CN113872433A - 一种提高lcl型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，包括第一浪涌防护单元、熔断保护单元、LCL滤波单元、逆变单元、直流母线单元和第二浪涌防护单元，拓扑中的第一级浪涌防护单元可在并网逆变器外接端口处，泻放掉一部分浪涌干扰，对于流入并网逆变器并造成LCL滤波器中滤波电容电压上升的浪涌干扰，通过第二级浪涌防护单元进行滤波电容电压钳位和干扰泻放，降低滤波电容与直流母线单元中的电容之间的电压差，减小流经逆变单元中功率开关器件的浪涌电流，从而提高LCL型并网逆变器的抗浪涌能力。

Description

一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑
技术领域
本发明涉及并网逆变器领域，具体地涉及一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的迅速崛起，并网逆变器开始越来越多地应用于光伏发电、风力发电、电能质量治理等领域。为了抑制逆变单元中功率器件高频开关所产生的高次谐波，减少谐波对公共电网的污染，滤波器已成为并网逆变器中必不可少的功能组件。其中，LCL滤波器因其滤波特性好、体积小、成本低等优点，被广泛应用于并网逆变器中。
并网逆变器所处的电网环境可能存在因雷击引起的浪涌或电气系统内部产生的操作浪涌，浪涌电压范围通常从近kV到几十kV，若不加以限制会导致并网逆变器损坏。为了提高可靠性和抗扰能力，并网逆变器所涉及的各应用领域通常会在标准中规定浪涌抗扰度要求。如：在光伏发电领域，国标GB/T 37408-2019《光伏发电并网逆变器技术要求》中要求光伏发电并网逆变器浪涌(冲击)抗扰度试验等级需满足GB/T 17626.5中所规定的的严酷度等级3级，即能够抗差模1kV、共模2kV的浪涌干扰；在电能质量治理领域，行标DL/T 1216-2019《低压静止无功发生装置技术规范》中要求低压静止无功发生装置浪涌(冲击)抗扰度试验等级需满足GB/T 17626.5中所规定的的严酷度等级4级，即能够抗差模2kV、共模4kV的浪涌干扰。
虽然绝大多数并网逆变器都能够满足国标或企标中对浪涌抗扰度的要求，但是因实际电网环境中的浪涌电压最大可达到几十kV，远超出标准中要求值，因而仍存在浪涌造成并网逆变器损坏的情况。为了提高产品可靠性和竞争力，通常厂家会高于标准进行抗浪涌设计。
传统的LCL型并网逆变器抗浪涌拓扑，通过在电网与LCL滤波器之间增加一级浪涌防护电路来实现对电网侧浪涌干扰的抑制，分流一部分的浪涌干扰，但是仍有一部分浪涌干扰会流入逆变器，经由网侧滤波电感为滤波电容充电，导致滤波电容电压同步增大甚至超过电网侧电压。
进一步，LCL滤波器上滤波电容电压增大，导致其与直流母线电压的压差增大，使流经逆变电感和功率开关器件的浪涌电流增大。
更进一步，若超出功率开关器件所能承受的抗浪涌电流能力，便会导致功率开关器件失效，进而导致并网逆变器故障。
特别地，当并网逆变器容量较小时，出于成本考虑，选用的功率开关器件的抗浪涌电流能力也会小，因而当承受的浪涌干扰较大时，更容易造成小容量并网逆变器故障。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，能够解决现有技术中因浪涌干扰增大，带来的LCL滤波器上滤波电容电压超过限值，进而导致流经功率开关器件的浪涌电流超过其抗浪涌电流能力，造成LCL型并网逆变器故障的问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，包括第一浪涌防护单元、熔断保护单元、LCL滤波单元、逆变单元、直流母线单元和第二浪涌防护单元，其中，第一浪涌防护单元与熔断保护单元连接，且连接点接交流电网；第二浪涌防护单元与LCL滤波单元中的滤波电容连接；LCL滤波单元与逆变单元连接；逆变单元与直流母线单元连接。
进一步地，所述第一浪涌防护单元包括连接于电网相线与电网零线之间的第一浪涌防护组件和连接于电网零线与地之间的第二浪涌防护组件。
