CN105281364B - 一种基于多相逆变单元的光伏发电系统 - Google Patents

一种基于多相逆变单元的光伏发电系统 Download PDF

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Abstract

一种基于多相逆变单元的光伏发电系统，包括依次连接的直流输入单元、多相逆变单元、交流滤波单元和变压器单元；直流输入单元为一组或并列的两组光伏阵列；多相逆变单元由N组相数≥6的IGBT或MOSFET组成NPC型半桥单元并联组成，其各相之间的相差为360/N度；交流滤波单元是由多相逆变单元中各相的输出端分别串联的滤波电感以及多相逆变单元相邻相之间跨接的滤波电容组成；每一组交流滤波单元连同后级变压器单元的变压器漏感等效为LCL滤波器；变压器单元原边根据多相逆变单元的输出相数给出对应的线包，每相线包的首端和末端分别按相序接到多相逆变器单元输出相应的相；本发明有效减小输出谐波含量及输出滤波参数，使得开关管的电流应力较小。

Description

一种基于多相逆变单元的光伏发电系统
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种基于多相逆变单元的光伏发电系统。
背景技术
随着我国光伏行业的蓬勃发展，集中式逆变器以其高效率、低成本、易维护等优点已经在我国大批量的应用。但随着大功率集中式逆变器技术的不断发展，国家相关标准的出台，对逆变器的谐波提出了明确的要求，即要求并网逆变器输出的谐波必须低于3％。为了达到这个标准，传统两电平逆变器如图1所示系统框图，只能通过增加后级滤波器感量和系统开关频率来实现，然而在单机电流应力不变的前提下，提高后级滤波器感量势必会引起电感成本增加，并且电感噪音和电感体积都会大幅上升，同时增加开关频率对开关管的应力提出了更高的要求，而目前开关管很难满足要求。为了满足标准的要求，同时克服两电平中存在的问题，行业内将逆变器的拓扑形式转向多电平。但是在大功率场合，受多电平逆变器中单管容量的限制，多电平逆变器需要多机并联运行，但是多机并联模式控制方式较为复杂，故障率较高，并且产业化程度低，成本居高不下。
另外，为了追求最大的电能转化效率，业主希望集中式逆变器具有多路MPPT的功能，传统的两电平集中式逆变器受拓扑结构的限制，无法解决该问题。目前该问题的解决方式只有靠模块化并联技术实现，但是，模块化并联技术的产业化有待进一步加强。
发明内容
本发明针对目前电气设备中散热系统所存在的问题，提出了一种基于多相逆变单元的光伏发电系统，有效减小输出谐波(THD)含量及输出滤波参数，使得开关管的电流应力较小。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于多相逆变单元的光伏发电系统，包括依次连接的直流输入单元、多相逆变单元、交流滤波单元和变压器单元；所述直流输入单元为一组或并列的两组光伏阵列；所述多相逆变单元由N组相数≥6的IGBT或MOSFET组成NPC型半桥单元并联组成，其各相之间的相差为360/N度；所述多相逆变单元的直流输入端接一组光伏阵列时，光伏阵列的PV+和PV-分别接多相逆变单元直流输入侧P端和N端，所述多相逆变单元的直流输入端接两组光伏阵列时，两组光伏阵列的PV1+和PV1-分别接多相逆变单元直流侧P端和O端，PV2+与PV2-分别接多相逆变单元直流侧O端和N端；所述交流滤波单元是由多相逆变单元中各相的输出端分别串联的滤波电感以及多相逆变单元相邻相之间跨接的滤波电容组成；每一组交流滤波单元连同后级变压器单元的变压器漏感等效为LCL滤波器；所述变压器单元原边根据多相逆变单元的输出相数给出对应的线包，每相线包的首端和末端分别按相序接到多相逆变器单元输出相应的相。
所述多相逆变单元的每组NPC型半桥单元上还并联有一组或多组NPC型半桥单元。
所述多相逆变单元的调制方式为层叠载波与移相载波相结合的方式。
当多相逆变单元为六相时，相序依次为A、X、B、Y、C、Z，所述多相逆变单元的调制方式为：其中A相正半周由0度正极载波调制，A相负半周由0度负极载波调制，X相正半周由180度正极载波调制，X相负半周由180度负极载波调制，A相调制波与X相调制波互差180度；其余B相与Y相、C相与Z相的调制方法与A、X相类似，只是调制波按之前所述的相位关系发生变化。
所述多相逆变单元的输出相电压UAX是通过A相三电平波形与X相三电平波形作差，其输出相电压UAX波形呈现5电平PWM电压波形，电平数量翻倍。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
