CN103051236A - 基于三相多分裂变压器的chb级联型光伏逆变电路 - Google Patents

基于三相多分裂变压器的chb级联型光伏逆变电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，基于多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，不改变现有光伏系统器件的对地绝缘电压，通过磁耦合将大功率CHB级联型多电平光伏逆变器的输出串联起来，可实现其在光伏电站安全可靠运行。本发明低压侧绕组连接多个独立等功率的逆变输出，使用一个分裂变压器比多台普通变压器更经济、占地小、维护管理也较方便。本发明降低关键器件的耐流值，避免了IGBT的并联。

Description

基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路
技术领域
本发明涉及一种CHB级联型光伏逆变电路，尤其涉及一种基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路。
背景技术
目前，大功率光伏电站运行的逆变装置大都采用两电平三相半桥逆变拓扑，输出接隔离变压器的电路结构。两电平三相半桥逆变拓扑简单，易于控制，但存在以下缺点：1.输出两电平的谐波含量高，需要LC或LCL滤波器，增大了逆变装置的体积和重量，效率比多电平逆变器低，并会出现LC谐振的现象。2.大功率光伏组件占地面积大，采用一个MPPT控制，组件供电不匹配对系统发电效率的影响大。3.输出功率超过500kVA时，IGBT并联的个数较多，需解决均流、散热等技术问题。4.太阳组件的绝缘电压提高后，关键器件IGBT、母线电容的耐压值随之提高，导致成本大幅度提高。
为解决两电平拓扑的固有缺陷，多电平逆变器在高压、大功率场合的应用受到了广泛的关注，其多电平叠加的电路拓扑，有利于减少谐波含量，极大的减小了所需滤波器件的体积重量。多电平逆变器的电路拓扑可分为二极管箝位型、飞跨电容型以及具有独立直流电压源的CHB（Cascaded H-Bridge级联H桥）级联型。第三种CHB级联型逆变拓扑不需要前两种电路所需的箝位二极管和飞跨电容，结构简单，易于模块化。
CHB级联型多电平逆变拓扑可应用在大功率光伏行业，具有多路独立MPPT算法最优化，可最大程度减小组件供电不匹配造成的影响，提高光伏电站整体的发电效率；多电平叠加拓扑及SPWM调试方式可成倍的降低系统开关频率，使输出谐波含量小，无需LC滤波器，消除存在于大功率光伏系统的LC谐振现象；输出可直接接入中压电网等优点。采用CHB级联型多电平拓扑的光伏逆变器，在电站运行的主要局限在于：太阳能组件、线缆及真空开关等器件的对地绝缘电压为1000V，无法满足CHB级联型多电平光伏逆变器输入高压的应用条件。大幅度的提升系统绝缘等级需要的成本较高，且研发生产周期较长。为解决以上技术瓶颈，将CHB级联型多电平逆变拓扑的优势充分发挥出来，发明了一种采用三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路。
 
