，所述IGBT模块通过驱动及门极电路与主控制器连接，所述IGBT模块通过复合母排与直流侧连接。本发明以三个相同的IGBT模块构成一个三相桥臂，再配以单元控制器和其它辅助器件构成一个标准的光伏并网三相逆变单元。在有大功率电能变换需求的光伏电站应用中，通过将多个这样的三相逆变单元在电网侧进行独立并联即可构成大功率的光伏并网逆变装置。本发明减小逆变装置的维修时间，降低大规模工业生产的成本，同时，又能最大限度地提高光伏阵列的功率输出能力，控制也相对简单直接。
Description
技术领域
本发明涉及一种逆变器，具体地说是一种用于单级DC/AC变换的大功率光伏并网三相逆变单元，属于电能变换技术领域。
背景技术
太阳能分布广泛，易于为人们利用，利用太阳能光伏发电这一清洁、环保、可再生的新型发电方式与核电、风电及水电相比，有不可替代的独到优势，正成为能源结构中重要的替代能源，得到了全球各国的广泛重视。我国拥有丰富的太阳能资源，在光伏发电领域也取得了一定成绩，各厂家开发了不少面向家用的小功率光伏并网逆变器，但是适用于光伏电站使用的大功率光伏并网逆变器产品却较少，制约了光伏发电产业的发展。
采用一级DC/AC变换的光伏并网逆变器结构简单，控制直接，已成为国内外大功率光伏并网逆变器的主流拓朴结构。光伏阵列作为光伏逆变器的直流源，具有阵列布置面积大、单块光伏电池组件功率密度较低、输出功率受光照变化影响较大的特点。因此，为充分利用各光伏电池组件的功率输出能力，光伏阵列不宜由过多的单块光伏电池组件通过串、并汇流构成。对于目前所采用一级DC/AC变换的光伏并网逆变器，更是如此。
此外，目前通常的电力电子电能变换装置主要采用风冷的散热方式，而用于散热的风机转速不可调控，容易造成持续的空气噪声，也加大了光伏逆变器自身的运行能耗；同时，电力电子开关器件的温度如果不能实时监测，一旦温度过高，又没能及时处理，容易造成电力电子开关器件的损坏。
发明内容
本发明目的就在于克服上述现有技术的不足，而提供一种用于大功率光伏并网的三相逆变单元，该三相逆变单元通过将三个相同的IGBT模块构成一个三相桥臂，再配以单元控制器和其它辅助器件即构成一个标准的光伏并网三相逆变单元。
实现本发明目的采用的技术方案是：一种三相并网逆变单元，包括单元控制器和三个2单元IGBT模块，所述IGBT模块通过驱动及门极电路与单元控制器连接，所述IGBT模块通过复合母排与直流侧连接。所述2单元IGBT模块中包括IGBT上管单元和IGBT下管单元。
进一步地，所述单元控制器包括主控系统、AD检测调理电路、数字输入和输出接口电路、温度检测及风机调控电路、驱动信号调理电路、保护电路和通信接口电路，所述主控系统包括DSP和FPGA。其中，所述DSP为数字信号处理器，FPGA为现场可编程门阵列。
进一步地，所述温度检测及风机调控电路连接有NTC温度传感器，且所述NTC温度传感器与所述的IGBT模块连接。
进一步地，所述复合母排包括位于绝缘材料中的两铜板，所述两铜板呈上、下层分布，且两铜板之间设有绝缘材料；所述的两铜板各设有两个出线端子，从上自下，第一个和第三个端子为上层铜板的出线端子，第二个和第四个端子为下层铜板的出线端子。所述上层铜板分别与上述三个IGBT模块中的IGBT上管单元的集电极相接，所述下层铜板分别与上述三个IGBT模块中的IGBT下管单元的发射极相接，
更进一步地，所述复合母排设有与每个IGBT模块相对应的缓冲电路，所述缓冲电路为并联的两个无感电容，并联后的一端在复合母排上与相应IGBT模块中的IGBT上管单元的集电极相压接，另一端在复合母排上与相应IGBT模块中的IGBT下管单元的发射集相压接。
进一步地，本发明三相并网逆变单元还包括散热器，所述三个2单元IGBT模块设于散热器表面上，所述散热器包括铝制基板以及多块铝制散热肋片，所述铝制散热肋片的一端钎焊在铝制基板上，相邻铝制散热肋片间的空隙形成风道，所述铝制散热肋片的顶部及两端设有风道罩，散热器尾部出风口设有风机。其中风机与单元控制器温度检测及风机调控电路连接，温度检测及风机调控电路发出控制风机转速的信号。
本发明以三个相同的2单元IGBT模块构成一个三相桥臂，再配以单元控制器和其它辅助器件构成一个标准的光伏并网三相逆变单元。在有大功率电能变换需求的光伏电站应用中，通过将本发明三相逆变单元在电网侧进行独立并联即可构成大功率的光伏并网逆变装置。将单个光伏电站级大功率光伏并网三相逆变单元的功率等级定位于250kW和50kW两种，其它在50kW以上的功率等级可通过多个这样的三相逆变单元独立并联构成。
本发明形成标准的模块化光伏并网逆变装置，减小逆变装置的维修时间，降低大规模工业生产的成本，同时，又能最大限度地提高光伏阵列的功率输出能力，控制也相对简单直接。
本发明具有以下优点：
