CN104319809A - 基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置 - Google Patents

基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置 Download PDF

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Abstract

基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置，其直流侧采用一组光伏阵列作为直流源输入，光伏阵列输出端并联有多个光伏逆变单元支路，多个光伏逆变单元支路输出端依次串联连接，串联后的输出端直接并入中压电网；每个光伏逆变单元支路的输入端并联有一组母线电容，母线电容的输出端与光伏逆变单元的输入端相连接；光伏逆变单元由三相PWM逆变器与一变压器串联连接组成，三相PWM逆变器的输入端为光伏逆变单元支路的输入端，三相PWM逆变器的输出端与变压器的原边绕组相连接，变压器的副边绕组为支路的输出端，与其它并联支路的输出端相串联连接；本发明使用的变压器与传统的移相变压器相比制造工艺简化，并且降低大功率集中式光伏并网逆变系统的制造成本。

Description

基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置
技术领域
本发明涉及光伏逆变器技术领域，具体涉及一种基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置。
背景技术
为了提高光伏逆变器的单机容量，大多数大功率并网逆变器均采用多电平的方式。采用多电平逆变器的主要目的，就是为了利用低耐压开关器件实现高电压输出。级联法和多重叠加法都是生成多电平逆变器的主要方法。级联法是把N个具有独立直流源、输出电压为SPWM波的H桥(逆变单元)，将它们的三角载波依次移相2π/N，直接将H桥的输出电压进行串联叠加，使输出电压成为SPWM多电平阶梯波，以达到消除载波谐波、改善输出波形、提高输出电压、扩大输出功率的目的。多重叠加法(多重化技术)是指把N个输出电压为方波的H桥，将它们的输出电压依次移开π/N，通过输出变压器二次侧进行串联叠加，使叠加后的输出电压成为多电平阶梯波电压，以达到消除基波谐波，改善输出电压波形、提高输出电压、扩大输出功率的目的。
申请号为CN201280041767.8的专利提出在光伏系统中使用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。在该拓扑中，转换器的DC电源被彼此隔离。并且级联式逆变器具有元件使用少、结构简单及易于模块化等特点。但是由于级联式多电平逆变器的独立电源需要采用多个光伏阵列，而使用多路PV阵列对H桥单元供电存在PV组件的PID效应以及各PV组件对地共模漏电流等问题。
申请号为CN201210106659.6的专利提出多重化技术在光伏并网中使用，DC/AC的变换的开关频率等于电网额定频率，减小了有功损耗，使得光伏并网发电装置的总效率提高；利用变压器对逆变器的输出电压进行合成，并网电流总谐波畸变率得到了降低。然而此多重叠加式逆变器是将方波电压进行叠加，无法进行PWM调压。为了达到调压，该专利在每路PV光伏阵列与逆变器之间增加了一(DC-DC)boost升压电路，来实现整个系统的调压功能，但是boost电路的加入使得系统的效率降低了，还增加了系统的成本和复杂度。此外，此变压器为了达到谐波最优的目标，必须采用特定变比进行匹配，制造工艺上不容易实现。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置，解决了非隔离型级联式逆变器PV组件PID效应及PV组件共模漏电流问题，克服了多重化技术在光伏并网系统应用中无法实现PWM调压的问题，以及移相变压器制造工艺不容易实现的问题，并且降低大功率集中式光伏并网逆变系统的制造成本。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置，所述三相光伏逆变装置的直流侧采用一组光伏阵列作为直流源输入，所述光伏阵列的输出端并联有多个光伏逆变单元支路，所述多个光伏逆变单元支路的输出端依次串联连接，串联后的输出端直接并入中压电网；所述每个光伏逆变单元支路的输入端并联有一组母线电容，所述母线电容的输出端与光伏逆变单元的输入端相连接；所述光伏逆变单元由三相PWM逆变器与一变压器串联连接组成，所述三相PWM逆变器的输入端为光伏逆变单元支路的输入端，所述三相PWM逆变器的输出端与变压器的原边绕组相连接，变压器的副边绕组为支路的输出端，与其它并联支路的输出端相串联连接。
在所述变压器的二次侧接入CL滤波器，所述CL滤波器与变压器的漏感形成LCL滤波器。
所述三相PWM逆变器的功率模块所采取的是锯齿波移相的PWM调制方法。
所述各光伏逆变单元支路中的三相PWM逆变器中的功率单元采用的是全控型功率器件构成功率单元的主电路，通过控制器发出驱动信号来实现功率开关管的导通与关断工作状态切换。
所述全控型功率开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或集成门极换流晶闸管IGCT。
所述各光伏逆变单元支路中变压器的原边和副边使用D/Y联结，或D/D、Y/Y、Y/D联结，且各变压器的变比都相同。
所述三相PWM逆变器为三相半桥逆变器。
所述三相PWM逆变器为三相H桥逆变器、三相多电平逆变器及三相逆变器拓扑结构。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
