CN107612405A - 一种光伏固态变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光伏固态变压器，其三个星形或三角形接法的相电路，均包括：滤波器、多个H桥模块和多个高压隔离型DC/DC变换器；且其MPPT控制由H桥模块来实现，使高压隔离型DC/DC变换器无需对所连接光伏板MPPT控制和实时调压，因此高压隔离型DC/DC变换器的增益范围能够取较小的值，进而使高压隔离型DC/DC变换器的效率相比现有技术得以进一步提升。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种光伏固态变压器。
背景技术
光伏发电领域中，随着电力电子技术的发展，固态变压器，一种基于功率半导体和电容电感等元器件构建的、至少具备电力变压器隔离和变压功能的装置，正在逐步取代传统电力变压器；而将逆变器和固态变压器整合成一个整体，称为光伏固态变压器，因具有协同效应，其整体效益高于单纯的固态变压器，成为众多学者专家的研究方向。
现有技术中的光伏固态变压器由DC/DC和DC/AC构成，其中，DC/DC一般采用隔离型DC/DC变换器，用于实现所连接光伏板的MPPT控制，DC/AC，其主电路一般采用H桥拓扑，用于控制并网电流和对应直流母线电压恒定。该方案中，由于光伏板MPPT电压受光照、电池板温度等因素的影响而具有较宽的变化范围，隔离型DC/DC变换器实现对所连接光伏板MPPT控制就需要实时调压，而其输出电压由后级H桥控制成恒定值，因此隔离型DC/DC变换器增益需要有较宽的范围，但是，此类隔离型DC/DC变换器的效率难以做高。
发明内容
本发明提供一种光伏固态变压器，以解决现有技术中隔离型DC/DC变换器效率低的问题。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种光伏固态变压器，包括三个星形或三角形接法的相电路，所述相电路包括：滤波器、多个H桥模块和多个高压隔离型DC/DC变换器；其中：
各个所述H桥模块的输出端级联，级联的一端与所述滤波器的输入端相连，级联的另一端作为所述相电路的一个输出端；
所述滤波器的输出端作为所述相电路的另一个输出端；
所述H桥模块的输入端与至少一个所述高压隔离型DC/DC变换器的输出端相连；
所述高压隔离型DC/DC变换器的输入端用于连接光伏系统中的直流电源；
最大功率点跟踪MPPT控制由所述H桥模块实现。
优选的，所述高压隔离型DC/DC变换器中的主电路包括：高频变压器，且所述高频变压器的原副边之间为电压等级大于10kV的中高压隔离。
优选的，所述高压隔离型DC/DC变换器中的主电路为：LC串联谐振变流器、LLC串联谐振变流器、双有源DC/DC变流器及全桥DC/DC变换器中的任意一种。
优选的，所述高压隔离型DC/DC变换器的增益范围大于等于1且小于1.5。
优选的，还包括：系统通信模块、系统检测模块、系统辅助电源及至少一个系统控制器；
所述系统控制器用于实现三个所述相电路的并网控制；
所述系统检测模块用于实现所述光伏固态变压器的电压、电流、温度及电弧检测；
所述系统通信模块用于实现所述系统控制器与三个所述相电路及外界的通信；
所述系统辅助电源用于为所述系统通信模块、所述系统检测模块及所述系统控制器供电。
优选的，所述H桥模块包括：主电路、通信模块、检测模块、辅助电源及至少一个控制器；
所述控制器用于控制所述主电路中的开关管动作，实现MPPT控制；
所述检测模块用于实现所述H桥模块的电压、电流、温度及电弧检测；
所述通信模块用于实现所述控制器与所述系统控制器之间的通信；
所述辅助电源用于为所述通信模块、所述检测模块及所述控制器供电。
优选的，所述高压隔离型DC/DC变换器包括：主电路、通信模块、检测模块、辅助电源及至少一个控制器；
所述控制器用于检测并输出所述高压隔离型DC/DC变换器的状态；
所述检测模块用于实现所述高压隔离型DC/DC变换器的电压、电流、温度及电弧检测；
所述通信模块用于实现所述控制器与所述系统控制器或者所述高压隔离型DC/DC变换器所连接的H桥模块之间的通信；
所述辅助电源用于为所述通信模块、所述检测模块及所述控制器供电。
优选的，所述直流电源为至少一个光伏组件；
各个所述高压隔离型DC/DC变换器的输入端分别与至少一个光伏组件相连；
或者，各个所述高压隔离型DC/DC变换器的输入端并联至至少一个光伏组件。
优选的，所述直流电源为蓄电池或至少一个光伏组件；