(1)三相并网逆变单元使用模块化设计，将散热器、IGBT模块、温度传感器、驱动电路、缓冲电路、复合母排以及单元控制器，集中固化成为一个三相并网逆变单元，逆变单元使用单独风道。每个三相逆变单元由其自身的单元控制器进行自动控制，同时也可通过外与部并网控制器通信，接受电站或电网的调度指令并发送自身工作状态相关信息，实现本地或远程监控功能。
(2)三个2单元IGBT模块与直流侧之间采用复合母排连接，结构紧凑，复合母排层间采用正极P、负极N放置，每一层引出两个接线端子，出线端子采用PNPN方式。采用该设计方法能有效减小复合母排的分布电感，降低电力电子开关器件的开关应力，延长电力电子开关器件的工作寿命。
(3)散热器采用真空钎焊铝合金散热器，散热器自身构成密闭风道。单元控制器上的温度检测及风机调控电路先将温度传感器信号、风机转速信号转换为频率信号后再送到单元控制器上的主控制系统。主控制系统可以设定过温保护值，确保功率器件的结温始终在温度允许范围内，保证功率器件的正常运行；同时风机的转速可以根据逆变单元的功率大小和温度进行调控，延长了风机的使用寿命，也降低了装置的空气噪声和运行能耗。
附图说明
图1是本发明三相并网逆变单元的电气连接原理图。
图2为图1中单元控制器的结构框图。
图3为图1中复合母排的结构示意图，其中，图3a是复合母排的层间布置示意图，图3b是复合母排的极性及出线端子布置示意图。
图4为图1中散热器的结构示意图。
图5是本发明三相并网逆变单元结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明三相并网逆变单元包括单元控制器101、三个2单元IGBT模块201、202、203，IGBT模块201、202、203分别通过驱动及门极电路301、302、303与单元控制器101连接，IGBT模块201、202、203通过复合母排501与直流侧连接。复合母排501与IGBT模块201、202、203对应地压接有缓冲电路401、402、403。
如图2所示，单元控制器101包括主控系统、AD检测调理电路、数字输入输出驱动电路、温度检测及风机调控电路、驱动信号调理电路、保护电路和通信接口电路。其中，主控系统包括数字信号处理器DSP和现场可编程门阵列FPGA，主控系统实现对整个并网逆变单元的自动运行控制、状态监测与保护，同时与外部并网控制器901通过光纤通信来传送状态信息并接收电站或电网的调度指令，实现本地或远程监控功能。
本实施例所用的IGBT模块201、202、203采用英飞凌第4代2单元IGBT模块，IGBT模块201、202、203内置有NTC温度传感器，NTC温度传感器与单元控制器101的温度检测及风机调控电路连接。本发明通过NTC温度传感器801、802、803对应地检测IGBT201、202、203模块的温度，并将温度信息传送给单元控制器101上的温度检测及风机调控电路，经处理后由单元控制器主控制系统对温度进行实时监控，如果任一检测温度超过预定温度值，则发出关断六个IGBT的控制信号，以保证IGBT模块201、202、203的工作安全。
驱动及门极电路301、302、303的一端通过排缆与单元控制器101相接，传送温度、模块状态信号以及接收单元控制器101发出的IGBT模块脉冲宽度调制PWM控制信号。单元控制器101通过排缆向驱动及门极电路301、302、303发送控制信号，驱动及门极电路301、302、303对控制信号进行解析，产生每个IGBT模块所需的两种脉冲宽度调制PWM驱动控制信号，并将其传送给相应IGBT模块201、202、203。产生的驱动信号分为高电平和低电平两种，分别用于控制相应IGBT的开通或关断。当收到的驱动信号为高电平时，IGBT导通；当收到的驱动信号为低电平时，IGBT关断。通过IGBT受控的开通与关断实现对外部输入电源进行电能变换。
复合母排501用于将三个IGBT模块201、202、203与直流侧间的连接，三个IGBT模块201、202、203与直流侧之间采用复合母排501连接。若复合母排501设计不当，会使IGBT模块201、202、203产生过大的开关应力，从而导致IGBT器件击穿。由于在每个IGBT模块的两个IGBT单元开通或关断时，IGBT上管单元的集电极与母排正极P间、IGBT上管单元的发射极与母排负极N之间产生高压，容易造成两IGBT单元的损坏，因此设置缓冲电路401、402、403以抑制高压生成。因此，复合母排501与IGBT模块201、202、203对应地压接有缓冲电路401、402、403，缓冲电路401、402、403为并联的两个无感电容，并联后的一端在复合母排501上分别与IGBT模块201、202、203中的IGBT上管单元的集电极相压接，另一端在复合母排501上分别与相应IGBT模块201、202、203中的IGBT下管单元的发射集相压接。
