CN106208642A - 应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器 - Google Patents

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张兴
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Abstract

本发明公开了一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器，包括开绕组变压器一次侧的三相逆变器1和2，开绕组变压器二次侧的三相滤波电抗L3和三相滤波电容C；三相滤波电抗L3的一端分别与开绕组变压器三相绕组的二次侧连接，另一端作为滤波器输出与电网连接；该滤波器还包括至少一组一次侧三相滤波电抗，包括三个一次侧三相滤波电抗，其一端分别与三相逆变器1或三相逆变器2的三相输出桥臂连接，另一端分别与开绕组变压器三相绕组的一次侧三相端子或拆开侧三相端子连接。本发明可充分利用开绕组变压器式双逆变器拓扑“两逆变器输出电压谐波相消”的特点，并结合LCL滤波器较高的谐波衰减能力，可较大的减少滤波电感用量，减小滤波器成本。

Description

应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器
技术领域
本发明涉及新能源并网发电技术领域，更具体地说，涉及一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器。
背景技术
为了提高光伏逆变器或风力发电逆变器的单机容量，逆变器并联结构应用广泛，并且为了升压或与电网隔离，逆变器需通过变压器并联后接入电网。如在光伏发电领域，典型方案为两台逆变器经双绕组变压器或双分裂变压器并联后接入电网。
近年来，一种开绕组变压器式双逆变器拓扑因其优异的性能得到广泛的研究与关注。这种拓扑将变压器低压侧原本星形或三角形联结的绕组连接点拆开，分别连接两台逆变器的交流侧，其中所连逆变器拓扑可为两电平或多电平拓扑。这种结构不仅可以增大系统容量，而且通过合适的调制，由两台两电平逆变器构成的双逆变器拓扑可等效为1台三电平逆变器，由两台N电平逆变器构成的双逆变器拓扑可以等效为1台(2N-1)电平逆变器。由于这种组合拓扑结构可输出更高的电平，因而相较于传统两台逆变器通过变压器并联的结构，可以降低输出电压的谐波含量。所以，该拓扑结构不仅增大了系统容量，还降低了对逆变器并网输出滤波器的滤波要求。
实际上，开绕组变压器式双逆变器拓扑之所以可以降低输出电压谐波含量，本质上是因为通过特殊的调制策略，使得两逆变器各自的输出电压谐波中含有较多的同频同相成分，而两逆变器的合成输出电压为两逆变器各自的输出电压之差，这样两逆变器各自的输出电压谐波中同频同相的成分就可以相互抵消，最终降低了双逆变器拓扑合成输出电压的谐波含量。
因此，如何利用以上开绕组变压器式双逆变器拓扑的特点，设计适合该拓扑的滤波器，在满足一定滤波要求的前提下尽可能减少滤波电感用量，从而减小滤波器成本，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
北京交通大学2015年博士论文“基于开绕组拓扑双变流器控制策略研究”中公开了三种现有应用于开绕组变压器式双逆变器拓扑的滤波方案，具体如下：
现有方案1：单电感滤波，即两台逆变器分别接单电感滤波器后再接入开绕组变压器。这种滤波器优点在于结构简单，并且可以充分利用开绕组变压器式双逆变器拓扑合成输出电压谐波较小的优势，但该低阶滤波器的滤波能力较差，要达到对逆变器输出谐波的足够衰减需较大的电感量，增大了系统的体积与成本。
