CN108540003B - 一种灵活t型多电平光伏并网逆变器及其调制方法 - Google Patents

一种灵活t型多电平光伏并网逆变器及其调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种灵活T型多电平光伏并网逆变器及其调制方法，逆变器包括电容组串Ⅰ、反串桥臂Ⅰ、正串桥臂Ⅰ、正串桥臂Ⅱ、电容组串Ⅱ、反串桥臂Ⅱ、正串桥臂Ⅲ、正串桥臂Ⅳ、反串桥臂0；该逆变器可调制为级联九电平、级联五电平和并联三电平三种电压工作模态。本发明调制方法中，当光伏阵列输出单元发出较低的功率时，逆变器工作在级联九电平模态，等效开关频率为三角载波频率的4倍，逆变器输出电压的谐波含量低；随着光伏阵列输出功率的增大，逆变器工作在级联五电平模态，等效开关频率为三角载波频率的2倍；当光伏阵列输出的功率接近系统额定值时，逆变器工作在并联三电平模态，处于高频动作的开关个数最少，降低系统的并网损耗。

Description

一种灵活T型多电平光伏并网逆变器及其调制方法
技术领域
本发明于属于电能变换与新能源分布式并网发电领域，具体涉及一种灵活T型多电平光伏并网逆变器及其调制方法。
背景技术
随着能源和环境问题的日益严峻，光伏发电等新能源分布式并网发电技术越来越受到人们的重视，已经成为能源可持续发展战略的重要组成部分。光伏并网发电系统通过逆变器将光伏阵列输出的直流电能转换为交流形式并入公用电网。除了交流输出滤波环节外，逆变器自身的电路拓扑的选择及其对应的调制策略会直接影响并入电网电能的质量，并且逆变器中的开关器件损耗也是降低系统工作效率的直接因素。
现有中小功率等级的并网逆变器多采用三相半桥结构，这种结构形式简单，用到的开关器件少，成本低，易于实现。但是，当光伏阵列输出功率较低时，对应的并网电流幅值也较小，在相同的交流滤波参数下，其并网电能的质量也会随之降低，影响光伏并网发电系统的有效并网工作时长。提升逆变器的开关频率，可以降低其输出电压的谐波含量，进而改善其并网电能的质量，但是功率器件开关频率可以提升的经济范围是有限的，并且高开关频率下逆变器的开关损耗增加，不利于系统工作效率的提高。降低逆变器的开关频率虽然可以降低系统开关损耗，但并网电流的波形质量亦是其可以降低幅度的重要限制因素。
在大、中功率交流传动和分布式并网发电应用领域，逆变器多采用多电平拓扑，主要有级联H桥结构、二极管箝位结构、电容箝位结构等拓扑形式。多电平光伏并网逆变器可以提高系统的等效开关频率，降低交流输出侧电压的du/dt，提升注入电网电流的质量。但是，用到的开关器件多是多电平逆变拓扑的主要缺点之一，使得系统的损耗升高，尤其在并网发电系统工作较高的功率等级时，其损耗问题在逆变器拓扑的选择与设计过程中需要重点考虑。
发明内容
本发明针对传统分布式并网发电系统逆变过程的电能质量低与损耗高的问题，提供了一种灵活T型多电平光伏并网逆变器及其调制方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种灵活T型多电平光伏并网逆变器，包括电容组串Ⅰ、反串桥臂Ⅰ、正串桥臂Ⅰ、正串桥臂Ⅱ、电容组串Ⅱ、反串桥臂Ⅱ、正串桥臂Ⅲ、正串桥臂Ⅳ、反串桥臂0；
所述反串桥臂Ⅰ的一端连接所述电容组串Ⅰ的中心点，另一端与所述正串桥臂Ⅰ的中心点相连构成T型桥臂Ⅰ；
所述T型桥臂Ⅰ与所述正串桥臂Ⅱ、所述电容组串Ⅰ以及光伏阵列输出单元E1并联；
所述反串桥臂Ⅱ的一端连接所述电容组串Ⅱ的中心点，另一端与所述正串桥臂Ⅲ的中心点相连构成T型桥臂Ⅱ；
所述T型桥臂Ⅱ与所述正串桥臂Ⅳ、所述电容组串Ⅱ以及光伏阵列输出单元E2并联；
所述T型桥臂Ⅰ与所述正串桥臂Ⅱ的并联端通过所述反串桥臂0连接到所述T型桥臂Ⅱ与所述正串桥臂Ⅳ的并联端；
