CN108111035A - 一种光伏固态变压器、光伏逆变系统以及双向高压变流器 - Google Patents

一种光伏固态变压器、光伏逆变系统以及双向高压变流器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种光伏固态变压器、光伏逆变系统以及双向高压变流器，其中，光伏固态变压器包括：多个单相模块以及滤波器，其中，单相模块包括多个多输出隔离型DC/DC变换器以及多个级联DC/AC模块。多输出隔离型DC/DC变换器包括DC/AC模块、高频变压器以及AC/DC模块。具体的，级联DC/AC模块的输入端与至少一个AC/DC模块的输出端相连，多个级联DC/AC模块的输出端级联，且多个单相模块与滤波器通过星形接法或三角形接法并网。可见，本发明实施例提供的光伏固态变压器采用DC/DC变换器以及级联DC/AC模块，二者均为简单的逻辑开关，其体积降低，且二者的转换效率均高于99％，因此，系统的工作效率高于98.5％，提高了固态变压器的整体效率。

Description

一种光伏固态变压器、光伏逆变系统以及双向高压变流器
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种光伏固态变压器、光伏逆变系统以及双向高压变流器。
背景技术
通常，常规的光伏发电逆变系统中，光伏组件串联到1000V或是1500V后，接组串式逆变器或是集中式逆变器，其中，逆变器输出几百伏交流电压(如三相315V、360V、400V、550V等)，并与电力升压变压器相连，该电力升压变换器输出10KV、22KV、35KV、110KV后并入电网。
在实际光伏发电站中，逆变器和电力升压变压器通常采购自不同厂家。在现场，两者之间有一定距离，需用电缆现场连接。由于连接电缆的使用，一方面带来了因施工不规范、电缆接头质量问题等导致的接头故障隐患，另一方面带来了一定的功率损耗和成本的增加。
将逆变器与电力升压变压器进行集成，成为当前光伏发电逆变系统的一个发展趋势，然而，电力升压变压器工作于工频，需要大量的铜和铁等材料构成，体积较大。除此，还存在空载损耗较高，直流偏置，铁芯饱和时产生谐波，投入电网时产生励磁涌流，原副边谐波和故障互相传递关联等缺点。
除此，另一方面，采用固态变压器取代逆变器与电力升压变压器集成的结构，其中，固态变压器是基于功率半导体和电容电感等元件构成，包括AC/DC、隔离式DC/DC和DC/AC三级，但该结构的系统效率较低(假设每一级的效率为99％，那么三级的系统效率低于97％)。
综上，如何提供一种光伏固态变压器，使得提高整体效率的同时降低系统的体积，是本领域技术人员亟待解决的一大技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种光伏固态变压器，采用DC/DC变换器以及级联DC/AC模块，体积降低，且由于DC/DC变换器效率高于99％，级联DC/AC模块效率高于99.5％，因此，系统的工作效率高于98.5％，提高了固态变压器的整体效率。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种光伏固态变压器，包括：多个单相模块以及滤波器，所述单相模块包括多个多输出隔离型DC/DC变换器以及多个级联DC/AC模块；
所述多输出隔离型DC/DC变换器包括DC/AC模块、高频变压器以及AC/DC模块；
所述级联DC/AC模块的输入端与至少一个所述AC/DC模块的输出端相连；
多个所述级联DC/AC模块的输出端级联，且级联后的第一输出端作为所述单相模块的第一输出端，级联后的第二输出端作为所述单相模块的第二输出端；
所述单相模块的第一输出端与所述滤波器的输入端相连，多个所述单相模块的第二输出端相连或所述单相模块的第二输出端与所述滤波器的输出端相连。
可选的，所述高频变压器为隔离电压等级大于等于10KV的变压器。
可选的，所述滤波器包括：L滤波器、LC滤波器、LCL滤波器以及高阶滤波器。
可选的，所述DC/AC模块包括：全桥DC/DC变流器、半桥DC/DC变流器、LC谐振DC/DC变流器、LLC谐振DC/DC变流器以及双有源DC/DC变流器。
可选的，所述AC/DC模块包括：全桥整流AC/DC模块、全桥整流滤波AC/DC模块、双有源AC/DC模块以及C-LLC AC/DC模块。
可选的，所述级联DC/AC模块包括：H桥式DC/AC模块以及滤波器式级联DC/AC模块。
可选的，还包括：
控制器，与所述级联DC/AC模块相连，用于控制所述级联DC/AC模块进行信号级联；
通信模块，与所述控制器相连，用于将所述控制器的输出信号传输至预设后台服务器；
电源，与所述控制器相连，用于对所述光伏固态变压器供电。
可选的，所述多输出隔离型DC/DC变换器中的部分所述DC/AC模块的输入端与外接蓄电池或光伏组件相连。