如图3a所示，本实施例的复合母排501包括两层铜板5012、5014和三层绝缘材料5011、5013、5015，铜板5012、5014和绝缘材料501-1、5013、501 5用胶粘剂热压后完全贴合交替叠加而成。最上层铜板5012与IGBT模块201、202、203中的IGBT上管单元的集电极相接，最下层铜板5014分别与各IGBT模块201、202、203中的IGBT下管单元的发射极相接，该连接方式使得最上层铜板为正极P，最下层铜板为负极N。每层铜板5012、5014具有两个出线端子，共计四个，如图3b所示，从上往下，第一个和第三个端子为最上层铜板5012的出线端子，第二个和第四个端子为最下层铜板5014的出线端子。这种结构和连接方式可以减小复合母排501的杂散电感，降低电力电子开关器件的开关应力。
本发明中的风机701与单元控制器101的温度检测及风机调控电路连接，单元控制器101发出风机控制信号，用以控制风机701转速。风机控制信号依据逆变单元的功率和IGBT模块201、202、203温度综合确定，在温度不超限的情况下，当功率增大，则提高风机转速；当功率减小，则减小风机转速；当功率不变，则保持当前风机转速。
如图5所示，本发明的散热器601为真空钎焊铝合金散热器，散热器601为柜式结构，散热器601包括铝制基板6011以及一端钎焊在铝制基板6012的多块铝制散热肋片6012，相邻铝制散热肋片6012间的空隙形成风道，为散热器尾部出风口安装的风机701提供风道。散热器601中的铝制散热肋片6012采用2mm厚度的铝板，各肋片间距3mm，铝制基板6011厚度为15mm，其中铝制基板6011长宽尺寸及肋片的片数可根据不同功率等级进行调整。散热器钎焊好后，再对散热面进行加工，保证安装面的光洁度，使得电力电子开关器件与散热器表面接触均匀，提高散热性能。
图5所示为本发明三相并网逆变单元集成效果示意图，三个2单元IGBT模块201、202、203和驱动及门极电路301、302、303位于散热器601的表面，固定安装在散热器601的表面上。安装前，在IGBT模块202、202、203与散热器601的接触处均匀涂抹一层高性能导热硅脂以最大限度减小接触热阻。IGBT模块201、202、203通过复合母排501与直流侧连接，复合母排501上设有与每个IGBT模块201、202、203相对应的缓冲电路，单元控制器101则通过支撑件固定在复合母排501的正上方，单元控制器101与缓冲电路保持一定的距离，驱动及门极电路301、302、303直接固定安装在IGBT模块201、202、203的一端。该集成结构具有结构紧凑、集成度高的优点。
Claims (5)
1.一种三相并网逆变单元，其特征在于：包括单元控制器和三个2单元IGBT模块，所述三个IGBT模块分别通过三个驱动及门极电路与单元控制器连接，所述IGBT模块通过复合母排与直流侧连接；所述单元控制器包括主控系统、AD检测调理电路、数字输入和输出接口电路、温度检测及风机调控电路、驱动信号调理电路、保护电路和通信接口电路，其中所述主控系统包括DSP和FPGA；所述温度检测及风机调控电路连接有NTC温度传感器，且所述NTC温度传感器与所述的IGBT模块连接；
所述复合母排包括位于绝缘材料中的两铜板，所述两铜板呈上、下层分布，且两铜板之间设有绝缘材料；所述的两铜板各设有两个出线端子，从上自下，第一个和第三个端子为上层铜板的出线端子，第二个和第四个端子为下层铜板的出线端子。
2.根据权利要求1所述的三相并网逆变单元，其特征在于：所述上层铜板分别与三个IGBT模块中的IGBT上管单元的集电极连接，所述下层铜板分别与三个IGBT模块中的IGBT下管单元的发射极连接。
3.根据权利要求2所述的三相并网逆变单元，其特征在于：所述复合母排与每个IGBT模块之间对应地设有缓冲电路，所述缓冲电路为并联的两个无感电容，并联后的一端在复合母排上与相应IGBT模块中的IGBT上管单元的集电极相压接，另一端在复合母排上与相应IGBT模块中的IGBT下管单元的发射极相压接。
4.根据权利要求1～3任一所述的三相并网逆变单元，其特征在于：还包括散热器，所述三个2单元IGBT模块设于散热器表面上，所述散热器包括铝制基板（6011）以及多块铝制散热肋片（6012），所述铝制散热肋片（6012）的右端钎焊在铝制基板（6011）上，相邻铝制散热肋片（6012）间的空隙形成风道，所述铝制散热肋片（6012）的左部及上下两端设有风道罩（6013），散热器尾部出风口设有风机（701）。
5.根据权利要求4所述的三相并网逆变单元，其特征在于：所述风机（701）与温度检测及风机调控电路连接，风机（701）根据温度检测及风机调控电路发出的调速信号做出不同转速的调节。
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