CN109888836A - 一种基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，涉及光伏逆变器技术领域，包括前端boost电路、由三芯柱高频变压器、直流储能电容、三个全控H桥式电路组成的中端隔离级以及由三相全控桥式逆变电路和LCL低通滤波器组成的后端逆变级；前端boost电路通过全控H桥式电路与三芯柱高频变压器连接，三芯柱高频变压器通过并联有直流储能电容的全控H桥式电路与三相全控桥式逆变电路连接，三相全控桥式逆变电路通过LCL低通滤波器与电网或负载连接，从而实现联合供电，延长负载工作时间，提高控制精度；另外，通过控制三芯柱高频变压器的三个芯柱端口处的电压相位，使之产生相位差，以实现能量在各端口之间的解耦流动。
Description
技术领域
本发明涉及光伏逆变器技术领域，特别是涉及一种基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构。
背景技术
由于每天太阳光的光照强度不同，导致光伏阵列的输出功率也随之变化。由于现有的光伏逆变器大多是由光伏阵列单独供电，因此，负载的正常工作时间受光伏阵列的输出影响很大。现有光伏逆变器拓扑结构领域的研究较多，各有特色，但由于自身的结构特点，无法实现联合供电，即无法联合除电网之外的其他设备为负载供电。此种情况不利于延长负载的正常工作时间。
现有的能量流动领域的研究很多，也在一定程度上实现了储能的功能，但对于能量解耦流动的控制效果无法达到理想标准。
集中式逆变器主要应用于大功率场合，但存在以下缺点：拓展和冗余能力差，串联阻断二极管使系统损耗增加，在PV侧和逆变器之间存在高压直流电缆，损耗大，并网侧采用工频调制的晶闸管，引入谐波电流，影响电能质量。微型逆变器虽有效的解决了上述的某些问题，但微型逆变器适用于小功率场合。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，可应用于大功率场合，且全控桥的使用可提高整体系统的控制精度，三芯柱高频变压器的使用为实现光伏与储能的结合提供硬件基础，有利于实现联合供电，延长负载的正常工作时间，提高光伏系统的经济性。另外，本发明所提出的光伏逆变器拓扑结构为实现能量解耦流动提供了硬件基础，同时采用移相控制策略实现功率流解耦控制，提高系统整体性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，包括前端boost电路、中端隔离级和后端逆变级；
所述中端隔离级包括三芯柱高频变压器、直流储能电容和三个全控H桥式电路；所述后端逆变级包括三相全控桥式逆变电路和LCL低通滤波器；三个所述全控H桥式电路分别为第一全控H桥式电路、第二全控H桥式电路、第三全控H桥式电路；
太阳光经过转换后得到的直流电通过所述前端boost电路进入所述光伏逆变器拓扑结构；所述前端boost电路的输出端与所述第一全控H桥式电路的输入端连接，所述第一全控H桥式电路的输出端与所述三芯柱高频变压器的第一芯柱连接，所述三芯柱高频变压器的第二芯柱与所述第二全控H桥式电路的输入端连接，所述三芯柱高频变压器的第三芯柱与所述第三全控H桥式电路的输入端连接，所述第二全控H桥式电路的输出端与所述三相全控桥式逆变电路的输入端连接，所述三相全控桥式逆变电路的输出端与所述LCL低通滤波器的输入端连接，所述LCL低通滤波器的输出端与电网或者负载连接；其中，在所述第二全控H桥式电路的输出侧并联有所述直流储能电容；
通过控制所述三芯柱高频变压器的三个芯柱端口处的电压相位，产生相位差，以实现能量在各芯柱端口之间的解耦流动。
可选的，所述前端boost电路的输入端与用于光电转换的外界光伏阵列连接；其中，太阳光经过所述光伏阵列后转换成直流电。
可选的，在所述光伏阵列与所述前端boost电路之间设有直流稳压电容，且所述直流稳压电容并联在所述光伏阵列的输出侧，为所述前端boost电路提供稳定的直流电。
可选的，所述光伏逆变器拓扑结构还包括与所述第三全控H桥式电路的输出端连接的蓄电池；所述蓄电池用于存储多余的电能。
可选的，三个所述全控H桥式电路均由四个高压大功率开关器件构成，以实现电能转换功能。
可选的，所述三芯柱高频变压器为电力电子变压器，为实现能量的多向流动提供硬件基础。
可选的，所述三相全控桥式逆变电路由六个高压或者低压大功率开关器件组成。
可选的，所述第一全控H桥式电路为全控逆变H桥式电路，所述第二全控H桥式电路和所述第三全控H桥式电路均为全控整流H桥式电路。
可选的，缠绕在所述第一芯柱、所述第二芯柱、所述第三芯柱上的线圈的匝数比为1：M：N。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1、本发明所提出的光伏逆变器拓扑结构为双极型，将最大功率点跟踪功能与电能转换功能分离，降低了控制难度。
2、本发明所提出的光伏逆变器拓扑结构在隔离级和逆变级采用全控桥式结构，有IGBT功率模块组成，适用于大功率环境；由于是全控桥，因此，控制精度更高。