各个所述高压隔离型DC/DC变换器中，至少一个所述高压隔离型DC/DC变换器的输入端与蓄电池相连，且至少一个所述高压隔离型DC/DC变换器的输入端与至少一个光伏组件相连。
优选的，所述滤波器为：L滤波器、LC滤波器、LCL滤波器及高阶滤波器中的任意一种。
本发明提供的光伏固态变压器，其三个星形或三角形接法的相电路，均包括：滤波器、多个H桥模块和多个高压隔离型DC/DC变换器；且其MPPT控制由H桥模块来实现，使高压隔离型DC/DC变换器无需对所连接光伏板MPPT控制和实时调压，因此高压隔离型DC/DC变换器的增益范围能够取较小的值，进而使高压隔离型DC/DC变换器的效率相比现有技术得以进一步提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的光伏固态变压器的主电路的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的光伏固态变压器的主电路的另一结构示意图；
图3a是本发明实施例提供的高压隔离型DC/DC变换器中的主电路的电路示意图；
图3b是本发明实施例提供的高压隔离型DC/DC变换器中的主电路的电路示意图；
图3c是本发明实施例提供的高压隔离型DC/DC变换器中的主电路的电路示意图；
图3d是本发明实施例提供的高压隔离型DC/DC变换器中的主电路的电路示意图；
图4a是本发明实施例提供的滤波器中的主电路的电路示意图；
图4b是本发明实施例提供的滤波器中的主电路的电路示意图；
图5是本发明实施例提供的H桥模块中的主电路的电路示意图；
图6是本发明实施例提供的光伏固态变压器的主电路的另一结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供一种光伏固态变压器，以解决现有技术中隔离型DC/DC变换器效率低的问题。
具体的，该光伏固态变压器，包括三个相电路，且三个相电路可以是图1所示的星形接法，也可以是图2所示的三角形接法；参见图1或图2，该相电路包括：滤波器、多个H桥模块和多个高压隔离型DC/DC变换器；其中：
各个H桥模块的输出端级联，级联的一端与滤波器的输入端相连，级联的另一端作为相电路的一个输出端；
滤波器的输出端作为相电路的另一个输出端；
H桥模块的输入端与至少一个高压隔离型DC/DC变换器的输出端相连；
高压隔离型DC/DC变换器的输入端用于连接光伏系统中的直流电源；
MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制由该H桥模块实现。
在具体的实际设计过程中，由于将现有技术中属于DC/DC变换器的MPPT控制功能移交给了相应的H桥模块，使得高压隔离型DC/DC变换器的增益范围，即输出电压同输入电压之比的增益最大值除以输出电压同输入电压之比的增益最小值得到的商，可以设计的较小，具体可以使该高压隔离型DC/DC变换器的增益范围大于等于1且小于1.5，比如将其设计在1.5倍以下，甚至可以将该高压隔离型DC/DC变换器设计成固定增益，作开环控制，因此简化了高压隔离型DC/DC变换器的控制功能，降低了高压隔离型DC/DC变换器的设计难度。
优选的，该高压隔离型DC/DC变换器中的主电路包括：高频变压器，且高频变压器的原副边之间为电压等级大于10kV的中高压隔离，使得该光伏固态变压器能够将所连接的直流电源中的电能并入中高压电网；其原副边之间的电压等级可以根据具体的应用环境进行设定，以适应不同的光伏系统应用；此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。
并且，实际应用中，该高压隔离型DC/DC变换器中的主电路可以为：图3a所示的LC串联谐振变流器、图3b所示的LLC串联谐振变流器、图3c所示的双有源DC/DC变流器及图3d所示的全桥DC/DC变换器中的任意一种；当然，也可视其具体应用环境选择其他形式的拓扑，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。
另外，实际应用中，其滤波器可以为：图1和图2中所示的L滤波器、图4a所示的LC滤波器、图4b所示的LCL滤波器及未进行图示的高阶滤波器中的任意一种；当然，也可视其具体应用环境选择其他形式的拓扑，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。