(1)本发明的拓扑结构中，逆变单元由多相逆变桥臂并联组成，并且每相输出均采用双臂调制输出，所以输出电平数多，可有效减小输出谐波(THD)含量及输出滤波参数。
(2)本发明中逆变单元采用了多相桥臂并联的形式，使得开关管的电流应力较小。
(3)由于拓扑结构中直流输入可接入两路光伏组件，所以该系统可实现两路MPPT功能。
附图说明
图1传统集中式逆变器系统原理图。
图2多相逆变系统原理图。
图3新型逆变单元基本拓扑。
图4多相逆变系统变压器单元原理图。
图5基本逆变单元发波调制方式。
图6基本逆变单元输出相电压。
图7新型逆变单元改进拓扑。
图8改进逆变单元发波调制方式。
图9改进逆变单元输出相电压。
具体实施方式
如图2所示为多相逆变系统原理图，如图所示，一种基于多相逆变单元的光伏发电系统，包括依次连接的直流输入单元、多相逆变单元、交流滤波单元和变压器单元。
如图3所示为多相逆变单元基本拓扑图，所述直流输入单元可以是一路或两路光伏阵列并列接入其后级的多相逆变单元的直流输入端。所述多相逆变单元的直流输入端接一组PV阵列时，其PV+与PV-分别接多相逆变单元直流输入侧P、N端，所述多相逆变单元的直流输入端接两组PV阵列时，其PV1+与PV1-分别接多相逆变单元直流侧P、O端，PV2+与PV2-分别接多相逆变单元直流侧O、N端。
所述多相逆变单元由N组(相数≥6)IGBT或MOSFET组成NPC型半桥单元组成。其各相之间的相差为360/N度。
所述多相逆变单元后级接有交流输出滤波单元。该滤波单元是由多相逆变单元中各相的输出端分别串联一滤波电感和相邻相之间跨接一滤波电容组成。每一组交流滤波单元连同后级变压器单元的变压器漏感等效为LCL滤波器。
所述输出滤波单元后级接入并网变压器。所述变压器单元原边根据多相逆变单元的输出相数给出对应的线包，每相线包的首端和末端分别按相序接到多相逆变器单元输出相应的相。
图4为多相逆变系统变压器单元原理图，所述变压器单元的原边有三组绕组，分别与逆变器单元的三组输出端相连接，即A、X与变压器单元第一绕组连接，B、Y与变压器单元第二绕组连接，C、Z与变压器单元第三绕组连接。所述变压器单元的副边绕组的三个输出接头均从一母线并联输出。
图5为基本逆变单元发波调制方式，所述多相逆变单元的调制方式为层叠载波与移相载波相结合的方式。如图所示，逆变单元以六相为例，相序依次为A、X、B、Y、C、Z，其逆变单元的调制方式为：其中A相正半周由0度正极载波(Z-up-0)调制，A相负半周由0度负极载波(Z-down-0)调制，X相正半周由180度正极载波(Z-up-180)调制，X相负半周由180度负极载波(Z-down-180)调制，A相调制波(UA)与X相调制波(UX)互差180度；其余B相与Y相、C相与Z相的调制方法与A、X相类似，只是调制波按之前所述的相位关系发生变化。
图6为基本逆变单元输出相电压。如图所示，所述多相逆变单元的输出相电压UAX，该电压是通过A相三电平波形与X相三电平波形作差，其输出相电压UAX波形呈现5电平PWM电压波形，电平数量翻倍。
如图7所示，对所述逆变单元拓扑进行改进，所述多相逆变单元的每组NPC型半桥单元上还并联有一组或多组NPC型半桥单元。具体的，在A1、X1、B1、Y1、C1、Z1六条基本桥臂的基础上分别并联一条A2、X2、B2、Y2、C2、Z2桥臂。其中A1臂输出与A2臂输出经过电感后并联，组合为A相输出，用同样的方法组合出其余5相输出。
图7所示改进逆变单元拓扑的调制方式如图8所示。A1、A2臂采用交错控制，其载波相差90度。其中A1相正半周由0度正极载波(Z-up-0)调制，A1相负半周由0度负极载波(Z-down-0)调制，X1相正半周由180度正极载波(Z-up-180)调制，X1相负半周由180度负极载波(Z-down-180)调制，A2相正半周由90度正极载波(Z-up-90)调制，A2相负半周由90度负极载波(Z-down-90)调制，X2相正半周由270度正极载波(Z-up-270)调制，X2相负半周由270度负极载波(Z-down-270)调制，A1相调制波与A2相调制波相同,均为UA,X1相调制波与X2相调制波相同，均为UX,且UA与UX互差180度。其余B1、B2、Y1、Y2与C1、C2、Z1、Z2的调制方法与A1、A2、X1、X2相雷同，只是调制波按之前所述的相位关系发生变化。
所述改进的逆变单元的输出相电压如图9所示，其为9电平输出电压。AX输出电压为(UA1+UA2)/2-(UX1+UX2)/2。电平数量较所述基本逆变单元翻了一倍。