3、本发明所提出的光伏逆变器拓扑结构结合移相控制控制策略可实现能量解耦流动，完成光伏与储能的结合，不仅增加了拓扑结构功能的多样性，还可实现联合供电，延长负载的正常工作时间，形成微网，进一步提高了电力系统运行的灵活性、可控性和经济性。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构框图；
图2为本发明实施例基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
图1为本发明实施例基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构框图，如图1所示，本实施例提出一种基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，准确来说为隔离型三相双极型光伏并网逆变器，此拓扑结构除了可实现正常的光伏发电功率传递功能外，还可实现能量的多向流动，进而实现光伏与储能相结合。
此拓扑结构由前端boost电路、中端隔离级和后端逆变级组成。前端boost电路主要实现最大功率点跟踪(MPPT)功能；中端隔离级由三个全控H桥式电路、三芯柱高频变压器和直流储能电容组成；后端逆变级由三相全控桥式逆变电路和LCL低通滤波器组成。其中，三个全控H桥式电路分别为第一全控H桥式电路、第二全控H桥式电路、第三全控H桥式电路。
太阳光经过转换后得到的直流电通过前端boost电路进入光伏逆变器拓扑结构；前端boost电路的输出端与第一全控H桥式电路的输入端连接，第一全控H桥式电路的输出端与三芯柱高频变压器的第一芯柱连接，三芯柱高频变压器的第二芯柱与第二全控H桥式电路的输入端连接，三芯柱高频变压器的第三芯柱与第三全控H桥式电路的输入端连接，第二全控H桥式电路的输出端与三相全控桥式逆变电路的输入端连接，三相全控桥式逆变电路的输出端与LCL低通滤波器的输入端连接，LCL低通滤波器的输出端与电网或者负载连接；其中，在第二全控H桥式电路的输出侧并联有直流储能电容；第一全控H桥式电路为全控逆变H桥式电路，第二全控H桥式电路和第三全控H桥式电路均为全控整流H桥式电路。
通过控制三芯柱高频变压器的三个芯柱端口处的电压相位，使之产生相位差，以实现能量在各芯柱端口之间的解耦流动。
在本实施例所提出的拓扑结构中，前端boost电路用于实现MPPT功能，前端boost电路中的直流储能电容具有稳定电压的功能，中端隔离级的第一全控H桥式电路(具体为全控逆变H桥电路)实现电能转换和能量传递的功能，二者协同工作，降低了控制难度。
在本实施例所提出的拓扑结构中，中端隔离级的三个全控H桥式电路皆由四个高压大功率开关器件构成，例如IGBT功率模块，实现电能转换功能，中间的三芯柱高频变压器是电力电子变压器，为实现能量的多向流动提供硬件基础。
在本实施例所提出的拓扑结构中，后端逆变级的三相全控桥式逆变电路是由6个高压或低压大功率元器件组成，例如IGBT功率模块，是三相逆变电路，输出三相交流电，LCL低通滤波器可滤除三相交流电中的杂波，最终，由后端逆变级输出频率和电压可调的三相交流电，驱动负载运行。
本实施例所提出的光伏逆变器拓扑结构，主要的特点在于提供实现光伏与储能结合的硬件基础，最终实现联合供电，延长负载的正常工作时间。
本实施例在提出的光伏逆变器拓扑结构上采用移相控制策略，二者相结合可实现三芯柱高频变压器的三个芯柱端口之间的功率流解耦控制，提高系统的整体性能。所谓的移相控制策略即通过控制三个端口处电压的相位，使之产生相位差，即可实现各芯柱端口之间的能量解耦流动。
实施例2
图2为本发明实施例基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构示意图，如图2所示，本实施例提供的基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构的输入端与光伏阵列连接，输出端与电网或者负载连接；该光伏逆变器拓扑结构包括前端boost电路、中端隔离级和后端逆变级。其中，太阳光经过光伏阵列后转换成直流电。
中端隔离级包括三芯柱高频变压器、直流储能电容和三个全控H桥式电路；逆变级包括三相全控桥式逆变电路和LCL低通滤波器；三个全控H桥式电路分别为第一全控H桥式电路、第二全控H桥式电路、第三全控H桥式电路。
位于外界的且用于光电转换的光伏阵列的输出端与前端boost电路的输入端连接，从而使直流电通过前端boost电路进入光伏逆变器拓扑结构。另外，在光伏阵列与前端boost电路之间设有直流稳压电容C1，且直流稳压电容C1并联在光伏阵列的输出侧，为前端boost电路提供稳定的直流电。
前端boost电路的输出端与第一全控H桥式电路的输入端连接，第一全控H桥式电路的输出端与三芯柱高频变压器的第一芯柱连接，三芯柱高频变压器的第二芯柱与第二全控H桥式电路的输入端连接，三芯柱高频变压器的第三芯柱与第三全控H桥式电路的输入端连接，第二全控H桥式电路的输出端与三相全控桥式逆变电路的输入端连接，三相全控桥式逆变电路的输出端与LCL低通滤波器的输入端连接，LCL低通滤波器的输出端与电网或者负载连接；其中，在第二全控H桥式电路的输出侧并联有直流储能电容C2；第一全控H桥式电路为全控逆变H桥式电路，第二全控H桥式电路和第三全控H桥式电路均为全控整流H桥式电路。
