CN110535369A - 一种高功率密度非隔离型光伏并网逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种高功率密度非隔离型光伏并网逆变器，包括第一光伏阵列、第二光伏阵列、第一三相逆变器、第二三相逆变器、第一滤波器、第二滤波器、第一单相三绕组自耦变压器、第二单相三绕组自耦变压器、第三单相三绕组自耦变压器。本发明采用三个单相三绕组自耦变压器作为并网变压器，使得并网变压器的容量与使用传统工频变压器相比减小82%，光伏并网逆变器的功率密度大幅提高、绕组匝数减少、节约成本；三个单相三绕组自耦变压器绕组结构采用移相多重联结方式，当两组光伏阵列并联运行时，采用SPWM控制两组三相逆变器，使得滤波器输出端的同一相两个原边绕组间电压存在30°相位差，能抑制特征次谐波并网电流，提高电能质量。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种高功率密度非隔离型光伏并网逆变器。
背景技术
随着人类文明的不断进步，能源需求在不断增加，以化石燃料为主的不可再生能源急剧减少。并且，大量使用化石燃料加剧全球气候变暖，恶化自然环境。寻找绿色、环保的可再生能源将是人类面临的一个巨大挑战。太阳能作为一种用之不竭的绿色可再生能源，光伏发电受到各国政府的高度关注，世界各地正在大力推广光伏发电产业。
光伏逆变器作为光伏发电的核心装置，使得光伏并网逆变器的体积和成本直接制约着光伏发电产业的推广。目前，传统光伏并网逆变器采用三相隔离型分裂绕组变压器作为并网变压器，导致光伏并网逆变器体积庞大、功率密度低下、价格昂贵。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种高功率密度非隔离型光伏并网逆变器，以使提高电能质量。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种高功率密度非隔离型光伏并网逆变器，包括第一光伏阵列、第二光伏阵列、第一三相逆变器、第二三相逆变器、第一滤波器、第二滤波器及并网变压器，第一光伏阵列、第一三相逆变器、第一滤波器依次相连，第二光伏阵列、第二三相逆变器、第二滤波器依次相连，并网变压器与第一滤波器及第二滤波器的输出端连接，并网变压器由第一单相三绕组自耦变压器、第二单相三绕组自耦变压器、第三单相三绕组自耦变压器组成，并网变压器的三个单相三绕组自耦变压器绕组结构采用移相多重联结方式。
进一步地，所述第一光伏阵列和第二光伏阵列的结构、规格相同，第一三相逆变器和第二三相逆变器的结构、规格相同，第一滤波器和第二滤波器的结构、规格相同；第一光伏阵列和第二光伏阵列的输出端正极分别与第一三相逆变器和第二三相逆变器的输入端正极连接，第一光伏阵列和第二光伏阵列的输出端负极分别与第一三相逆变器和第二三相逆变器的输入端负极连接，第一三相逆变器和第二三相逆变器的三相输出端分别与第一滤波器和第二滤波器的三相输入端连接；第一滤波器的a相输出端与第二单相三绕组自耦变压器的a1绕组的输入端相连，第一滤波器的b相输出端与第三单相三绕组自耦变压器的b1绕组的输入端相连，第一滤波器的c相输出端与第一单相三绕组自耦变压器的c1绕组的输入端相连；第二滤波器的a相输出端与第二单相三绕组自耦变压器的a2绕组的输入端相连，第二滤波器的b相输出端与第三单相三绕组自耦变压器的b2绕组的输入端相连，第二滤波器的c相输出端与第一单相三绕组自耦变压器的c2绕组的输入端相连。
进一步地，第一单相三绕组自耦变压器、第二单相三绕组自耦变压器、第三单相三绕组自耦变压器的结构相同，均由第一芯柱和第二芯柱两个芯柱组成，第一芯柱，第一芯柱为第一原边绕组和第二原边绕组，第二芯柱为公共绕组，第一原边绕组和第二原边绕组对应匝数分别为N1和N2，公共绕组对应匝数为N3，三个绕组之间的匝比为N1：N2：N3=0.1547：0.1547：1。