发明内容
本发明解决的技术问题是：构建一种基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，克服现有技术CHB级联型多电平逆变拓扑在电站运行，光伏组件、线缆及真空开关等器件对地绝缘耐压为1000V的技术问题。
本发明的技术方案是：构建一种基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，包括三相多分裂变压器和多个CHB级联型逆变单元，所述CHB级联型逆变单元包括直流母线，所述多个CHB级联型逆变单元的直流母线与多路独立的光伏组件分别连接，所述每个逆变单元与的所述三相分裂变压器之间设置滤波电感Lf，其感值较小，可由三相分裂变压器的漏感代替，所述每个逆变单元为单相全桥电路拓扑，将独立直流母线转换为方波后，由滤波电感Lf将方波滤成含有谐波分量的正弦波，该正弦波接入所述三相多分裂变压器，通过磁耦合的方式将该正弦波串联叠加起来。
本发明的进一步技术方案是：采用载波移相的SPWM调制技术将独立直流母线转换为方波。
本发明的进一步技术方案是：所述载波移相的角度与H桥的级联个数n有关，n个H桥的左桥臂的三角波载波依次滞后（π/n）°，右桥臂的三角波载波应超前左桥臂180°，每相左、右桥臂采用同一正弦波进行调制，对于三相正弦，每相正弦调制波依次滞后120°。
本发明的进一步技术方案是：所述三相多分裂变压器包括铁芯、线圈和支撑架，所述线圈为三相，每相线圈的铁芯轴向上设有多个绕组，每个绕组中由外到内依次设有一次侧线圈、二次侧线圈、稳定绕组线圈，所述一次绕组与高压控制端连接，所述二次绕组与所述逆变单元连接，所述稳定绕组为所述一次绕组和所述二次绕组提供中性点。
本发明的进一步技术方案是：所述一次绕组为多层层式或饼式绕组，轴向分裂为多个部分，各部分绕组串联连接，三相采用星形连接。
本发明的进一步技术方案是：所述二次绕组为轴向分裂为多个输入线圈。
本发明的进一步技术方案是：所述稳定绕组的绕组线圈采用三角形接法。
本发明的技术效果是：构建一种基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，包括三相多分裂变压器和多个CHB级联型逆变单元，所述CHB级联型逆变单元包括直流母线，所述多个CHB级联型逆变单元的直流母线为多路独立的光伏组件，所述每个逆变单元与的所述三相分裂变压器之间设置滤波电感Lf，所述每个逆变单元为单相全桥电路拓扑，将独立直流母线的电流转换为方波后，由滤波电感Lf将方波滤成含有谐波分量的正弦波，该正弦波接入所述三相多分裂变压器，通过磁耦合的方式将该正弦波串联叠加起来。本发明基于多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，不改变现有光伏系统器件的对地绝缘电压，通过磁耦合将大功率CHB级联型多电平光伏逆变器的输出串联起来，可实现其在光伏电站安全可靠运行。本发明低压侧绕组连接多个独立等功率的逆变输出，使用一个分裂变压器比多台普通变压器更经济、占地小、维护管理也较方便。本发明降低关键器件的耐流值，避免了IGBT的并联。
 
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的三相三分裂变压器的接线原理图。
图3为本发明的三相三分裂变压器的结构示意图。
 
