CN102769398A - 适用于光伏并网系统的模块化多电平变换器 - Google Patents

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张兴
董文杰
李飞
杨淑英
谢震
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Abstract

本发明公开了一种适用于光伏并网系统的模块化多电平变流器，包括有M个相、一个直流电容、三个交流输出端，直流电容与M个相依次并联，每相包括有上桥臂、下桥臂，上桥臂、下桥臂均包括有相互串联的N个子模块和一个限流电抗器，每相的上桥臂的限流电抗器与下桥臂的限流电抗器串联，M个相中的前三个相的两个限流电抗器的连接点分别作为三个交流输出端，其中每个子模块为一个单相半桥逆变电源，包含2个开关器件和一个直流电源，其直流电源可由太阳能电池板输出电压经DC-DC变换电路得到。本发明通过改变上、下桥臂投入的子模块数量的总和来获得直流电容C上的电压，通过改变上、下桥臂投入的子模块数量的差来获得期望的交流侧输出电压。

Description

适用于光伏并网系统的模块化多电平变换器
技术领域
  本发明涉及光伏发电并网领域，具体涉及一种适用于光伏并网系统的模块化多电平变换器。
技术背景
    太阳能是一种含量巨大的可再生清洁能源，对于缓解目前能源紧缺与环境污染具有重要意义，当今世界各国对光伏发电技术十分重视，经过数年的发展，光伏发电从技术和规模上都已经比较成熟，已进入商业化运行阶段。近年来，随着国家对新能源的扶持，我国太阳能发电产业得到了很大的发展。
    光伏并网逆变器在光伏并网系统中，担负着将太阳能电池板输出直流电变换成交流电馈入电网的任务，是光伏并网系统的中的核心器件。多电平逆变器可以提高变换器的电压等级和功率等级，同时由于输出阶梯状多电平电压波形，更接近正弦波，并网电流中的谐波含量更小，因此在光伏并网系统中有这广阔的应用前景。但传统的嵌位式多电平变换器随着电平数的增高，嵌位器件数量急剧增加，如N电平的二极管嵌位式变换器嵌位器件为(N-1)(N-2)个，电容嵌位式嵌位器件为(N-1)(N-2)/2, 因此在实际应用中，嵌位式多电平变换器一般限制在5电平及以下，因此寻求一种适用于光伏并网系统的变换器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于光伏并网系统的模块化多电平变换器。
本发明采用的技术方案是：
适用于光伏并网系统的模块化多电平变换器，其特征在于，包括有M个相、一个直流电容C、三个交流输出端，直流电容C与M个相依次并联，所述的每相包括有上桥臂、下桥臂，所述的上桥臂、下桥臂均包括有相互串联的N个子模块和一个限流电抗器Larm，所述的每相的上桥臂的限流电抗器Larm与下桥臂的限流电抗器Larm串联，所述的M个相中的前三个相的两个限流电抗器Larm的连接点分别作为三个交流输出端Ua、Ub、Uc，所述的子模块包括有直流电源、滤波电容C1、电感L、开关管Sr、二极管D、电容C2、功率开关管V1和V2，直流电源、直流侧电容C1、开关管Sr、电容C2、相互串联的功率开关管V1和V2依次并联，电感L连接于直流侧电容C1与开关管Sr的集电极之间，二极管D的正极与开关管Sr的集电极连接，二极管D的负极与电容C2连接，所述的电感L、开关管Sr和二极管D构成Boost升压电路，直流侧电容C1的电压经过boost升压电路转为电容C2的电压，功率开关管V1和V2之间的节点引出接线端子P，功率开关管V2的另一端引出接线端子N。
所述的子模块的直流电源为光伏电池板PV。
本发明的变换器具有3个交流输出端，多个直流输入端。通过改变每相上、下桥臂投入的子模块数的和来获得直流电容C上的电压，通过改变每相上、下桥臂投入的子模块数的差来获得期望的交流侧电压。每个桥臂可看作一个受控电压源，其输出电压由桥臂中投入的子模块数及子模块直流侧电压决定。每个子模块可输出0电压和Udc电压，其中限流电抗器Larm用于限制直流电容C和桥臂之间的电流，防止流过桥臂的电流过大。
所述功率开关管V1和V2作为DC-DC变换电路根据MPPT要求改变光伏电池板PV输出电压，使光伏电池板PV工作在最大功率输出状态，完成最大功率点跟踪功能，DC-DC变换电路的输出电压滤波后为半桥变换电路提供稳定的直流电压。半桥变换电路将DC-DC变换电路根据调制要求输出0电压或者DC-DC电路的输出电压。当V1导通，V2关断时，半桥变换电路输出电压 Udc，子模块投入桥臂；当V1关断，V2导通时，半桥变换电路输出0电压，子模块从桥臂中切除。
本发明的有益效果在于：
本发明通过改变上、下桥臂投入的子模块数量的总和来获得直流电容C上的电压，通过改变上、下桥臂投入的子模块数量的差来获得期望的交流侧输出电压。
附图说明
图1为本发明变流器拓扑图。
图2为本发明中模块化多电平变换器的子模块结构。
图3为输出线电压波形。
图4为输出相电流波形。
图5为A相上下桥臂电流及环流波形。
图6为直流侧电流电压波形。
图7为直流侧电容电流波形。
具体实施方式
如图1、2所示，适用于光伏并网系统的模块化多电平变换器，包括有M个相2、一个直流电容1、三个交流输出端，直流电容1与M个相2依次并联，每相2包括有上、下桥臂3，所述的上、下桥臂3均包括有相互串联的N个子模块4和一个限流电抗器5，每相的上桥臂3的限流电抗器5与下桥臂3的限流电抗器5串联，M个相2中的前三个相2的两个限流电抗器5的连接点分别作为三个交流输出端Ua、Ub、Uc，子模块4包括有直流电源、直流侧电容C1、电感L、开关管Sr、二极管D、电容C2、功率开关管V1和V2，直流电源、直流侧电容C1、开关管Sr、电容C2、相互串联的功率开关管V1和V2依次并联，电感L连接于滤波电容C1与开关管Sr的集电极之间，二极管D的正极与开关管Sr的集电极连接，二极管D的负极与电容C2连接，所述的电感L、开关管Sr和二极管D构成Boost升压电路，直流侧电容C1的电压经过boost升压电路转为电容C2的电压，功率开关管V1和V2之间的节点引出接线端子P，功率开关管V2的另一端引出接线端子N。
子模块4的直流电源为光伏电池板PV。
功率开关管V1和V2作为DC-DC变换电路根据MPPT要求改变光伏电池板PV输出电压，使光伏电池板PV工作在最大功率输出状态，完成最大功率点跟踪功能，DC-DC变换电路的输出电压滤波后为半桥变换电路提供稳定的直流电压。半桥变换电路将DC-DC变换电路根据调制要求输出0电压或者DC-DC电路的输出电压。当V1导通，V2关断时，半桥变换电路输出电压 Udc，子模块投入桥臂；当V1关断，V2导通时，半桥变换电路输出0电压，子模块从桥臂中切除。
如图3所示，本发明通过改变上、下桥臂投入的子模块数量的总和来获得直流电容C上的电压，通过改变上、下桥臂投入的子模块数量的差来获得期望的交流侧输出电压。
图3、图4、图5、图6、图7分别给出了所述拓扑结构采用载波层叠调制时的相关仿真波形。