所述正串桥臂Ⅱ的中心点与所述T型桥臂Ⅱ的中心点直接相连，所述T型桥臂Ⅰ的中心点和所述正串桥臂Ⅳ的中心点构成该逆变器的交流电压输出端。
基于上述，所述电容组串Ⅰ和所述电容组串Ⅱ均由两组等值电容串联构成；
所述正串桥臂Ⅰ、所述正串桥臂Ⅱ、所述正串桥臂Ⅲ和所述正串桥臂Ⅳ均由两开关管顺向串联构成，每个开关管反向并联一续流二极管；
所述反串桥臂0、所述反串桥臂Ⅰ和所述反串桥臂Ⅱ均由两开关管反向串联构成，每个开关管反向并联一续流二极管。
基于上述，该逆变器的交流电压输出端连接有电抗滤波器L。
一种所述灵活T型多电平光伏并网逆变器的调制方法，所述灵活T型多电平光伏并网逆变器输出的电压工作模态包括级联九电平、级联五电平和并联三电平；
当所述反串桥臂0所包含的开关管均断开时，所述灵活T型多电平光伏并网逆变器工作在级联九电平工作模态；
当所述反串桥臂0、所述反串桥臂Ⅰ、所述反串桥臂Ⅱ所包含的开关管均断开时，所述灵活T型多电平光伏并网逆变器工作在级联五电平工作模态；
当所述正串桥臂Ⅱ的下行开关管、所述正串桥臂Ⅲ的下行开关管以及所述反串桥臂Ⅰ的开关管、所述反串桥臂Ⅱ的开关管均断开，所述正串桥臂Ⅱ的上行开关管、所述正串桥臂Ⅲ的上行开关管以及所述反串桥臂0的开关管保持导通时，所述灵活T型多电平光伏并网逆变器工作在并联三电平工作模态。
基于上述，该灵活T型多电平光伏并网逆变器工作于级联九电平模态时，输入调制波Tref和频率相同的三角载波Tri1-Tri8经过比较逻辑后作为控制各个开关管的驱动信号；其中，三角载波Tri1至Tri4的幅值为0~1，相位依次相差90°，三角载波Tri5至Tri8的幅值为0~-1，相位分别与三角载波Tri1至Tri4的相位相差180°；调制波Tref的幅值在-1~1间变化；
该灵活T型多电平光伏并网逆变器工作于级联五电平模态时，输入调制波Tref和频率相同的三角载波Tri1-Tri4经过比较逻辑后作为控制各个开关管的驱动信号；其中，三角载波Tri1、Tri2的幅值为0~1，相位相差180°；三角载波Tri3、Tri4的幅值为0~-1，相位分别与三角载波Tri1、Tri2的相位相差180°；调制波Tref的幅值在-1~1间变化；
该灵活T型多电平光伏并网逆变器工作于三电平模态时，输入调制波Tref和频率相同的三角载波Tri1和Tri2经过比较逻辑后作为控制各个开关管的驱动信号；三角载波Tri1、Tri2的幅值分别为0~1、-1~0，二者相位相差180°；调制波Tref的幅值在-1~1间变化。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体的，本发明能够兼顾传统分布式并网发电系统逆变过程中的电能质量与损耗问题，当光伏阵列输出单元发出较低的功率时，逆变器工作在级联九电平模态，等效开关频率为三角载波频率的4倍，逆变器输出电压的谐波含量低；随着光伏阵列输出功率的增大，逆变器工作在级联五电平模态，等效开关频率为三角载波频率的2倍；当光伏阵列输出的功率接近系统额定值时，逆变器工作在并联三电平模态，处于高频动作的开关个数最少，降低系统的并网损耗。
附图说明
图1为本发明所述逆变器的拓扑结构框图。
图2为本发明所述逆变器的拓扑结构原理图。
图3为本发明所述逆变器的拓扑结构的级联九电平工作模态。
图4为本发明所述逆变器的拓扑结构的级联五电平工作模态。
图5为本发明所述逆变器的拓扑结构的并联三电平工作模态。
图6为本发明中级联九电平工作模态的调制方法原理图。
图7为本发明中级联五电平工作模态的调制方法原理图。
图8为本发明中并联三电平工作模态的调制方法原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1和图2所示，一种灵活T型多电平光伏并网逆变器，包括电容组串Ⅰ、反串桥臂Ⅰ、正串桥臂Ⅰ、正串桥臂Ⅱ、电容组串Ⅱ、反串桥臂Ⅱ、正串桥臂Ⅲ、正串桥臂Ⅳ、反串桥臂0。