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。
如图1所示，本发明的具体实施方式是：构建一种基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，包括三相多分裂变压器和多个CHB级联型逆变单元，所述CHB级联型逆变单元包括直流母线，所述多个CHB级联型逆变单元的直流母线为多路独立的光伏组件，所述每个逆变单元与的所述三相分裂变压器之间设置滤波电感Lf，所述每个逆变单元为单相全桥电路拓扑，将独立直流母线的电流转换为方波后，由滤波电感Lf将方波滤成含有谐波分量的正弦波，该正弦波接入所述三相多分裂变压器，通过磁耦合的方式将该正弦波串联叠加起来。
如图1所示，本发明的具体实施过程是：本发明基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，由一个三相多分裂变压器和多个CHB级联型逆变单元组成。多路独立的光伏组件作为三相k个CHB级联型逆变单元的直流母线。图中所示，一路光伏组件构成a相CHB级联型逆变单元的直流母线VBUSa1-VBUSak，一路光伏组件构成b相CHB级联型逆变单元的直流母线VBUSb1-VBUSbk、一路光伏组件构成c相CHB级联型逆变单元的直流母线VBUSc1-VBUSck。每个CHB级联型逆变单元为单相全桥电路拓扑，采用载波移相的SPWM调制技术，将独立的直流母线斩成方波。每个CHB级联型逆变单元通过一个感值较小的滤波电感Lf，连接到所述三相多分裂变压器，将方波滤成含有一定谐波分量的正弦波，即a相得到的电压Va1-Vak，b相得到的电压Vb1- Vbk、c相得到的电压Vc1-Vck，均含有一定谐波分量的正弦波，通过磁耦合的方式将含有谐波的正弦波串联叠加起来，消除某些次数的谐波分量，得到质量较好的三相正弦波，然后接入电网。
如图2所示，为描述方便，以3个逆变单元串联为例，阐述兆瓦级三相三分裂变压器与7电平CHB级联型光伏逆变电路的工作方式，每个逆变单元的输出功率为111kVA，其载波移相60°，载波频率为1kHz，相电压（U11-U13、U21-U23、U31-U33），有效值为220Vac。三相三分裂变压器每相输入连接三个独立的7电平CHB级联型逆变器，其输出连接三相中压电网，每相输出功率为333kVA，线电压（UA、UB、UC）有效值为10kV。其升压比为N，则有以下等式成立：
UA=N（U11+ U12+U13）
UB=N（U21+ U22+U23）
UC=N（U31+ U32+U33）
叠加后的UA、UB、UC，可消除59次以下的谐波分量，再利用三相三分裂变压器的稳定线圈，可消除其中的零序谐波分量。 另外，每个逆变模块IGBT开关管流过电流为三相半桥逆变拓扑的1/9，可使用常规型号，避免了IGBT并联。
当逆变单元的级联个数拓展为n个，则可实现2n+1电平CHB级联型光伏逆变拓扑，采用三相n分裂变压器。每个H桥的载波移相为（π/n）°，相应的有以下等式成立：
UA=N（U11+ U12+U13+…+U1n）
UB=N（U21+ U22+U23+…+U2n）
UC=N（U31+ U32+U33+…+U3n）
如图3所示，本发明的三相多分裂变压器，是一种50Hz的工频变压器，包括铁芯、线圈和支撑架，线圈为三相，每相线圈的铁芯轴向上设有多个绕组，每个绕组中由外到内依次设有一次侧线圈、二次侧线圈、稳定绕组线圈。一次绕组为多层层式或饼式绕组，轴向分裂为多个部分，各部分绕组串联连接，三相采用星形连接方式，引出四线与高压控制柜相连。二次绕组为轴向分裂为多个输入线圈，每个输入线圈额定容量相等，没有电气联系，仅有较弱的磁联系，且各线圈之间有较大的阻抗，引出线与逆变器输出相连。稳定绕组线圈采用三角形（ 即“△”）接法，允许同相的三次谐波电流流过，为一次线圈和二次线圈提供中性点，稳定绕组没有引出线。
本发明的技术效果是：构建一种基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，包括三相多分裂变压器和多个CHB级联型逆变单元，所述CHB级联型逆变单元包括直流母线，所述多个CHB级联型逆变单元的直流母线为多路独立的光伏组件，所述每个逆变单元与的所述三相分裂变压器之间设置滤波电感Lf，所述每个逆变单元为单相全桥电路拓扑，将独立直流母线的电流转换为方波后，由滤波电感Lf将方波滤成含有谐波分量的正弦波，该正弦波接入所述三相多分裂变压器，通过磁耦合的方式将该正弦波串联叠加起来。本发明基于多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，不改变现有光伏系统器件的对地绝缘电压，通过磁耦合将大功率CHB级联型多电平光伏逆变器的输出串联起来，可实现其在光伏电站安全可靠运行。本发明低压侧绕组连接多个独立等功率的逆变输出，使用一个分裂变压器比多台普通变压器更经济、占地小、维护管理也较方便。本发明降低关键器件的耐流值，避免了IGBT的并联。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，其特征在于，包括三相多分裂变压器和多个CHB级联型逆变单元，所述CHB级联型逆变单元包括直流母线，所述多个CHB级联型逆变单元的直流母线与多路独立的光伏组件分别连接，所述每个逆变单元与的所述三相分裂变压器之间设置滤波电感Lf，所述每个逆变单元为单相全桥电路拓扑，将独立直流母线的电流转换为方波后，由滤波电感Lf将方波滤成含有谐波分量的正弦波，该正弦波接入所述三相多分裂变压器，通过磁耦合的方式将该正弦波串联叠加起来，所述三相多分裂变压器包括铁芯、线圈和支撑架，所述线圈为三相，每相线圈的铁芯轴向上设有多个绕组，每个绕组中由外到内依次设有一次侧线圈、二次侧线圈、稳定绕组线圈，所述一次绕组与高压控制端连接，所述二次绕组与所述逆变单元连接，所述稳定绕组为所述一次绕组和所述二次绕组提供中性点。
2.根据权利要求1所述基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，其特征在于，采用载波移相的SPWM调制技术将独立直流母线的电流转换为方波。
3.根据权利要求2所述基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，其特征在于，所述载波移相的角度与H桥的级联个数n有关，n个H桥的左桥臂的三角波载波依次滞后（π/n）°。
4.根据权利要求1所述基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，其特征在于，所述一次绕组为多层层式或饼式绕组，轴向分裂为多个部分，各部分绕组串联连接，三相采用星形连接。
5.根据权利要求1所述基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，其特征在于，所述二次绕组为轴向分裂为多个输入线圈。
6.根据权利要求1所述基于三相多分裂变压器的CHB级联型光伏逆变电路，其特征在于，所述稳定绕组的绕组线圈采用三角形接法。
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Inventor after: Gu Yu

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Inventor before: Zhang Bowen

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