通过控制三芯柱高频变压器的三个芯柱端口处的电压相位，产生相位差，以实现能量在各芯柱端口之间的解耦流动。
光伏逆变器拓扑结构还包括与第三全控H桥式电路的输出端连接的蓄电池；该蓄电池用于存储多余的电能。
其中，三个全控H桥式电路均由四个高压大功率开关器件构成，以实现电能转换功能。三芯柱高频变压器为电力电子变压器，为实现能量的多向流动提供硬件基础。三相全控桥式逆变电路由六个高压或者低压大功率开关器件组成。优先的，上述的功率开关器件均为IGBT功率模块。
优先的，缠绕在第一芯柱、第二芯柱、第三芯柱上的线圈的匝数比为1：M：N。
本实施例提供的拓扑结构通过全控桥的使用可提高整体系统的控制精度，三芯柱高频变压器的使用为实现光伏与储能的结合提供硬件基础，有利于实现联合供电，延长负载的正常工作时间，提高光伏系统的经济性，可应用于大功率场合。
本实施例所提出的光伏逆变器拓扑结构为实现能量解耦流动提供了硬件基础，同时采用移相控制策略实现功率流解耦控制，提高系统整体性能。
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。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，其特征在于，所述光伏逆变器拓扑结构包括前端boost电路、中端隔离级和后端逆变级；
所述中端隔离级包括三芯柱高频变压器、直流储能电容和三个全控H桥式电路；所述后端逆变级包括三相全控桥式逆变电路和LCL低通滤波器；三个所述全控H桥式电路分别为第一全控H桥式电路、第二全控H桥式电路、第三全控H桥式电路；
太阳光经过转换后得到的直流电通过所述前端boost电路进入所述光伏逆变器拓扑结构；所述前端boost电路的输出端与所述第一全控H桥式电路的输入端连接，所述第一全控H桥式电路的输出端与所述三芯柱高频变压器的第一芯柱连接，所述三芯柱高频变压器的第二芯柱与所述第二全控H桥式电路的输入端连接，所述三芯柱高频变压器的第三芯柱与所述第三全控H桥式电路的输入端连接，所述第二全控H桥式电路的输出端与所述三相全控桥式逆变电路的输入端连接，所述三相全控桥式逆变电路的输出端与所述LCL低通滤波器的输入端连接，所述LCL低通滤波器的输出端与电网或者负载连接；其中，在所述第二全控H桥式电路的输出侧并联有所述直流储能电容；
通过控制所述三芯柱高频变压器的三个芯柱端口处的电压相位，产生相位差，以实现能量在各芯柱端口之间的解耦流动。
2.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，其特征在于，所述前端boost电路的输入端与用于光电转换的外界光伏阵列连接；其中，太阳光经过所述光伏阵列后转换成直流电。
3.根据权利要求2所述的基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，其特征在于，在所述光伏阵列与所述前端boost电路之间设有直流稳压电容，且所述直流稳压电容并联在所述光伏阵列的输出侧，为所述前端boost电路提供稳定的直流电。
4.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，其特征在于，所述光伏逆变器拓扑结构还包括与所述第三全控H桥式电路的输出端连接的蓄电池；所述蓄电池用于存储多余的电能。
5.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，其特征在于，三个所述全控H桥式电路均由四个高压大功率开关器件构成，以实现电能转换功能。
6.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，其特征在于，所述三芯柱高频变压器为电力电子变压器，为实现能量的多向流动提供硬件基础。
7.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，其特征在于，所述三相全控桥式逆变电路由六个高压或者低压大功率开关器件组成。
8.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，其特征在于，所述第一全控H桥式电路为全控逆变H桥式电路，所述第二全控H桥式电路和所述第三全控H桥式电路均为全控整流H桥式电路。
9.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的光伏逆变器拓扑结构，其特征在于，缠绕在所述第一芯柱、所述第二芯柱、所述第三芯柱上的线圈的匝数比为1：M：N。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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