CN105305953A - 一种具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构，其利用DC/DC变流器的升压功能，在不同输入电压情况下，重构直流母线，实现高电压宽范围的变流功能。本发明光伏逆变结构包括直流电压重构单元、电容链路和换流单元；直流电压重构单元通过DC/DC变流器实现直流母线的重构，在光伏电池提供的电压较高时，DC/DC变流器不工作，光伏电磁提供的电压直接作为直流母线电压；在光伏电池提供的电压较低时，DC/DC变流器开始工作，利用其升压特性将光伏电池提供的较低电压升高，将DC/DC变流器的输出电压作为重构后的直流母线电压。由此，本发明光伏逆变结构拓宽了光伏逆变器的输入电压范围，提高了系统的稳定性。

Description

一种具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构及其应用
技术领域
本发明属于光伏并网技术领域，具体涉及一种具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构及其应用。
背景技术
随着能源需求的不断增加与环境保护问题的日益凸显，可再生能源的开发和有效利用受到了普遍关注。光伏太阳能发电作为重要的可再生能源开发技术近年来发展迅速。光伏并网发电系统因其相对成本较低，无需其他能源补充设备，发展不受地区限制，是目前光伏发电应用的主要形式。在光伏并网发电系统中，光伏太阳能电池的输出特性随外部环境条件的变化而改变，光伏电池最高工作电压与最低工作电压之比可达2.5～3甚至更高，这要求系统中的并网逆变器具有很宽的输入电压范围。
目前应用较多的光伏并网逆变器从能量转换环节的个数可分为单级式光伏并网逆变器和双级式光伏并网逆变器。单级式光伏并网逆变器只具有一个DC/AC能量转换环节，该环节需要完成跟踪光伏电池最大功率点，同时保证并网电流的幅值与和抑制并网电流的谐波成分，控制环节较为复杂。由于逆变器正常工作点的直流电压必须高于电网电压的峰值，而光伏电池提供的电压一般较低，需在DC/AC能量转换环节之后接入工频变压器才能实现并网。工频变压器的接入增加的逆变器的成本和体积。
双级式光伏并网逆变器由DC/DC和DC/AC两个能力转换环节组成，DC/DC变流器实现提升直流母线电压和跟踪光伏电池最大功率点的功能，DC/AC实现并网功能。双级式光伏并网逆变器将母线升压、最大功率点跟踪和并网功能分开在两级能量转换环节完成使得控制更容易实现，但造成了换流器级数和器件数较单级光伏并网逆变器都有所增加。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构，其结合单级式光伏并网逆变器和双级式光伏并网逆变器的优点，具备可能重构出单级式和双级式光伏并网逆变器的能力，拓宽了光伏并网逆变器的输入电压范围。
一种具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构，包括一直流电压重构单元、一电容链路和一换流单元；当光伏输入电压较高(相较于系统设定的参考电压)时，所述的直流电压重构单元直接以光伏输入电压作为直流母线Bus1的电压，并将其与换流单元连接参与能量转换；当光伏输入电压较低时，直流电压重构单元利用自身的DC/DC升压功能实现直流母线的重构，重构后得到的另一条直流母线Bus2的电压高于光伏输入电压并与换流单元连接参与能量转换。
所述的直流电压重构单元包括两个DC/DC变流器和两个光伏直流电压源；其中，第一DC/DC变流器的输出端与直流母线Bus2的正极相连，第一DC/DC变流器的输入端与直流母线Bus1的正极以及第一光伏直流电压源的正极相连，第一光伏直流电压源的负极与第二光伏直流电压源的正极相连于中心点O，第二光伏直流电压源的负极与直流母线Bus1的负极以及第二DC/DC变流器的输入端相连，第二DC/DC变流器的输出端与直流母线Bus2的负极相连。
所述的电容链路由四个电容C1～C4串联组成；其中，电容C1的正极与直流母线Bus2的正极相连，电容C1的负极与直流母线Bus1的正极以及电容C2的正极相连，电容C2的负极与中心点O以及电容C3的正极相连，电容C3的负极与直流母线Bus1的负极以及电容C4的正极相连，电容C4的负极与直流母线Bus2的负极相连。