Claims (2)

1.一种适用于光伏并网系统的模块化多电平变换器，其特征在于，包括有M个相、一个直流电容C、三个交流输出端，直流电容C与M个相依次并联，所述的每相包括有上桥臂、下桥臂，所述的上桥臂、下桥臂均包括有相互串联的N个子模块和一个限流电抗器Larm，所述的每相的上桥臂的限流电抗器Larm与下桥臂的限流电抗器Larm串联，所述的M个相中的前三个相的两个限流电抗器Larm的连接点分别作为三个交流输出端Ua、Ub、Uc，所述的子模块包括有直流电源、直流侧电容C1、电感L、开关管Sr、二极管D、电容C2、功率开关管V1和V2，直流电源、直流侧电容C1、开关管Sr、电容C2、相互串联的功率开关管V1和V2依次并联，电感L连接于直流侧电容C1与开关管Sr的集电极之间，二极管D的正极与开关管Sr的集电极连接，二极管D的负极与电容C2连接，所述的电感L、开关管Sr和二极管D构成Boost升压电路，直流侧电容C1的电压经过boost升压电路转为电容C2的电压，功率开关管V1和V2之间的节点引出接线端子P，功率开关管V2的另一端引出接线端子N。
2.根据权利要求1所述的适用于光伏并网系统的模块化多电平变换器，其特征在于，所述的子模块的直流电源为光伏电池板PV。
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