可选的，还包括：MPPT模块，所述MPPT模块与所述光伏固态变压器的输入端相连。
一种光伏逆变系统，包括任意一项上述的光伏固态变压器以及至少一路光伏组串与MPPT模块串联的支路；
所述光伏组串包括多个光伏组件，至少两个所述MPPT模块并联后与所述光伏固态变压器的直流输入端相连。
一种双向高压变流器，包括：多个单相模块以及滤波器，所述单相模块包括多个多端口双向隔离型DC/DC变换器以及多个级联双向DC/AC模块；
所述多端口双向隔离型DC/DC变换器包括双向DC/AC模块、高频变压器以及双向AC/DC模块；
所述级联双向DC/AC模块的直流端与至少一个所述双向AC/DC模块的直流端相连；
多个所述级联双向DC/AC模块的交流端级联，且级联后的第一交流端作为所述单相模块的第一交流端，级联后的第二交流端作为所述单相模块的第二交流端；
所述单相模块的第一交流端与所述滤波器的一端相连，多个所述单相模块的第二交流端相连或所述单相模块的第二交流端与所述滤波器的另一端相连。
基于上述技术方案，本发明实施例提供了一种光伏固态变压器，包括：多个单相模块以及滤波器，其中，单相模块包括多个多输出隔离型DC/DC变换器以及多个级联DC/AC模块。多输出隔离型DC/DC变换器包括DC/AC模块、高频变压器以及AC/DC模块。具体的，级联DC/AC模块的输入端与至少一个AC/DC模块的输出端相连，多个级联DC/AC模块的输出端级联，且级联后的第一输出端作为所述单相模块的第一输出端，级联后的第二输出端作为所述单相模块的第二输出端。单相模块的第一输出端与所述滤波器的输入端相连，多个所述单相模块的第二输出端相连或所述单相模块的第二输出端与所述滤波器的输出端相连。可见，本发明实施例提供的光伏固态变压器采用DC/DC变换器以及级联DC/AC模块，二者均为简单的逻辑开关，其体积降低，且由于DC/DC变换器效率高于99％，级联DC/AC模块效率高于99.5％，因此，系统的工作效率高于98.5％，提高了固态变压器的整体效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中固态变压器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种光伏固态变压器的结构示意图；
图4a为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器中DC/AC模块的结构示意图；
图4b为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器中DC/AC模块的又一结构示意图；
图4c为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器中DC/AC模块的又一结构示意图；
图4d为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器中DC/AC模块的又一结构示意图；
图4e为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器中DC/AC模块的又一结构示意图；
图5a为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器中AC/DC模块的结构示意图；
图5b为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器中AC/DC模块的又一结构示意图；
图5c为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器中AC/DC模块的又一结构示意图；
图5d为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器中AC/DC模块的又一结构示意图；
图5e为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器中AC/DC模块的又一结构示意图；
图6a为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器中级联DC/AC模块的结构示意图；
图6b为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器中级联DC/AC模块的又一结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种光伏逆变系统的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，将逆变器与电力升压变压器集成为一体的设备的体积较大。并且还存在空载损耗较高，直流偏置，铁芯饱和时产生谐波，投入电网时产生励磁涌流，原副边谐波和故障互相传递关联等缺点，因此固态变压器得到了快速的发展。