所述的换流单元由两个双向功率开关BS1～BS2和六个功率半导体器件S1～S6组成；其中，功率半导体器件S1的输入端与直流母线Bus2的正极相连，功率半导体器件S1的输出端与双向功率开关BS1的一端、功率半导体器件S2的输入端以及功率半导体器件S4的输入端相连，双向功率开关BS1的另一端与直流母线Bus1的正极相连，功率半导体器件S2的输出端与中心点O以及功率半导体器件S3的输入端相连，功率半导体器件S4的输出端与功率半导体器件S5的输入端相连并作为换流单元的电平输出端，功率半导体器件S3的输出端与双向功率开关BS2的一端、功率半导体器件S5的输出端以及功率半导体器件S6的输入端相连，双向功率开关BS2的另一端与直流母线Bus1的负极相连，功率半导体器件S6的输出端与直流母线Bus2的负极相连；功率半导体器件S1～S6的控制端均接收来自外部设备提供的开关控制信号。
所述的双向功率开关BS1或BS2由两个带反并联二极管的功率开关管S7～S8组成；其中，功率开关管S7的输出端作为双向功率开关BS1或BS2的一端，功率开关管S7的输入端与功率开关管S8的输入端相连，功率开关管S8的输出端作为双向功率开关BS1或BS2的另一端，功率开关管S7～S8的控制端均接收来自外部设备提供的开关控制信号。
所述的功率半导体器件S1、S4～S6均采用带反并联二极管的功率开关管，所述的功率半导体器件S2和S3均采用带反并联二极管的功率开关管或功率二极管。
所述带反并联二极管的功率开关管可采用IGBT、MOSFET等。
基于上述光伏逆变结构的应用，本发明还提供了一种具有重构能力的高电压宽范围三相光伏逆变器，包括一个上述的直流电压重构单元、一个上述的电容链路和三个上述的换流单元；当光伏输入电压较高时，所述的直流电压重构单元直接以光伏输入电压作为直流母线Bus1的电压，并将其与三个换流单元连接参与能量转换；当光伏输入电压较低时，直流电压重构单元利用自身的DC/DC升压功能实现直流母线的重构，重构后得到的另一条直流母线Bus2的电压高于光伏输入电压并与三个换流单元连接参与能量转换。
本发明利用两个DC/DC变流器实现光伏逆变器的结构重构，当光伏电池提供的电压低时，启动DC/DC变流器提高母线电压；当光伏电池提供的电压高时，光伏电池输出端与直流母线直接相连。本发明兼具了单级式光伏变流器效率高的优点和双级式光伏变流器控制方法易于实现的优点，有效地拓宽了光伏换流器的输入电压范围。
附图说明
图1为本发明具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构的示意图。
图2为本发明三相具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构的示意图。
图3为本发明光伏逆变结构的具体实例示意图。
图4为本发明光伏逆变结构在高输入电压情况下的等效电路示意图。
图5为本发明光伏逆变结构在低输入电压情况下的等效电路示意图。
图6为本发明三相光伏逆变器的具体实例示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构，包括一个直流电压重构单元、一个电容链路和一个换流单元；其中：
直流电压重构单元由两个光伏直流电压源和两个DC/DC变流器组成；其中，DC/DC变换器1输出侧与直流母线2的正极相连，DC/DC变换器1输入侧与直流母线1的正极、光伏电池组1的正极相连，光伏电池组1的负极与换流器的中点O相连，光伏电池组2的正极与换流器的中点O相连，光伏电池组2的负极与直流母线1的负极、DC/DC变换器2的输入侧相连，DC/DC变换器2的输出侧与直流母线2的负极相连；
电容链路由四个电容组成；其中，电容C1的正极与直流母线2的正极相连，电容C1的负极与直流母线1的正极、电容C2的正极相连，电容C2的负极与换流器的中点O，电容C3的正极相连，电容C3的负极与直流母线1的负极、电容C4的正极相连，电容C4的负极与直流母线2的负极相连；
换流单元由两个双向功率开关、六个功率半导体器件组成；其中，功率半导体器件S1的输入端与直流母线2的正极相连，功率半导体器件S1的输出端与双向功率开关BS1的一端、功率半导体器件S2的输入端、功率半导体器件S4的输入端相连，双向功率开关BS1的另一端与直流母线1的正极相连，功率半导体器件S2的输出端与换流器的中点O、功率半导体器件S3的输入端相连，功率半导体器件S4的输出端与换流单元的电平输出端、功率半导体器件S5的输入端相连，功率半导体器件S3的输出端与双向功率开关BS2的一端、功率半导体器件S5的输出端和功率半导体器件S6的输入端相连，双向功率开关BS2的另一端与直流母线1的负极相连，功率半导体器件S6的输出端与直流母线2的负极相连。
本实施方式的具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构既可直接构成单相逆变器，又可构造出如图2所示的三相逆变器，其包括一个直流电压重构单元、一个电容链路和三个换流单元，三相换流单元共用相同的直流母线。