进一步地，所述第一浪涌防护组件为压敏电阻；所述第二浪涌防护组件为压敏电阻和气体放电管串联。
进一步地，所述熔断保护单元为串接于相线的熔断器，一端相连于电网相线，另一端与LCL滤波单元中网侧电感的绕组一端相连。
进一步地，所述LCL滤波单元包括网侧电感、滤波电容和逆变电感，其中：
所述的逆变电感绕组一端与网侧电感绕组一端相连，另一端与逆变单元输出相连；
所述滤波电容一端与网侧电感和逆变电感连接点相连，另一端连接于零线。
进一步地，所述第二浪涌防护单元为并联于LCL滤波器上滤波电容两端的第三浪涌防护组件。
进一步地，第三浪涌防护组件为压敏电阻或气体放电管。
进一步地，所述第一浪涌防护单元、第二浪涌防护单元、熔断保护单元、LCL滤波单元、逆变单元的个数与并网逆变器所在电网环境中的相线个数相同。
进一步地，所述直流母线单元为三相LCL型并网逆变器的共用直流母线。
进一步地，所述直流母线单元可连接至电网零线，或者，不连接至电网零线。可选地，所述逆变单元为两电平输出逆变单元，或者，三电平输出逆变单元，或者，多电平输出逆变单元。
本发明有益效果：本发明拓扑中的第一级浪涌防护单元可在并网逆变器外接端口处，泻放掉一部分浪涌干扰，对于流入并网逆变器并造成LCL滤波器中滤波电容电压上升的浪涌干扰，通过第二级浪涌防护单元进行滤波电容电压钳位和干扰泻放，从而降低滤波电容与直流母线电容之间的电压差，减小流经逆变单元中功率开关器件的浪涌电流，提高LCL型并网逆变器的抗浪涌能力。
附图说明
图1是本发明提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑结构示意图；
图2是本发明提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑三相示例图；
图3是本发明提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑单相示例图；
图4是本发明提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑实施例的单相示例图a；
图5是本发明提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑实施例的单相示例图b。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
本发明提供了一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，以解决现有技术中因浪涌干扰增大，带来的LCL滤波器上滤波电容电压超过限值，进而导致流经功率开关器件的浪涌电流超过其抗浪涌电流能力，造成LCL型并网逆变器故障的问题。
如图1所示，一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，包括：第一浪涌防护单元010、熔断保护单元020、LCL滤波单元030、第二浪涌防护单元040、逆变单元050和直流母线单元060。其中，第一浪涌防护单元010与熔断保护单元连接020，且连接点接交流电网000；熔断保护单元020与LCL滤波单元030连接；第二浪涌防护单元040与LCL滤波单元030连接；LCL滤波单元030与逆变单元050连接；逆变单元050与直流母线单元060连接。
如图2所示，为本发明的三相拓扑实施例，除共用的直流母线单元060外，每相中都包括第一浪涌防护单元010、熔断保护单元020、LCL滤波单元030、第二浪涌防护单元040和逆变单元050。由于La、Lb、Lc三相拓扑完全相同，不妨以图3所示的单相拓扑为例进行说明。
如图3所示，第一浪涌防护单元010包括连接于电网相线La与电网零线N之间的第一浪涌防护组件011和连接于电网零线N与地PE之间的第二浪涌防护组件012。第一浪涌防护单元010用于在并网逆变器外部接口处泻放掉一部分浪涌干扰，抑制流往LCL并网逆变器的浪涌干扰。其中，第一浪涌防护组件011用于抑制相线La与零线N之间的差模浪涌干扰；第二浪涌防护组件012用于抑制零线N与地PE之间的共模浪涌干扰；第一浪涌防护组件011和第二浪涌防护组件012配合用于抑制相线La与PE之间的共模浪涌干扰。