现有方案2：独立LCL滤波，即两台逆变器分别接LCL滤波器后再接入开绕组变压器。这种滤波器是对传统两台逆变器分别接LCL滤波器后经双绕组/双分裂变压器并联结构的直接改造，即将双绕组/双分裂变压器替换为开绕组式变压器。但是由于LCL滤波器中滤波电容的旁路作用，将原本两逆变器输出电压谐波中本可以互相抵消的部分也旁路掉了，这使得开绕组变压器式双逆变器拓扑的优势不再，滤波器滤波压力较大，所需电感量也较大。
现有方案3：共电容式LCL滤波，即两台逆变器接共滤波电容式LCL滤波器后再接入开绕组变压器。这种滤波器可使两逆变器的输出电压谐波通过滤波电感以及共用的滤波电容相互抵消，一定程度上保留了开绕组变压器式双逆变器的优势，但这种结构谐波抵消支路与谐波旁路支路相耦合，会影响高频滤波效果，所需滤波电感量依然较大，仍有改进的空间。
综上所述，现有各技术方案难以同时兼顾：①保留这种双逆变器拓扑输出电压谐波较小的优势；②采用高阶滤波器来提供更高的谐波衰减能力。这使得滤波器为达到相应滤波要求而所需电感量较大，成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器，克服上述现有滤波器拓扑的不足，保证充分利用开绕组变压器式双逆变器拓扑“两逆变器输出电压谐波相消”的特点，同时使用高阶滤波结构增加滤波器谐波衰减能力，在满足谐波抑制要求的前提下尽可能减少滤波电感用量，减小滤波成本。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器，开绕组变压器的A相绕组设置有一次侧三相端子A1与拆开侧三相端子A2，B相绕组设置有一次侧三相端子B1与拆开侧三相端子B2，C相绕组设置有一次侧三相端子C1与拆开侧三相端子C2；该输出滤波器包括设置在开绕组变压器一次侧的三相逆变器1和三相逆变器2；该输出滤波器还包括设置在开绕组变压器二次侧的三相滤波电抗L3和三相滤波电容C；其中三相滤波电抗L3的一端分别与开绕组变压器三相绕组的二次侧连接，另一端作为滤波器输出与电网连接；三相滤波电容C并接于三相滤波电抗L3与开绕组变压器二次侧的三个连接点U、V、W处；
该输出滤波器还包括至少一组一次侧三相滤波电抗，一组一次侧三相滤波电抗包括三个一次侧滤波电抗，三个一次侧滤波电抗的一端分别与三相逆变器1或三相逆变器2的三相输出桥臂连接，另一端分别与开绕组变压器三相绕组的三个一次侧三相端子或者三个拆开侧三相端子相连接，三个一次侧三相端子即一次侧三相端子A1、一次侧三相端子B1、一次侧三相端子C1，三个拆开侧三相端子即拆开侧三相端子A2、拆开侧三相端子B2、拆开侧三相端子C2；与开绕组变压器每相绕组的两个端子相连接的三相逆变器1和三相逆变器2的输出端是同相输出端。
优选地，该输出滤波器包括两组一次侧三相滤波电抗，其中一组的三个一次侧滤波电抗的一端分别与三相逆变器1的三相输出桥臂连接，另一端分别与开绕组变压器三相绕组的一次侧三相端子A1、一次侧三相端子B1、一次侧三相端子C1连接；另一组的三个一次侧滤波电抗的一端分别与三相逆变器2的三相输出桥臂连接，另一端分别与开绕组变压器三相绕组的拆开侧三相端子A2、拆开侧三相端子B2、拆开侧三相端子C2连接。
优选地，所述三相滤波电容C为三角形联结。
优选地，所述三相滤波电容C为星形联结。
从上述技术方案中可以看出，本发明所提供的滤波器在两台逆变器的交流侧之间，仅串有滤波电抗和变压器，无谐波旁路支路，可使得两逆变器输出电压谐波中的同频同相成分充分相互抵消，保留了开绕组变压器式双逆变器拓扑的优势。同时，开绕组变压器漏抗、开绕组变压器一次侧的三相滤波电抗、开绕组变压器二次侧的三相滤波电容和三相滤波电抗以及电网等效阻抗，共同构成了双逆变器系统的LCL滤波结构，该LCL滤波器具有较高的谐波抑制能力，并且仅对双逆变器系统的合成输出电压谐波进行滤波，该合成输出电压为两逆变器输出电压之差，即两逆变器谐波相消后的输出电压，滤波压力因而较小，所以与现有技术公开的应用于开绕组变压器式双逆变器的滤波器拓扑相比，在相同滤波要求下，本发明所需电感量可大为降低，从而减小了滤波器成本。
附图说明