如图3所示，本发明具有重构能力的高电压宽范围变流结构的实例中的DC/DC变流器是一种非隔离性DC/DC变流器，为两个全控型功率半导体器件及其反并二极管和一个电感组成。DC/DC变流器1以电容C2两端电压为输入电压，以电容C1两端电压为输出电压，以功率器件S2的导通时间占开关周期的比例为占空比D。DC/DC变流器2以电容C3两端电压为输入电压，以电容C4两端电压为输出电压，以功率器件S3的导通时间占开关周期的比例为占空比D。该DC/DC换流器的占空比为D/(1-D)。图3中给出的具有重构能力的高电压宽范围变流结构的实例在光伏电池提供较高电压时采用单级式换流器工作，直流母线电压采用Bus1，换流器输出三电平；在光伏电池提供较低电压时采用双级式换流器工作，直流母线电压采用Bus2，换流器输出五电平。
以图3的拓扑结构为例，具有重构能力的高电压宽范围变流结构在一级换流器工作时两个DC/DC变流器中的功率器件处于关断状态，与直流母线Bus2相连的功率器件S1和S6处于关断状态，其他功率器件的开关状态如表1所示，这种状态下的重构结构的等效电路如图4所示。
表1
序号 S2 S3 S4 S5 S7 S8 S9 S10 U
1 0 0 1 0 1 1 1 0 +E2
2 1 0 1 0 0 1 1 0 0
3 0 1 0 1 0 1 1 0 0
4 0 0 0 1 0 1 1 1 -E3
在图3给出的实施实例中，在光伏电池提供的电压不足时，利用DC/DC换流器的升压能力，将换流器的直流母线切换至Bus2，实现双级式变换，在这种工况下，S01和S02交替开通，S03和S04交替开通，实现DC/DC换流器的升压功能，其他功率器件的开关状态如表2所示，这种状态下的换流器重构结构的等效电路如图5所示。
表2
序号 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 U
1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 E1+E2
2 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 E2
3 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0
4 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0
5 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 -E3
6 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 -E3-E4
表1中的U表示换流器输出端的电压，E1～E4分别表示C1～C4上的电压，本实施方式的具有重构能力的高电压宽范围变流结构既可直接构成单相变流器，又可构造出如图6所示的三相变流器，三相共用相同的直流母线，根据光伏电池提供的不同输入直流电压重构直流母线，提高了换流器的适用范围。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构，其特征在于：包括一直流电压重构单元、一电容链路和一换流单元；当光伏输入电压较高时，所述的直流电压重构单元直接以光伏输入电压作为直流母线Bus1的电压，并将其与换流单元连接参与能量转换；当光伏输入电压较低时，直流电压重构单元利用自身的DC/DC升压功能实现直流母线的重构，重构后得到的另一条直流母线Bus2的电压高于光伏输入电压并与换流单元连接参与能量转换。
2.根据权利要求1所述的光伏逆变结构，其特征在于：所述的直流电压重构单元包括两个DC/DC变流器和两个光伏直流电压源；其中，第一DC/DC变流器的输出端与直流母线Bus2的正极相连，第一DC/DC变流器的输入端与直流母线Bus1的正极以及第一光伏直流电压源的正极相连，第一光伏直流电压源的负极与第二光伏直流电压源的正极相连于中心点O，第二光伏直流电压源的负极与直流母线Bus1的负极以及第二DC/DC变流器的输入端相连，第二DC/DC变流器的输出端与直流母线Bus2的负极相连。
3.根据权利要求2所述的光伏逆变结构，其特征在于：所述的电容链路由四个电容C1～C4串联组成；其中，电容C1的正极与直流母线Bus2的正极相连，电容C1的负极与直流母线Bus1的正极以及电容C2的正极相连，电容C2的负极与中心点O以及电容C3的正极相连，电容C3的负极与直流母线Bus1的负极以及电容C4的正极相连，电容C4的负极与直流母线Bus2的负极相连。