通常，如图1所示，固态变压器包括AC/DC、隔离式DC/DC和DC/AC三个组成部分，而其中每一部分的能效约为99％，三部分结合后的系统能效约为97％。可见，固态变压器的能效较低，因此，发明人考虑到光伏逆变系统中具有逆变器，因此可以将逆变器和固态变压器进行组合，提高整体系统的能效。
请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种光伏固态变压器的结构示意图，该光伏固态变压器包括：多个单相模块(图中A、B、C)以及滤波器。其中，所述单相模块包括多个多输出隔离型DC/DC变换器以及多个级联DC/AC模块。所述多输出隔离型DC/DC变换器包括DC/AC模块、高频变压器以及AC/DC模块。
具体的，每个多输出隔离型DC/DC变换器以及多个级联DC/AC模块如图中模块101所示，其中，所述级联DC/AC模块的输入端与至少一个所述AC/DC模块的输出端相连。多个所述级联DC/AC模块的输出端级联，且级联后的第一输出端作为模块101的第一输出端，级联后的第二输出端作为模块101的第二输出端。然后多个模块101级联后形成一个单相模块，且所述单相模块的第一输出端与所述滤波器的输入端相连，多个所述单相模块的第二输出端相连或所述单相模块的第二输出端与所述滤波器的输出端相连。
可见，本发明实施例提供的光伏固态变压器采用DC/DC变换器以及级联DC/AC模块，二者均为简单的逻辑开关，其体积降低，且由于DC/DC变换器效率高于99％，级联DC/AC模块效率高于99.5％，因此，系统的工作效率高于98.5％，提高了固态变压器的整体效率。
具体的，如图2所示，三个单相模块与逆变器采用星形接法并网，其中，每个单相模块具有第一输出端以及第二输出端，第一输出端为第一个级联DC/AC模块的一个输出端，该第一个级联DC/AC模块的第二个输出端与下一个级联DC/AC模块的第一个输出端相连，依次级联后，最后一个级联DC/AC模块的第二个输出端作为该单相模块的第二输出端。
然后三个单相模块的第二输出端均相连，且三个单相模块的第一输出端分别与滤波器相连，通过滤波器进行并网。
除此，本实施例还提供了一种光伏固态变压器中多个单相结构的具体连接关系，如图3所示。需要说明的是，该光伏固态变压器的结构和上述实施例相同，如该光伏固态变压器包括：多个单相模块(图中A、B、C)以及滤波器。其中，所述单相模块包括多个多输出隔离型DC/DC变换器以及多个级联DC/AC模块。所述多输出隔离型DC/DC变换器包括DC/AC模块、高频变压器以及AC/DC模块。
具体的，所述级联DC/AC模块的输入端与至少一个所述AC/DC模块的输出端相连。多个所述级联DC/AC模块的输出端级联，且级联后的第一输出端作为所述单相模块的第一输出端，级联后的第二输出端作为所述单相模块的第二输出端。所述单相模块的第一输出端与所述滤波器的输入端相连，多个所述单相模块的第二输出端相连或所述单相模块的第二输出端与所述滤波器的输出端相连。
然而，与图2不同之处在于，图3中的三个单相模块与逆变器采用三角形接法并网，其中，每个单相模块具有第一输出端以及第二输出端，第一输出端为第一个级联DC/AC模块的一个输出端，该第一个级联DC/AC模块的第二个输出端与下一个级联DC/AC模块的第一个输出端相连，依次级联后，最后一个级联DC/AC模块的第二个输出端作为该单相模块的第二输出端。
然后三个单相模块的第一输出端分别与滤波器的输入端相连，三个单相模块的第二输出端分别连接在滤波器的输出端上，然后进行并网。
具体的，本发明实施例提供的光伏固态变压器均采用DC/DC变换器以及级联DC/AC模块的方式，其中，DC/DC变换器起到隔离的作用，且，DC/DC变换器为简单的软开关结构，其能效能达到99％以上，相比于传统的A/A工频变压器，效率有所提升。
除此，DC/AC模块为级联式的级联DC/AC模块，其开关频率较低，使得其开关损耗要低于传统的逆变器的开关损耗，且，级联的DC/AC模块的输出电流较小，使得开关的导通耗损也较小，其效率达到99.5％。当DC/DC变换器以及级联DC/AC模块组合后，其系统的效率达到98.5％以上，相比于传统的固态变压器，提高了整体的效率。
又由于变换器的频率越高，其体积会越小，通常，传统的逆变方案中，隔离变压器频率为50-60Hz，而本发明实施例提供的固态变压器的频率为几kHz至几十kHz，因此使得该光伏固态变压器的体积减小。
在上述实施例的基础上，本实施例提供的光伏固态变压器中还提出了几种优选的高频变压器以及滤波器的具体结构，例如，所述高频变压器可以为原副边为中高压隔离的变压器，具体可以为隔离电压等级大于等于10KV的变压器。滤波器可以为L滤波器、LC滤波器、LCL滤波器以及高阶滤波器等。