本实施例提供的该光伏固态变压器，其三个星形或三角形接法的相电路，均包括：滤波器、多个H桥模块和多个高压隔离型DC/DC变换器；且其MPPT控制由H桥模块来实现，使高压隔离型DC/DC变换器无需对所连接光伏板MPPT控制和实时调压，因此高压隔离型DC/DC变换器的增益范围能够取较小的值，进而使高压隔离型DC/DC变换器的效率相比现有技术得以进一步提升。
值得说明的是，为了提高隔离式DC/DC变换器的效率，现有技术中还存在一种方案，在隔离式DC/DC变换器之前再增加一级boost变换器，利用boost变换器做光伏组件的MPPT控制，而隔离式DC/DC变换器作其输入稳压控制。但是boost变换器的应用使得上述拓扑结构变成三级结构，增加了系统控制复杂度，降低了可靠性，在系统效率和成本方面都无优势。
而本实施例提供的该光伏固态变压器，仍然以两级结构完成隔离升压和逆变的功能，系统的控制复杂度和可靠性均无影响，并提高了高压隔离型DC/DC变换器的效率，使得系统整体效率也得以提升，最高将大于98.5％。整个系统方案相比常规系统提升功率密度。
本发明另一实施例还提供了一种具体的光伏固态变压器，在上述实施例及图1至图4b的基础之上，除图1或图2所示的三个相电路组成的主电路之外，还包括：系统通信模块、系统检测模块、系统辅助电源及至少一个系统控制器；
系统控制器用于实现三个相电路的并网控制；
系统检测模块用于实现光伏固态变压器的电压、电流、温度及电弧检测；
系统通信模块用于实现系统控制器与三个相电路及外界的通信；
系统辅助电源用于为系统通信模块、系统检测模块及系统控制器供电。
优选的，该H桥模块包括：主电路(如图5所示)、通信模块、检测模块、辅助电源及至少一个控制器；
控制器用于控制主电路中的开关管动作，实现MPPT控制；
检测模块用于实现H桥模块的电压、电流、温度及电弧检测；
通信模块用于实现控制器与系统控制器之间的通信；
辅助电源用于为通信模块、检测模块及控制器供电。
优选的，该高压隔离型DC/DC变换器包括：主电路(如图3a、3b、3c或3d所示)、通信模块、检测模块、辅助电源及至少一个控制器；
控制器用于检测并输出高压隔离型DC/DC变换器的状态；
检测模块用于实现高压隔离型DC/DC变换器的电压、电流、温度及电弧检测；
通信模块用于实现控制器与系统控制器或者高压隔离型DC/DC变换器所连接的H桥模块之间的通信；
辅助电源用于为通信模块、检测模块及控制器供电。
在具体的实际应用中，该光伏固态变压器的系统控制器、高压隔离型DC/DC变换器中的控制器及H桥模块的控制器均可以为多个，且均可以采用CPU(Central ProcessingUnit，中央处理器)、MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)、DSP(Digital SignalProcessor，数字信号处理器)、ARM处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)以及ASIC(Application Specific Intergrated Circuits，专用集成电路)芯片中的任意一种来实现，视其具体的应用环境而定，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。
上述各个通信模块、检测模块及辅助电源的具体实现形式均可视环境而定，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。
其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明另一实施例还提供了一种具体的光伏固态变压器，其各个高压隔离型DC/DC变换器的输入端与直流电源的具体连接形式可以视环境而定：可以是分别与相应个数的光伏组件相连，比如一个光伏组串，或者多个并联的光伏组串；也可以是各个高压隔离型DC/DC变换器的输入端并联，再与一个或多个光伏组串相连；还可以是一部分高压隔离型DC/DC变换器的输入端与蓄电池相连，其余高压隔离型DC/DC变换器的输入端均与相应个数的光伏组件相连；此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。
也即，在上述实施例及图1至图4b的基础之上，优选的，直流电源为至少一个光伏组件；
各个高压隔离型DC/DC变换器的输入端分别与至少一个光伏组件相连，如图1或图2所示；
或者，各个高压隔离型DC/DC变换器的输入端并联至至少一个光伏组件，如图6(以星形接法为例进行展示)所示。
或者，直流电源为蓄电池或至少一个光伏组件；