4.根据权利要求2所述的光伏逆变结构，其特征在于：所述的换流单元由两个双向功率开关BS1～BS2和六个功率半导体器件S1～S6组成；其中，功率半导体器件S1的输入端与直流母线Bus2的正极相连，功率半导体器件S1的输出端与双向功率开关BS1的一端、功率半导体器件S2的输入端以及功率半导体器件S4的输入端相连，双向功率开关BS1的另一端与直流母线Bus1的正极相连，功率半导体器件S2的输出端与中心点O以及功率半导体器件S3的输入端相连，功率半导体器件S4的输出端与功率半导体器件S5的输入端相连并作为换流单元的电平输出端，功率半导体器件S3的输出端与双向功率开关BS2的一端、功率半导体器件S5的输出端以及功率半导体器件S6的输入端相连，双向功率开关BS2的另一端与直流母线Bus1的负极相连，功率半导体器件S6的输出端与直流母线Bus2的负极相连；功率半导体器件S1～S6的控制端均接收来自外部设备提供的开关控制信号。
5.根据权利要求4所述的光伏逆变结构，其特征在于：所述的双向功率开关BS1或BS2由两个带反并联二极管的功率开关管S7～S8组成；其中，功率开关管S7的输出端作为双向功率开关BS1或BS2的一端，功率开关管S7的输入端与功率开关管S8的输入端相连，功率开关管S8的输出端作为双向功率开关BS1或BS2的另一端，功率开关管S7～S8的控制端均接收来自外部设备提供的开关控制信号。
6.根据权利要求4所述的光伏逆变结构，其特征在于：所述的功率半导体器件S1、S4～S6均采用带反并联二极管的功率开关管，所述的功率半导体器件S2和S3均采用带反并联二极管的功率开关管或功率二极管。
7.一种具有重构能力的高电压宽范围三相光伏逆变器，其特征在于：包括一直流电压重构单元、一电容链路和三个换流单元；当光伏输入电压较高时，所述的直流电压重构单元直接以光伏输入电压作为直流母线Bus1的电压，并将其与三个换流单元连接参与能量转换；当光伏输入电压较低时，直流电压重构单元利用自身的DC/DC升压功能实现直流母线的重构，重构后得到的另一条直流母线Bus2的电压高于光伏输入电压并与三个换流单元连接参与能量转换。
8.根据权利要求7所述的三相光伏逆变器，其特征在于：所述的直流电压重构单元包括两个DC/DC变流器和两个光伏直流电压源；其中，第一DC/DC变流器的输出端与直流母线Bus2的正极相连，第一DC/DC变流器的输入端与直流母线Bus1的正极以及第一光伏直流电压源的正极相连，第一光伏直流电压源的负极与第二光伏直流电压源的正极相连于中心点O，第二光伏直流电压源的负极与直流母线Bus1的负极以及第二DC/DC变流器的输入端相连，第二DC/DC变流器的输出端与直流母线Bus2的负极相连；
所述的电容链路由四个电容C1～C4串联组成；其中，电容C1的正极与直流母线Bus2的正极相连，电容C1的负极与直流母线Bus1的正极以及电容C2的正极相连，电容C2的负极与中心点O以及电容C3的正极相连，电容C3的负极与直流母线Bus1的负极以及电容C4的正极相连，电容C4的负极与直流母线Bus2的负极相连；
所述的换流单元由两个双向功率开关BS1～BS2和六个功率半导体器件S1～S6组成；其中，功率半导体器件S1的输入端与直流母线Bus2的正极相连，功率半导体器件S1的输出端与双向功率开关BS1的一端、功率半导体器件S2的输入端以及功率半导体器件S4的输入端相连，双向功率开关BS1的另一端与直流母线Bus1的正极相连，功率半导体器件S2的输出端与中心点O以及功率半导体器件S3的输入端相连，功率半导体器件S4的输出端与功率半导体器件S5的输入端相连并作为换流单元的电平输出端，功率半导体器件S3的输出端与双向功率开关BS2的一端、功率半导体器件S5的输出端以及功率半导体器件S6的输入端相连，双向功率开关BS2的另一端与直流母线Bus1的负极相连，功率半导体器件S6的输出端与直流母线Bus2的负极相连；功率半导体器件S1～S6的控制端均接收来自外部设备提供的开关控制信号。
9.根据权利要求8所述的三相光伏逆变器，其特征在于：所述的双向功率开关BS1或BS2由两个带反并联二极管的功率开关管S7～S8组成；其中，功率开关管S7的输出端作为双向功率开关BS1或BS2的一端，功率开关管S7的输入端与功率开关管S8的输入端相连，功率开关管S8的输出端作为双向功率开关BS1或BS2的另一端，功率开关管S7～S8的控制端均接收来自外部设备提供的开关控制信号。
10.根据权利要求8所述的三相光伏逆变器，其特征在于：所述的功率半导体器件S1、S4～S6均采用带反并联二极管的功率开关管，所述的功率半导体器件S2和S3均采用带反并联二极管的功率开关管或功率二极管。
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