具体的，如图4a-图4e所示，本实施例提供的光伏固态变压器中，所述DC/AC模块可以为全桥DC/DC变流器、半桥DC/DC变流器、LC谐振DC/DC变流器、LLC谐振DC/DC变流器以及双有源DC/DC变流器。
除此，本实施例提供的光伏固态变压器中，所述AC/DC模块还可以有多种呈现方式，如图5a-5e所示，该AC/DC模块包括：全桥整流AC/DC模块、全桥整流滤波AC/DC模块、双有源AC/DC模块以及C-LLC AC/DC模块。
进一步的，本实施例提供给的光伏固态变压器中，如图6a-图6b所示，所述级联DC/AC模块还可以为H桥式DC/AC模块以及滤波器式级联DC/AC模块。
在上述实施例的基础上，本实施例提供的光伏固态变压器，还可以包括：控制器、通信模块以及电源。
其中，控制器与所述级联DC/AC模块相连，用于控制所述级联DC/AC模块进行信号级联。
通信模块与所述控制器相连，用于将所述控制器的输出信号传输至预设后台服务器。
电源与所述控制器相连，用于对所述光伏固态变压器供电。
除此，本光伏固态变压器还可以包括检测电压电流温度的检测模块等，其中，控制器可以为CPU、MCU、DSP、ARM、FPGA、CPLD、ASIC等芯片。
除此，本实施例提供的光伏固态变压器还可以采用级联DC/AC模块或DC/DC变换器中包含控制器的方式，例如，级联D/A模块包含至少一个控制器、通信功能模块、电压电流温度检测功能模块、辅助电源等，其中所述系统控制器物理实现方式包括但不限于CPU、MCU、DSP、ARM、FPGA、CPLD、ASIC芯片等，所述级联DC/AC模块控制器实现对级联DC/AC模块的控制，所述通信功能模块实现同系统控制器之间的通信，所述电压电流温度检测功能模块实现所述H桥模块输入电压、电流及温度检测等。
又如，高压隔离型DC/DC变换器包含至少一个控制器、通信功能模块、电压电流温度检测功能模块、辅助电源等，其中所述系统控制器物理实现方式包括但不限于CPU、MCU、DSP、ARM、FPGA、CPLD、ASIC芯片等，所述控制器主要实现同对应连接DC/AC模块控制或系统控制器进行通信，汇报检测获得的高压隔离型DC/DC变换器的状态。
除此，本实施例提供的光伏固态变压器中，所述多输出隔离型DC/DC变换器中的部分所述DC/AC模块的输入端与外接蓄电池或光伏组件相连。
需要说明的是，在本实施例中，光伏固态变压器还可以包括：MPPT模块，所述MPPT模块与所述光伏固态变压器的输入端相连，用于实现MPPT功能。可见，本实施例提供的光伏固态变压器可以包含MPPT模块，也可以不包含该MPPT模块。
在上述实施例的基础上，如图7所示，本实施例还提供了一种光伏逆变系统的结构示意图，该光伏逆变系统包括任意一项上述的光伏固态变压器以及至少一路光伏组串与MPPT模块串联的支路。
其中，所述光伏组串包括多个光伏组件，至少两个所述MPPT模块并联后与所述光伏固态变压器的直流输入端相连。
该光伏固态变压器系统的工作原理与上述光伏固态变压器的原理相同，并且，在本实施例中，MPPT模块可以全部进行并联，或者部分进行并联，并联后的支路连接在光伏固态变压器的输入端即可。
需要说明的是，当光伏逆变系统中包括MPPT模块时，此时，光伏固态变压器优先选用不具有MPPT功能的变压器，当然，光伏固态变压器也可以为具有MPPT功能的变压器。
除此，在本实施例中，单相模块中的多输出隔离型DC/DC变换器以及级联DC/AC模块均可以为双向的器件。具体的，本实施例提供了一种双向高压变流器，包括：多个单相模块以及滤波器，所述单相模块包括多个多端口双向隔离型DC/DC变换器以及多个级联双向DC/AC模块；
所述多端口双向隔离型DC/DC变换器包括双向DC/AC模块、高频变压器以及双向AC/DC模块；
所述级联双向DC/AC模块的直流端与至少一个所述双向AC/DC模块的直流端相连；
多个所述级联双向DC/AC模块的交流端级联，且级联后的第一交流端作为所述单相模块的第一交流端，级联后的第二交流端作为所述单相模块的第二交流端；
所述单相模块的第一交流端与所述滤波器的一端相连，多个所述单相模块的第二交流端相连或所述单相模块的第二交流端与所述滤波器的另一端相连。
其工作原理请参见上述实施例，在此不进行重复叙述。
综上所示，本发明实施例提供了一种光伏固态变压器，包括：多个单相模块以及滤波器，其中，单相模块包括多个多输出隔离型DC/DC变换器以及多个级联DC/AC模块。多输出隔离型DC/DC变换器包括DC/AC模块、高频变压器以及AC/DC模块。具体的，级联DC/AC模块的输入端与至少一个AC/DC模块的输出端相连，多个级联DC/AC模块的输出端级联，且级联后的第一输出端作为所述单相模块的第一输出端，级联后的第二输出端作为所述单相模块的第二输出端。单相模块的第一输出端与所述滤波器的输入端相连，多个所述单相模块的第二输出端相连或所述单相模块的第二输出端与所述滤波器的输出端相连。可见，本发明实施例提供的光伏固态变压器采用DC/DC变换器以及级联DC/AC模块，二者均为简单的逻辑开关，其体积降低，且由于DC/DC变换器效率高于99％，级联DC/AC模块效率高于99.5％，，因此，系统的工作效率高于98.5％，提高了固态变压器的整体效率。