Claims (2)

1.一种基于多相逆变单元的光伏发电系统，其特征在于：包括依次连接的直流输入单元、多相逆变单元、交流滤波单元和变压器单元；所述直流输入单元为一组或并列的两组光伏阵列；所述多相逆变单元由N组相数≥6的IGBT或MOSFET组成NPC型半桥单元并联组成，其各相之间的相差为360/N度；所述多相逆变单元的直流输入端接一组光伏阵列时，光伏阵列的PV+和PV-分别接多相逆变单元直流输入侧P端和N端，所述多相逆变单元的直流输入端接两组光伏阵列时，两组光伏阵列的PV1+和PV1-分别接多相逆变单元直流侧P端和O端，PV2+与PV2-分别接多相逆变单元直流侧O端和N端；所述交流滤波单元是由多相逆变单元中各相的输出端分别串联的滤波电感以及多相逆变单元相邻相之间跨接的滤波电容组成；每一组交流滤波单元连同后级变压器单元的变压器漏感等效为LCL滤波器；所述变压器单元原边根据多相逆变单元的输出相数给出对应的线包，每相线包的首端和末端分别按相序接到多相逆变器单元输出相应的相；
所述多相逆变单元的调制方式为层叠载波与移相载波相结合的方式；
当多相逆变单元为六相时，相序依次为A、X、B、Y、C、Z，所述多相逆变单元的调制方式为：其中A相正半周由0度正极载波调制，A相负半周由0度负极载波调制，X相正半周由180度正极载波调制，X相负半周由180度负极载波调制，A相调制波与X相调制波互差180度；其中B相正半周由120度正极载波调制，B相负半周由120度负极载波调制，Y相正半周由300度正极载波调制，Y相负半周由300度负极载波调制，B相调制波与Y相调制波互差180度；其中C相正半周由240度正极载波调制，C相负半周由240度负极载波调制，Z相正半周由60度正极载波调制，Z相负半周由60度负极载波调制，C相调制波与Z相调制波互差180度；
所述多相逆变单元的输出相电压UAX是通过A相三电平波形与X相三电平波形作差，其输出相电压UAX波形呈现5电平PWM电压波形，电平数量翻倍。
2.根据权利要求1所述的一种基于多相逆变单元的光伏发电系统，其特征在于：所述多相逆变单元的每组NPC型半桥单元上还并联有一组或多组NPC型半桥单元。
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