本发明可以应用于高频、大功率的场合。相比于其他光伏逆变器拓扑，此发明采用的元件更少，有效降低了逆变器的损耗，且效率高。各功率单元控制都一样，控制简单。采用PWM调压，使得并网电流谐波更小。充分利用变压器的漏感，使CL滤波器的体积减小，同时成本也降低了。故整机的成本优势非常显著。此外，整体系统容易实现模块化与标准化。本发明解决了级联式逆变器在光伏并网系统使用中需要采用多路直流源以及各逆变单元输出功率不平衡等问题，克服了多重化技术在光伏并网系统应用中无法实现PWM调压的问题，以及变压器制造工艺不容易实现的问题，并且降低大功率集中式光伏并网逆变系统的制造成本。
附图说明
图1是本发明基本电路拓扑的结构示意图。
图2是加入CL滤波器的电路结构示意图。
图3是N＝4的电路结构示意图。
图4是锯齿波移相调制载波示意图。
图5是四组三相半桥组成的PWM逆变器单元。
图6是G11和G12的PWM信号。
图7是四组逆变单元第一相桥臂上开关的PWM信号。
图8是四组逆变单元第一相桥臂下开关的PWM信号。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置，所述三相光伏逆变装置的直流侧采用一组光伏阵列作为直流源输入，所述光伏阵列的输出端并联有多个光伏逆变单元支路，所述多个光伏逆变单元支路的输出端依次串联连接，串联后的输出端直接并入中压电网；所述每个光伏逆变单元支路的输入端并联有一组母线电容，所述母线电容的输出端与光伏逆变单元的输入端相连接；所述光伏逆变单元由三相PWM逆变器与一变压器串联连接组成，所述三相PWM逆变器的输入端为光伏逆变单元支路的输入端，所述三相PWM逆变器的输出端与变压器的原边绕组相连接，变压器的副边绕组为支路的输出端，与其它并联支路的输出端相串联连接。
本发明可以利用变压器的漏感进行滤波，故图1中并没有采用滤波器，且电流纹波不高。然而为了给高频纹波电流提供回路，使35kV侧的电压纹波不超标，如图2所示，在变压器的二次侧接入CL滤波器，实则与变压器的漏感形成LCL滤波器，降低了电压纹波，减小了对网侧的扰动。
本发明所述三相PWM逆变器的功率模块所采取的是锯齿波移相的PWM调制方法，该方法不但使各功率单元的功率保持平衡，确保输出的总谐波失真THD满足光伏系统的要求。此外，本调制方法优化了多重叠加逆变器的方波叠加法，实现了PWM调压。本发明三相光伏逆变装置无法使用三角载波移相的调制方法。因为在移相调制方式下，线电压相邻电平间切换时无法形成理想多电平。而采用三角载波移幅的调制方法会出现各功率单元的驱动波不对称,即各功率单元的功率不平衡问题。
作为本发明的优选实施方式，所述各光伏逆变单元支路中的三相PWM逆变器中的功率单元采用的是全控型功率器件构成功率单元的主电路，通过控制器发出驱动信号来实现功率开关管的导通与关断工作状态切换。进一步地，所述全控型功率开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或集成门极换流晶闸管IGCT。
所述各光伏逆变单元支路中变压器的原边和副边可以使用D/Y联结，也可以选用其他联结组别如D/D、Y/Y、Y/D联结，且各变压器的变比都相同，制造工艺上容易实现。
作为本发明的优选实施方式，所述三相PWM逆变器为三相半桥逆变器，采用三相半桥组成的基本功率单元易于实现本发明中的三相PWM逆变器单元。但是，H桥逆变器、多电平拓扑及其它三相拓扑也都可以用来组成本发明的基本功率单元，因此本发明的可替换性比较强。
如图1所示，本发明采用一组光伏阵列，其PV+和PV-端分别与N个母线电容(C1～Cn)相并联，用于N组逆变单元的直流侧输入。由三相PWM逆变器构成了1#～n#逆变单元。N组逆变单元的交流侧分别与变压器单元中的N组变压器(T1～Tn)的原边侧进行连接，T1～Tn的副边互相串联形成输出接入10～35kV中压配电网。
光伏阵列(PV Array)将光伏电池转化而来的电能传送给直流母线电容。所述的N组直流母线电容器实现直流母线电压支撑和交直流能量解耦，分别将电能传送给三相PWM逆变器单元。
上述的逆变器单元由N组三相PWM逆变器组成。利用所述的变压器单元中的N组变压器将三相PWM逆变器的输出电压进行合成，形成多电平，并将电能传送给10～35kV配电网。
在上述的变压器单元的N组变压器，各变压器的匝数比都相同。只要确保该N组变压器的联结组别保持一致。因此无论是如图1所示的D/Y联结组别，还是D/D,Y/Y和Y/D等联结组别都能满足要求。
如图3所示，给出了一个N＝4的实施方案，光伏并网发电装置的主电路参数：并网电压10kV；光伏电池组件的耐压等级为1000V；三相PWM逆变器单元由4组三相半桥逆变器组成，各三相半桥逆变器的额定功率为250kW；变压器单元由4台变压器组成，容量均为250kVA，4台变压器的采用D/Y的联结组别，变比300:2500。
如图4所示，图3的实施例的PWM调制方法采用4个非对称锯齿波(Uc1、Uc2、Uc3和Uc4)作为载波.各载波之间移相角度为90度(移相角度等于2π/N,N为逆变单元个数)，与同一调制波(频率为电网频率50Hz)进行比较产生出多电平PWM控制波。图3具体实施例中，由四组三相半桥组成的三相PWM逆变器单元如图5所示，且每一相桥臂上下开关是互补导通，如图6所示G11和G12的PWM信号。另外，第一相桥臂上开关门极(G11、G21、G31、G41)的PWM信号如图7所示，第一相桥臂下开关门极(G12、G22、G32、G42)的PWM信号如图8所示。此光伏逆变装置输出相电压的多电平波形趋势与图7所示四个PWM信号的叠加波形趋势相同。