进一步地，第一单相三绕组自耦变压器两原边绕组的输出端相连，第二单相三绕组自耦变压器两原边绕组的输出端相连，第三单相三绕组自耦变压器两原边绕组的输出端相连，第一、第二第三单相三绕组自耦变压器的副边均采用三角形联结，第一单相三绕组自耦变压器副边绕组的第一端与第二单相三绕组自耦变压器两原边绕组的输出端及电网a相相连，第一单相三绕组自耦变压器副边绕组的第二端与第二单相三绕组自耦变压器副边绕组的第一端相连；第二单相三绕组自耦变压器副边绕组的第一端与第三单相三绕组自耦变压器两原边绕组的输出端及电网b相相连，第二单相三绕组自耦变压器副边绕组的第二端与第三单相三绕组自耦变压器副边绕组的第一端相连；第三单相三绕组自耦变压器副边绕组的第一端与第一单相三绕组自耦变压器两原边绕组的输出端及电网c相相连，第三单相三绕组自耦变压器副边绕组的第二端与第一单相三绕组自耦变压器副边绕组的第一端相连。
进一步地，第一三相逆变器和第二三相逆变器的同相输出端的相电压存在30°相位差。
进一步地，第一光伏阵列和第二光伏阵列均由多个规格相同的光伏电池板串并联组成；第一三相变换器和第二三相变换器均包括由8个规格相同的绝缘栅双极晶体管构成带中性点的三相四桥臂逆变电路；第一滤波器和第二滤波器均由三个电感值相同的电感和电容量相同的电容构成。
本发明的有益效果为：本发明采用单相三绕组自耦变压器作为光伏并网逆变器的并网变压器，使得光伏并网逆变器中并网变压器的容量与使用传统工频变压器相比减小82%，光伏并网逆变器的功率密度大幅提高、绕组匝数减少、节约成本；三个单相三绕组自耦变压器绕组结构采用移相多重联结方式，当两组光伏阵列并联运行时，采用SPWM控制两组三相逆变器，使得滤波器输出端的同一相两个原边绕组间电压存在30°相位差，将能抑制特征次谐波并网电流，提高电能质量。
附图说明
图1是本发明实施例的高功率密度非隔离型光伏并网逆变器在两组光伏阵列都工作时的结构示意图。
图2是本发明实施例的高功率密度非隔离型光伏并网逆变器在只有第一光伏阵列运行时的示意图。
图3是本发明实施例的高功率密度非隔离型光伏并网逆变器在只有第二光伏阵列运行时的结构示意图。
图4是本发明实施例的第一三相逆变器和第一滤波器电路结构图。
图5是本发明实施例的第二三相逆变器和第二滤波器电路结构图。
图6是本发明实施例的三个单相三绕组自耦变压器绕组联结的相量图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中若有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参照图1～图6，本发明实施例的高功率密度非隔离型光伏并网逆变器包括第一光伏阵列1、第二光伏阵列2、第一三相逆变器3、第二三相逆变器4、第一滤波器5、第二滤波器6及并网变压器。
第一光伏阵列1、第一三相逆变器3、第一滤波器5依次相连，第二光伏阵列2、第二三相逆变器4、第二滤波器6依次相连，并网变压器与第一滤波器5及第二滤波器6的输出端连接，并网变压器由第一单相三绕组自耦变压器7、第二单相三绕组自耦变压器8、第三单相三绕组自耦变压器9组成，并网变压器的三个单相三绕组自耦变压器绕组结构采用移相多重联结方式。