图1为本发明实施例一公开的一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器结构示意图；
图2为本发明实施例二公开的一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器结构示意图；
图3为本发明实施例三公开的一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器结构示意图；
图4为本发明实施例四公开的一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器结构示意图；
具体实施方式
以下，将参照附图和实施例对本发明进行描述。
实施例一：
图1所示为本发明实施例一公开的一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器结构，开绕组变压器的A相绕组设置有一次侧三相端子A1与拆开侧三相端子A2，B相绕组设置有一次侧三相端子B1与拆开侧三相端子B2，C相绕组设置有一次侧三相端子C1与拆开侧三相端子C2；该输出滤波器包括设置在开绕组变压器一次侧的三相逆变器1和三相逆变器2，该输出滤波器还包括设置在开绕组变压器二次侧的三相滤波电抗L3和三相滤波电容C；其中三相滤波电抗L3的一端分别与开绕组变压器三相绕组的二次侧连接，另一端作为滤波器输出与电网连接；三相滤波电容C呈三角形联结，并接于三相滤波电抗L3与开绕组变压器二次侧的三个连接点U、V、W处；
该输出滤波器还包括至少一组一次侧三相滤波电抗L4，一组一次侧三相滤波电抗L4包括三个一次侧滤波电抗，三个一次侧滤波电抗的一端分别与三相逆变器1或三相逆变器2的三相输出桥臂连接，另一端分别与开绕组变压器三相绕组的一次侧三相端子A1、B1、C1或拆开侧三相端子A2、B2、C2连接，此外，与开绕组变压器每相绕组的两个端子相连接的三相逆变器1和三相逆变器2的输出端是同相输出端；
值得注意的是，本发明实施例一仅是示意性的提供了当仅选用一组一次侧三相滤波电抗L4，且三相滤波电抗L4串接在三相逆变器1的三相输出桥臂与开绕组变压器一次侧三相端子A1、B1、C1之间的情况，其他连接情况在此不再赘述，此时开绕组变压器拆开侧三相端子A2、B2、C2分别直接与三相逆变器2的三相输出桥臂连接。
实施例二：
基于实施例一的描述及其附图，本发明实施例二公开了又一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器结构，参见图2，其与实施例一的不同之处是，该输出滤波器包括两组一次侧三相滤波电抗，即三相滤波电抗L1和三相滤波电抗L2；其中三相滤波电抗L1的三个滤波电抗的一端分别与三相逆变器1的三相输出桥臂连接，另一端分别与开绕组变压器三相绕组的一次侧三相端子A1、B1、C1连接；三相滤波电抗L2的三个滤波电抗的一端分别与三相逆变器2的三相输出桥臂连接，另一端分别与开绕组变压器三相绕组的拆开侧三相端子A2、B2、C2连接。
实施例一和实施例二中三相滤波电容C均为三角形联结，将这两个实施例中的滤波电容C改为星形联结即可分别得到本发明的实施例三和实施例四。
实施例三：
基于实施例一的文字描述及其附图，本发明实施例三公开了又一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器结构，参见图3，其与实施例一的不同之处为三相滤波电容C的联结方式由三角形改为星形，实施例三其余部分描述参见实施例一。
实施例四：
基于实施例二的文字描述及其附图，本发明实施例四公开了又一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器结构，参见图4，其与实施例二的不同之处为三相滤波电容C的联结方式由三角形改为星形，实施例四其余部分描述参见实施例二。