Claims (8)

1.基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置，其特征在于：所述三相光伏逆变装置的直流侧采用一组光伏阵列作为直流源输入，所述光伏阵列的输出端并联有多个光伏逆变单元支路，所述多个光伏逆变单元支路的输出端依次串联连接，串联后的输出端直接并入中压电网；所述每个光伏逆变单元支路的输入端并联有一组母线电容，所述母线电容的输出端与光伏逆变单元的输入端相连接；所述光伏逆变单元由三相PWM逆变器与一变压器串联连接组成，所述三相PWM逆变器的输入端为光伏逆变单元支路的输入端，所述三相PWM逆变器的输出端与变压器的原边绕组相连接，变压器的副边绕组为支路的输出端，与其它并联支路的输出端相串联连接。
2.根据权利要求1所述的基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置，其特征在于：在所述变压器的二次侧接入CL滤波器，所述CL滤波器与变压器的漏感形成LCL滤波器。
3.根据权利要求1或2所述的基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置，其特征在于：所述三相PWM逆变器的功率模块所采取的是锯齿波移相的PWM调制方法。
4.根据权利要求1或2所述的基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置，其特征在于：所述各光伏逆变单元支路中的三相PWM逆变器中的功率单元采用的是全控型功率器件构成功率单元的主电路，通过控制器发出驱动信号来实现功率开关管的导通与关断工作状态切换。
5.根据权利要求4所述的基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置，其特征在于：所述全控型功率开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或集成门极换流晶闸管IGCT。
6.根据权利要求1或2所述的基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置，其特征在于：所述各光伏逆变单元支路中变压器的原边和副边使用D/Y联结，或D/D、Y/Y、Y/D联结，且各变压器的变比都相同。
7.根据权利要求1或2所述的基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置，其特征在于：所述三相PWM逆变器为三相半桥逆变器。
8.根据权利要求1或2所述的基于变压器级联技术的三相光伏逆变装置，其特征在于：所述三相PWM逆变器为三相H桥逆变器、三相多电平逆变器及三相逆变器拓扑结构。
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