具体的，所述电容组串Ⅰ两组等值电容C21和C22串联构成，与光伏阵列输出单元E1并联；所述正串桥臂Ⅰ由开关管S11和开关管S14顺向串联构成，所述开关管S11和所述开关管S14分别反向并联续流二极管；所述正串桥臂Ⅱ由开关管S13和开关管S12顺向串联构成，所述开关管S13和所述开关管S12分别反向并联续流二极管；所述反串桥臂Ⅰ由开关管S15和开关管S16反向串联构成，所述开关管S15和所述开关管S16分别反向并联续流二极管；所述电容组串Ⅱ由两组等值电容C21和C22串联构成，与光伏阵列输出单元E2并联；所述正串桥臂Ⅲ由开关管S21和开关管S24顺向串联构成，所述开关管S21和所述开关管S24分别反向并联续流二极管；所述正串桥臂Ⅳ由开关管S23和开关管S22顺向串联构成，所述开关管S23和所述开关管S22分别反向并联续流二极管；所述反串桥臂Ⅱ由开关管S25和开关管S26反向串联构成，所述开关管S25和所述开关管S26分别反并续流二极管；所述反串桥臂0由开关管S01和开关管S02反向串联构成，所述开关管S01和所述开关管S02并分别反并续流二极管。
所述反串桥臂Ⅰ的S15端连接所述电容组串Ⅰ的中心点，S16端与所述正串桥臂Ⅰ的中心点相连构成T型桥臂Ⅰ；所述T型桥臂Ⅰ与所述正串桥臂Ⅱ、所述电容组串Ⅰ以及光伏阵列输出单元E1并联；所述反串桥臂Ⅱ的S25端连接所述电容组串Ⅱ的中心点，S26端与所述正串桥臂Ⅲ的中心点相连构成T型桥臂Ⅱ；所述T型桥臂Ⅱ与所述正串桥臂Ⅳ、所述电容组串Ⅱ以及光伏阵列输出单元E2并联；所述T型桥臂Ⅰ与所述正串桥臂Ⅱ的并联端S14、S12端通过所述反串桥臂0连接到所述T型桥臂Ⅱ与所述正串桥臂Ⅳ的并联端S24、S22端；所述正串桥臂Ⅱ的中心点与所述T型桥臂Ⅱ的中心点直接相连，所述T型桥臂Ⅰ的中心点和所述正串桥臂Ⅳ的中心点构成该逆变器的交流电压输出端，交流电压输出端通过电抗滤波器L连接到电网上。
如图3-8所示，所述灵活T型多电平光伏并网逆变器的调制方法，所述灵活T型多电平光伏并网逆变器输出三种电压工作模态包括级联九电平、级联五电平和并联三电平。
级联九电平工作模态
当所述反串桥臂0所包含的开关管均断开时，所述灵活T型多电平光伏并网逆变器工作在级联九电平工作模态。
输入调制波Tref和频率相同的三角载波Tri1-Tri8经过比较逻辑后作为控制各个开关管的驱动信号；其中，三角载波Tri1至Tri4的幅值为0~1，相位依次相差90°，三角载波Tri5至Tri8的幅值为0~-1，相位分别与三角载波Tri1至Tri4的相位相差180°；调制波Tref的幅值在-1~1间变化。
当光伏阵列输出单元发出较低的功率时，调制逆变器工作于级联九电平模态，逆变器的等效开关频率为三角载波频率的4倍，逆变器输出电压谐波含量低。
级联五电平工作模态
当所述反串桥臂0、所述反串桥臂Ⅰ、所述反串桥臂Ⅱ所包含的开关管均断开时，所述灵活T型多电平光伏并网逆变器工作在级联五电平工作模态；
输入调制波Tref和频率相同的三角载波Tri1-Tri4经过比较逻辑后作为控制各个开关管的驱动信号；其中，三角载波Tri1、Tri2的幅值为0~1，相位相差180°；三角载波Tri3、Tri4的幅值为0~-1，相位分别与三角载波Tri1、Tri2的相位相差180°；调制波Tref的幅值在-1~1间变化。
随着光伏阵列输出功率的增大，调制逆变器工作于级联五电平模态，逆变器的等效开关频率为三角载波频率2倍。
并联三电平工作模态
当所述正串桥臂Ⅱ的下行开关管、所述正串桥臂Ⅲ的下行开关管以及所述反串桥臂Ⅰ的开关管、所述反串桥臂Ⅱ的开关管均断开，所述正串桥臂Ⅱ的上行开关管、所述正串桥臂Ⅲ的上行开关管以及所述反串桥臂0的开关管保持导通时，所述灵活T型多电平光伏并网逆变器工作在并联三电平工作模态；