各个高压隔离型DC/DC变换器中，至少一个高压隔离型DC/DC变换器的输入端与蓄电池相连，且至少一个高压隔离型DC/DC变换器的输入端与至少一个光伏组件相连。
蓄电池可以作为储能系统，平衡光伏组件的电能输出，其工作原理与现有技术相同，此处不再赘述。
其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种光伏固态变压器，其特征在于，包括三个星形或三角形接法的相电路，所述相电路包括：滤波器、多个H桥模块和多个高压隔离型DC/DC变换器；其中：
各个所述H桥模块的输出端级联，级联的一端与所述滤波器的输入端相连，级联的另一端作为所述相电路的一个输出端；
所述滤波器的输出端作为所述相电路的另一个输出端；
所述H桥模块的输入端与至少一个所述高压隔离型DC/DC变换器的输出端相连；
所述高压隔离型DC/DC变换器的输入端用于连接光伏系统中的直流电源；
最大功率点跟踪MPPT控制由所述H桥模块实现。
2.根据权利要求1所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述高压隔离型DC/DC变换器中的主电路包括：高频变压器，且所述高频变压器的原副边之间为电压等级大于10kV的中高压隔离。
3.根据权利要求1所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述高压隔离型DC/DC变换器中的主电路为：LC串联谐振变流器、LLC串联谐振变流器、双有源DC/DC变流器及全桥DC/DC变换器中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述高压隔离型DC/DC变换器的增益范围大于等于1且小于1.5。
5.根据权利要求1至4任一所述的光伏固态变压器，其特征在于，还包括：系统通信模块、系统检测模块、系统辅助电源及至少一个系统控制器；
所述系统控制器用于实现三个所述相电路的并网控制；
所述系统检测模块用于实现所述光伏固态变压器的电压、电流、温度及电弧检测；
所述系统通信模块用于实现所述系统控制器与三个所述相电路及外界的通信；
所述系统辅助电源用于为所述系统通信模块、所述系统检测模块及所述系统控制器供电。
6.根据权利要求5所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述H桥模块包括：主电路、通信模块、检测模块、辅助电源及至少一个控制器；
所述控制器用于控制所述主电路中的开关管动作，实现MPPT控制；
所述检测模块用于实现所述H桥模块的电压、电流、温度及电弧检测；
所述通信模块用于实现所述控制器与所述系统控制器之间的通信；
所述辅助电源用于为所述通信模块、所述检测模块及所述控制器供电。
7.根据权利要求5所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述高压隔离型DC/DC变换器包括：主电路、通信模块、检测模块、辅助电源及至少一个控制器；
所述控制器用于检测并输出所述高压隔离型DC/DC变换器的状态；
所述检测模块用于实现所述高压隔离型DC/DC变换器的电压、电流、温度及电弧检测；
所述通信模块用于实现所述控制器与所述系统控制器或者所述高压隔离型DC/DC变换器所连接的H桥模块之间的通信；
所述辅助电源用于为所述通信模块、所述检测模块及所述控制器供电。
8.根据权利要求1至4任一所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述直流电源为至少一个光伏组件；
各个所述高压隔离型DC/DC变换器的输入端分别与至少一个光伏组件相连；
或者，各个所述高压隔离型DC/DC变换器的输入端并联至至少一个光伏组件。
9.根据权利要求1至4任一所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述直流电源为蓄电池或至少一个光伏组件；
各个所述高压隔离型DC/DC变换器中，至少一个所述高压隔离型DC/DC变换器的输入端与蓄电池相连，且至少一个所述高压隔离型DC/DC变换器的输入端与至少一个光伏组件相连。
10.根据权利要求1至4任一所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述滤波器为：L滤波器、LC滤波器、LCL滤波器及高阶滤波器中的任意一种。
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