作为一种实施方式，第一光伏阵列1和第二光伏阵列2的结构、规格相同，第一三相逆变器3和第二三相逆变器4的结构、规格相同，第一滤波器5和第二滤波器6的结构、规格相同；第一光伏阵列1和第二光伏阵列2的输出端正极分别与第一三相逆变器3和第二三相逆变器4的输入端正极连接，第一光伏阵列1和第二光伏阵列2的输出端负极分别与第一三相逆变器3和第二三相逆变器4的输入端负极连接，第一三相逆变器3和第二三相逆变器4的三相输出端分别与第一滤波器5和第二滤波器6的三相输入端连接；第一滤波器5的a相输出端a1与第二单相三绕组自耦变压器8的a1绕组的输入端相连，第一滤波器5的b相输出端b1与第三单相三绕组自耦变压器9的b1绕组的输入端相连，第一滤波器5的c相输出端c1与第一单相三绕组自耦变压器7的c1绕组的输入端相连；第二滤波器6的a相输出端a2与第二单相三绕组自耦变压器8的a2绕组的输入端相连，第二滤波器6的b相输出端b2与第三单相三绕组自耦变压器9的b2绕组的输入端相连，第二滤波器6的c相输出端c2与第一单相三绕组自耦变压器7的c2绕组的输入端相连。
作为一种实施方式，第一单相三绕组自耦变压器7、第二单相三绕组自耦变压器8、第三单相三绕组自耦变压器9的结构相同，均由第一芯柱和第二芯柱两个芯柱组成，第一芯柱，第一芯柱为第一原边绕组和第二原边绕组，第二芯柱为公共绕组，第一原边绕组和第二原边绕组对应匝数分别为N1和N2，公共绕组对应匝数为N3，三个绕组之间的匝比为N1：N2：N3=0.1547：0.1547：1。
作为一种实施方式，第一单相三绕组自耦变压器7的两原边绕组的输出端相连，第二单相三绕组自耦变压器8的两原边绕组的输出端相连，第三单相三绕组自耦变压器9的两原边绕组的输出端相连，第一、第二、第三单相三绕组自耦变压器的副边均采用三角形联结，第一单相三绕组自耦变压器7副边绕组的第一端与第二单相三绕组自耦变压器8的两原边绕组的输出端及电网a相相连，第一单相三绕组自耦变压器7副边绕组的第二端与第二单相三绕组自耦变压器8副边绕组的第一端相连；第二单相三绕组自耦变压器8副边绕组的第一端与第三单相三绕组自耦变压器9的两原边绕组的输出端及电网b相相连，第二单相三绕组自耦变压器8副边绕组的第二端与第三单相三绕组自耦变压器9副边绕组的第一端相连；第三单相三绕组自耦变压器9副边绕组的第一端与第一单相三绕组自耦变压器7的两原边绕组的输出端及电网c相相连，第三单相三绕组自耦变压器9副边绕组的第二端与第一单相三绕组自耦变压器7副边绕组的第一端相连。
作为一种实施方式，第一三相逆变器3和第二三相逆变器4采用SPWM控制方法，使第一三相逆变器3和第二三相逆变器4的同相输出端的相电压存在30°相位差，送入三个单相三绕组自耦变压器后，可抑制特征次谐波并网电流，提高电能质量。本发明的第一光伏阵列1和第二光伏阵列2可并联运行，也可只有第一光伏阵列1或第二光伏阵列2运行。当两组第一光伏阵列1和第二光伏阵列2并联运行时，本发明的两个滤波器输出端的同一相两个原边绕组间电压存在30°相位差，送入三个单相三绕组自耦变压器后将能抑制特征次谐波并网电流，提高电能质量；当只有第一光伏阵列1或第二光伏阵列2运行时，本发明的单相三绕组自耦变压器等效为单相两绕组自耦变压器。
作为一种实施方式，第一光伏阵列1和第二光伏阵列2均由多个规格相同的光伏电池板串并联组成。第一三相变换器3和第二三相逆变器4均采用三相四桥臂结构，第一三相变换器3和第二三相变换器4均包括由8个规格相同的绝缘栅双极晶体管（IGBT）构成带中性点的三相四桥臂逆变电路（第一三相变换器3由绝缘栅双极晶体管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8组成，第二三相变换器4由绝缘栅双极晶体管S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16组成）。第一滤波器5和第二滤波器6均由三个电感值相同的电感和电容量相同的电容构成。