根据图1至图4及以上描述可以发现，本发明实施例一至实施例四在两台逆变器的交流侧之间，仅串有滤波电抗和变压器，无谐波旁路支路，可使得两逆变器输出电压谐波中的同频同相成分充分相互抵消，保留了开绕组变压器式双逆变器拓扑的优势。同时，开绕组变压器漏抗，开绕组变压器一次侧的三相滤波电抗L1、L2或L4，开绕组变压器二次侧的三相滤波电容C和三相滤波电抗L3以及电网等效阻抗Lg，共同构成了双逆变器系统的LCL滤波结构，该LCL滤波器仅对双逆变器系统的合成输出电压谐波进行滤波，该合成输出电压为两逆变器输出电压之差，即两逆变器谐波相消后的输出电压，滤波压力因而较小，所以滤波器所需电感量也会较小；此外，当该输出滤波器的一次侧三相滤波电抗仅选用一组三相滤波电抗L4时，其电感值为选用两组一次侧三相滤波电抗L1、L2时L1与L2的电感值之和，但由于一组滤波电抗仅需要一组磁芯，故可进一步减小滤波器成本与体积。
以两台500kW三相两电平逆变器系统为例，选用系统参数如表1，将本发明的实施例与现有技术在达到并网标准要求下的滤波器电感、电容用量进行比较，具体可参阅表2。
表1实施例与现有技术对比系统参数
表2实施例与现有技术每一相滤波器电感、电容用量对比
由表2可以发现，与现有技术对比，本发明所公开的滤波器可以明显的减少滤波电感用量。
综上所述，相比于现有技术，本发明公开的应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器，与现有方案对比，可以充分利用开绕组变压器式双逆变器的优势特点，并结合LCL滤波拓扑较高的谐波衰减能力，可在满足并网电流标准要求的前提下，明显的减少了滤波器的电感用量，减小了滤波器成本。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器，开绕组变压器的A相绕组设置有一次侧三相端子A1与拆开侧三相端子A2，B相绕组设置有一次侧三相端子B1与拆开侧三相端子B2，C相绕组设置有一次侧三相端子C1与拆开侧三相端子C2；该输出滤波器包括设置在开绕组变压器一次侧的三相逆变器1和三相逆变器2，其特征在于：该输出滤波器还包括设置在开绕组变压器二次侧的三相滤波电抗L3和三相滤波电容C；其中三相滤波电抗L3的一端分别与开绕组变压器三相绕组的二次侧连接，另一端作为滤波器输出与电网连接；三相滤波电容C并接于三相滤波电抗L3与开绕组变压器二次侧的三个连接点U、V、W处；
该输出滤波器还包括至少一组一次侧三相滤波电抗，一组一次侧三相滤波电抗包括三个一次侧滤波电抗，三个一次侧滤波电抗的一端分别与三相逆变器1或三相逆变器2的三相输出桥臂连接，另一端分别与开绕组变压器三相绕组的三个一次侧三相端子或者三个拆开侧三相端子相连接，三个一次侧三相端子即一次侧三相端子A1、一次侧三相端子B1、一次侧三相端子C1，三个拆开侧三相端子即拆开侧三相端子A2、拆开侧三相端子B2、拆开侧三相端子C2；与开绕组变压器每相绕组的两个端子相连接的三相逆变器1和三相逆变器2的输出端是同相输出端。
2.根据权利要求1所述的应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器，其特征在于：该输出滤波器包括两组一次侧三相滤波电抗，其中一组的三个一次侧滤波电抗的一端分别与三相逆变器1的三相输出桥臂连接，另一端分别与开绕组变压器三相绕组的一次侧三相端子A1、一次侧三相端子B1、一次侧三相端子C1连接；另一组的三个一次侧滤波电抗的一端分别与三相逆变器2的三相输出桥臂连接，另一端分别与开绕组变压器三相绕组的拆开侧三相端子A2、拆开侧三相端子B2、拆开侧三相端子C2连接。
3.根据权利要求1至2任一所述的应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器，其特征在于，所述三相滤波电容C为三角形联结。
4.根据权利要求1至2任一所述的应用于开绕组变压器式双逆变器的输出滤波器，其特征在于，所述三相滤波电容C为星形联结。
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