本说明书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。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
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或使用本发明。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的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种光伏固态变压器，其特征在于，包括：多个单相模块以及滤波器，所述单相模块包括多个多输出隔离型DC/DC变换器以及多个级联DC/AC模块；
所述多输出隔离型DC/DC变换器包括DC/AC模块、高频变压器以及AC/DC模块；
所述级联DC/AC模块的输入端与至少一个所述AC/DC模块的输出端相连；
多个所述级联DC/AC模块的输出端级联，且级联后的第一输出端作为所述单相模块的第一输出端，级联后的第二输出端作为所述单相模块的第二输出端；
所述单相模块的第一输出端与所述滤波器的输入端相连，多个所述单相模块的第二输出端相连或所述单相模块的第二输出端与所述滤波器的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述高频变压器为隔离电压等级大于等于10KV的变压器。
3.根据权利要求1所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述滤波器包括：L滤波器、LC滤波器、LCL滤波器以及高阶滤波器。
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DC/AC模块包括：全桥DC/DC变流器、半桥DC/DC变流器、LC谐振DC/DC变流器、LLC谐振DC/DC变流器以及双有源DC/DC变流器。
5.根据权利要求1所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述AC/DC模块包括：全桥整流AC/DC模块、全桥整流滤波AC/DC模块、双有源AC/DC模块以及C-LLC AC/DC模块。
6.根据权利要求1所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述级联DC/AC模块包括：H桥式DC/AC模块以及滤波器式级联DC/AC模块。
7.根据权利要求1所述的光伏固态变压器，其特征在于，还包括：
控制器，与所述级联DC/AC模块相连，用于控制所述级联DC/AC模块进行信号级联；
通信模块，与所述控制器相连，用于将所述控制器的输出信号传输至预设后台服务器；
电源，与所述控制器相连，用于对所述光伏固态变压器供电。
8.根据权利要求1所述的光伏固态变压器，其特征在于，所述多输出隔离型DC/DC变换器中的部分所述DC/AC模块的输入端与外接蓄电池或光伏组件相连。
9.根据权利要求1所述的光伏固态变压器，其特征在于，还包括：MPPT模块，所述MPPT模块与所述光伏固态变压器的输入端相连。
10.一种光伏逆变系统，其特征在于，包括如权利要求1-9中任意一项所述的光伏固态变压器以及至少一路光伏组串与MPPT模块串联的支路；
所述光伏组串包括多个光伏组件，至少两个所述MPPT模块并联后与所述光伏固态变压器的直流输入端相连。
11.一种双向高压变流器，其特征在于，包括：多个单相模块以及滤波器，所述单相模块包括多个多端口双向隔离型DC/DC变换器以及多个级联双向DC/AC模块；
所述多端口双向隔离型DC/DC变换器包括双向DC/AC模块、高频变压器以及双向AC/DC模块；
所述级联双向DC/AC模块的直流端与至少一个所述双向AC/DC模块的直流端相连；
多个所述级联双向DC/AC模块的交流端级联，且级联后的第一交流端作为所述单相模块的第一交流端，级联后的第二交流端作为所述单相模块的第二交流端；
所述单相模块的第一交流端与所述滤波器的一端相连，多个所述单相模块的第二交流端相连或所述单相模块的第二交流端与所述滤波器的另一端相连。
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