作为一种实施方式，第一滤波器5包括第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、第三滤波电感L3、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2及第三滤波电容C3，所述第一三相变换器3的a相输出端与第一滤波电感L1的左端连接，第一三相变换器3的b相输出端与第二滤波电感L2的左端连接，第一三相变换器3的c相输出端与第三滤波电感L3的左端连接，第一滤波电感L1的右端与第一滤波电容C1的第一端连接、第一滤波电容C1的第二端与第一三相变换器3的中心点n连接，第二滤波电感L2的右端与第二滤波电容C2的第一端连接、第二滤波电容C2的第二端与第一三相变换器3的中心点n连接，第三滤波电感L3的右端与第三滤波电容C3的第一端连接、第三滤波电容C3的第二端与第一三相变换器3的中心点n连接；第二三相变换器4的a相输出端与第四滤波电感L4的左端连接，第二三相变换器4的b相输出端与第五滤波电感L5的左端连接，第二三相变换器4的c相输出端与第六滤波电感L6的左端连接，第四滤波电感L4的右端与第四滤波电容C4的第一端连接、第四滤波电容C4的第二端与第二三相变换器4的中心点n连接，第五滤波电感L5的右端与第五滤波电容C5的第一端连接、第五滤波电容C5的第二端与第二三相变换器4的中心点n连接，第六滤波电感L6的右端与第六滤波电容C6的第一端连接、第六滤波电容C6的第二端与第二三相变换器4的中心点n连接。
本发明实施例提供的方案适用于两组光伏阵列并联运行或单组光伏阵列运行或多组光伏阵列并联运行，下面介绍两组光伏阵列并联运行时和单组光伏阵列运行时的情况。
实施例一：
如图1所示，本发明实施例的高功率密度非隔离型光伏并网逆变器的两组光伏阵列并联运行，当第一光伏阵列1和第二光伏阵列2都正常工作时，第一光伏阵列1发出的电能经第一三相逆变器3采用SPWM控制方法变换为相电压依次相差120°的三相电，再经LC第一滤波器5滤波为工频三相正弦电压后送入自耦变压器中；第二光伏阵列2发出的电能经第二三相逆变器4采用SPWM控制方法变换为相电压依次相差120°的三相电，再经LC第二滤波器6滤波为工频三相正弦电压后送入自耦变压器中，最后将电能送入到电网。
本发明实施例由于采用SPWM控制两组三相逆变器，使得滤波器输出端的同一相两个原边绕组间电压存在30°相位差，光伏阵列发出的电能最终通过单相三绕组自耦变压器送入电网，将能抑制特征次谐波并网电流，提高电能质量；采用自耦变压器，三个绕组共用一个公共绕组，使得光伏并网逆变器中并网变压器的容量与使用传统工频变压器相比减小82%，光伏并网逆变器的功率密度大幅提高、绕组匝数减少、节约成本。
实施例二：
如图2所示，本发明实施例的高功率密度非隔离型光伏并网逆变器只有第一光伏阵列1运行时的工作状态详细介绍，当第一光伏阵列1正常运行第二光伏阵列2故障时，第一光伏阵列1发出的电能经第一三相逆变器3变换为相电压依次相差120°的三相电，再经LC第一滤波器5滤波为工频三相正弦电压后送入自耦变压器中；由于第二光伏阵列2故障，自耦变压器中的a2、b2、c2绕组没有电流流过，使得单相三绕组自耦变压器等效为单相两绕组自耦变压器，此时，自耦变压器将由原边绕组a1、b1、c1和副边绕组a、b、c相互耦合，从而把第一光伏阵列1发出的电能送入电网，由于采用自耦变压器，将减小并网逆变器的体积，提高功率密度，节约成本。
实施例三：
如图3所示，本发明实施例的高功率密度非隔离型光伏并网逆变器只有第二光伏阵列2运行时的工作状态详细介绍，当第二光伏阵列2正常运行第一光伏阵列1故障时，第二光伏阵列2发出的电能经第一三相逆变器3变换为相电压依次相差120°的三相电，再经LC第二滤波器6滤波为工频三相正弦电压后送入自耦变压器中；由于第一光伏阵列1故障，自耦变压器中的a1、b1、c1绕组没有电流流过，使得单相三绕组自耦变压器等效为单相两绕组自耦变压器，此时，自耦变压器将由原边绕组a2、b2、c2和副边绕组a、b、c相互耦合，从而把第二光伏阵列2发出的电能送入电网，由于采用自耦变压器，将减小并网逆变器的体积，提高功率密度，节约成本。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (6)