输入调制波Tref和频率相同的三角载波Tri1和Tri2经过比较逻辑后作为控制各个开关管的驱动信号；三角载波Tri1、Tri2的幅值分别为0~1、-1~0，二者相位相差180°；调制波Tref的幅值在-1~1间变化。
当光伏阵列输出的功率接近系统额定值时，调制逆变器工作于三电平模态，逆变器的开关频率与三角载波频率相同，此时处于高频状态的开关个数最少，逆变过程的损耗小，降低了系统的并网损耗。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种灵活T型多电平光伏并网逆变器的调制方法，其特征在于：
所述灵活T型多电平光伏并网逆变器包括电容组串Ⅰ、反串桥臂Ⅰ、正串桥臂Ⅰ、正串桥臂Ⅱ、电容组串Ⅱ、反串桥臂Ⅱ、正串桥臂Ⅲ、正串桥臂Ⅳ、反串桥臂0；
所述反串桥臂Ⅰ的一端连接所述电容组串Ⅰ的中心点，另一端与所述正串桥臂Ⅰ的中心点相连构成T型桥臂Ⅰ；
所述T型桥臂Ⅰ与所述正串桥臂Ⅱ、所述电容组串Ⅰ以及光伏阵列输出单元E1并联；
所述反串桥臂Ⅱ的一端连接所述电容组串Ⅱ的中心点，另一端与所述正串桥臂Ⅲ的中心点相连构成T型桥臂Ⅱ；
所述T型桥臂Ⅱ与所述正串桥臂Ⅳ、所述电容组串Ⅱ以及光伏阵列输出单元E2并联；
所述T型桥臂Ⅰ与所述正串桥臂Ⅱ的并联端通过所述反串桥臂0连接到所述T型桥臂Ⅱ与所述正串桥臂Ⅳ的并联端；
所述正串桥臂Ⅱ的中心点与所述T型桥臂Ⅱ的中心点直接相连，所述T型桥臂Ⅰ的中心点和所述正串桥臂Ⅳ的中心点构成该逆变器的交流电压输出端；
所述电容组串Ⅰ和所述电容组串Ⅱ均由两组等值电容串联构成；
所述正串桥臂Ⅰ、所述正串桥臂Ⅱ、所述正串桥臂Ⅲ和所述正串桥臂Ⅳ均由两开关管顺向串联构成，每个开关管反向并联一续流二极管；
所述反串桥臂0、所述反串桥臂Ⅰ和所述反串桥臂Ⅱ均由两开关管反向串联构成，每个开关管反向并联一续流二极管；
该逆变器的交流电压输出端连接有电抗滤波器L；
所述灵活T型多电平光伏并网逆变器输出的电压工作模态包括级联九电平、级联五电平和并联三电平；
当所述反串桥臂0所包含的开关管均断开时，所述灵活T型多电平光伏并网逆变器工作在级联九电平工作模态；
当所述反串桥臂0、所述反串桥臂Ⅰ、所述反串桥臂Ⅱ所包含的开关管均断开时，所述灵活T型多电平光伏并网逆变器工作在级联五电平工作模态；
当所述正串桥臂Ⅱ的下行开关管、所述正串桥臂Ⅲ的下行开关管以及所述反串桥臂Ⅰ的开关管、所述反串桥臂Ⅱ的开关管均断开，所述正串桥臂Ⅱ的上行开关管、所述正串桥臂Ⅲ的上行开关管以及所述反串桥臂0的开关管保持导通时，所述灵活T型多电平光伏并网逆变器工作在并联三电平工作模态；
该灵活T型多电平光伏并网逆变器工作于级联九电平模态时，输入调制波Tref和频率相同的三角载波Tri1-Tri8经过比较逻辑后作为控制各个开关管的驱动信号；其中，三角载波Tri1至Tri4的幅值为0~1，相位依次相差90°，三角载波Tri5至Tri8的幅值为0~-1，相位分别与三角载波Tri1至Tri4的相位相差180°；调制波Tref的幅值在-1~1间变化；当光伏阵列输出单元发出较低的功率时，调制逆变器工作于级联九电平模态；
该灵活T型多电平光伏并网逆变器工作于级联五电平模态时，输入调制波Tref和频率相同的三角载波Tri1-Tri4经过比较逻辑后作为控制各个开关管的驱动信号；其中，三角载波Tri1、Tri2的幅值为0~1，相位相差180°；三角载波Tri3、Tri4的幅值为0~-1，相位分别与三角载波Tri1、Tri2的相位相差180°；调制波Tref的幅值在-1~1间变化；当光伏阵列输出功率增大，调制逆变器工作于级联五电平模态；
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