1.一种高功率密度非隔离型光伏并网逆变器，其特征在于，包括第一光伏阵列、第二光伏阵列、第一三相逆变器、第二三相逆变器、第一滤波器、第二滤波器及并网变压器，第一光伏阵列、第一三相逆变器、第一滤波器依次相连，第二光伏阵列、第二三相逆变器、第二滤波器依次相连，并网变压器与第一滤波器及第二滤波器的输出端连接，并网变压器由第一单相三绕组自耦变压器、第二单相三绕组自耦变压器、第三单相三绕组自耦变压器组成，并网变压器的三个单相三绕组自耦变压器绕组结构采用移相多重联结方式。
2.如权利要求1所述的高功率密度非隔离型光伏并网逆变器，其特征在于，所述第一光伏阵列和第二光伏阵列的结构、规格相同，第一三相逆变器和第二三相逆变器的结构、规格相同，第一滤波器和第二滤波器的结构、规格相同；第一光伏阵列和第二光伏阵列的输出端正极分别与第一三相逆变器和第二三相逆变器的输入端正极连接，第一光伏阵列和第二光伏阵列的输出端负极分别与第一三相逆变器和第二三相逆变器的输入端负极连接，第一三相逆变器和第二三相逆变器的三相输出端分别与第一滤波器和第二滤波器的三相输入端连接；第一滤波器的a相输出端与第二单相三绕组自耦变压器的a1绕组的输入端相连，第一滤波器的b相输出端与第三单相三绕组自耦变压器的b1绕组的输入端相连，第一滤波器的c相输出端与第一单相三绕组自耦变压器的c1绕组的输入端相连；第二滤波器的a相输出端与第二单相三绕组自耦变压器的a2绕组的输入端相连，第二滤波器的b相输出端与第三单相三绕组自耦变压器的b2绕组的输入端相连，第二滤波器的c相输出端与第一单相三绕组自耦变压器的c2绕组的输入端相连。
3.如权利要求1所述的高功率密度非隔离型光伏并网逆变器，其特征在于，第一单相三绕组自耦变压器、第二单相三绕组自耦变压器、第三单相三绕组自耦变压器的结构相同，均由第一芯柱和第二芯柱两个芯柱组成，第一芯柱，第一芯柱为第一原边绕组和第二原边绕组，第二芯柱为公共绕组，第一原边绕组和第二原边绕组对应匝数分别为N1和N2，公共绕组对应匝数为N3，三个绕组之间的匝比为N1：N2：N3=0.1547：0.1547：1。
4.如权利要求3所述的高功率密度非隔离型光伏并网逆变器，其特征在于，第一单相三绕组自耦变压器两原边绕组的输出端相连，第二单相三绕组自耦变压器两原边绕组的输出端相连，第三单相三绕组自耦变压器两原边绕组的输出端相连，第一、第二、第三单相三绕组自耦变压器的副边均采用三角形联结，第一单相三绕组自耦变压器副边绕组的第一端与第二单相三绕组自耦变压器两原边绕组的输出端及电网a相相连，第一单相三绕组自耦变压器副边绕组的第二端与第二单相三绕组自耦变压器副边绕组的第一端相连；第二单相三绕组自耦变压器副边绕组的第一端与第三单相三绕组自耦变压器两原边绕组的输出端及电网b相相连，第二单相三绕组自耦变压器副边绕组的第二端与第三单相三绕组自耦变压器副边绕组的第一端相连；第三单相三绕组自耦变压器副边绕组的第一端与第一单相三绕组自耦变压器两原边绕组的输出端及电网c相相连，第三单相三绕组自耦变压器副边绕组的第二端与第一单相三绕组自耦变压器副边绕组的第一端相连。
5.如权利要求3所述的高功率密度非隔离型光伏并网逆变器，其特征在于，第一三相逆变器和第二三相逆变器的同相输出端的相电压存在30°相位差。
6.如权利要求2所述的高功率密度非隔离型光伏并网逆变器，其特征在于，第一光伏阵列和第二光伏阵列均由多个规格相同的光伏电池板串并联组成；第一三相变换器和第二三相变换器均包括由8个规格相同的绝缘栅双极晶体管构成带中性点的三相四桥臂逆变电路；第一滤波器和第二滤波器均由三个电感值相同的电感和电容量相同的电容构成。
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