如图3所示，LCL滤波单元030包括网侧电感L1、滤波电容C1和逆变电感L2。其中，逆变电感L2绕组一端与网侧电感L1绕组一端相连，另一端与逆变单元050输出相连；滤波电容C1一端与网侧电感L1和逆变电感L2连接点相连，另一端连接于零线N。
如图3所示，第二浪涌防护单元040为并联于LCL滤波器030中的滤波电容C1两端的第三浪涌防护组件041，用于旁路一部分流入滤波电容C1的浪涌电流并对滤波电容C1电压钳位，从而减小了流入逆变单元050的浪涌干扰。
图3中，熔断保护单元020为串接于相线La的熔断器F1。熔断器F1主要用于并网逆变器出现损坏时，将并网逆变器从电网环境中脱离，但同时需要兼顾其抗浪涌性能，一般地，该熔断器参数选型时的抗浪涌电流能力应低于功率开关器件的抗浪涌电流能力，从而保障在浪涌电流达到功率开关器件抗浪涌电流能力极限前熔断器提前熔断，以免功率开关器件因浪涌干扰失效。然而，采用本发明所述的拓扑，因为浪涌干扰在进入逆变单元050前被第二级浪涌防护单元040泻放了一部分，所以可以选用抗浪涌电流能力高于功率开关器件抗浪涌能力的熔断器，提高LCL型并网逆变器整体抗浪涌能力。
图3中，逆变单元050可为两电平输出逆变单元，或者，三电平输出逆变单元，或者，多电平输出逆变单元；直流母线单元060可连接至电网零线N，或者，不连接至电网零线N。
另外，还应当说明的是，第一浪涌防护组件011、第二浪涌防护组件012、第三浪涌防护组件041、熔断保护单元020、LCL滤波单元030、逆变单元050的个数与并网逆变器所在电网环境中的相线个数相同。
在单相LCL并网逆变器实施例及图3基础上，本发明提供了几种具体的实现形式，如图4、5所示。
优选地，第一浪涌防护组件011为压敏电阻，如图4、5所示的VDR1；
优选地，第二浪涌防护组件012为如图4、5所示的压敏电阻VDR2和气体放电管GDT1串联。
优选地，第三浪涌防护组件041为压敏电阻，如图4所示的VDR3；或者,该第三浪涌防护组件041也可以为气体放电管，如图5所示的GDT2。
优选地，直流母线单元060由上直流母线Cs和下直流母线Cx组成，上直流母线Cs负极和下直流母线Cx正极连接，连接点接电网零线N，如图4、5所示。
优选地，逆变单元050为三电平输出T型逆变拓扑，如图4、5所示。三电平输出T型逆变拓扑由功率开关器件PS1、功率开关器件PS2、功率开关器件PS3、功率开关器件PS4组成。定义与功率开关器件中二极管阴极相连接引脚为1、二极管阳极相连接引脚为2，则功率开关器件PS1的引脚2、功率开关器件PS4的引脚1、功率开关器件PS3的引脚2相连接，连接点为逆变单元050输出端，连接LCL滤波单元040；功率开关器件PS2的引脚1与功率开关器件PS3的引脚1连接，功率开关器件PS2的引脚2与上直流母线Cs和下直流母线Cx连接点相连接，即与电网零线N相连接；功率开关器件PS1的引脚1与上直流母线Cs的正极相连接；功率开关器件PS4的引脚2与下直流母线Cx的负极相连接。
以图4所示拓扑为例对本发明提出的一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑的工作原理进行说明：
拓扑中的第一级浪涌防护单元010用于在并网逆变器外部接口处泻放掉一部分浪涌干扰，抑制流往LCL并网逆变器的浪涌干扰。其中，压敏电阻VDR1用于抑制相线La与零线N之间的差模浪涌干扰；压敏电阻VDR2和气体放电管GDT1串联用于抑制零线N与地PE之间的共模浪涌干扰；压敏电阻VDR1、压敏电阻VDR2和气体放电管GDT1配合用于抑制相线La与PE之间的共模浪涌干扰。第二浪涌防护单元040用于抑制流入并网逆变器并造成LCL滤波器030中的滤波电容C1电压上升的浪涌干扰，通过压敏电阻VDR3进行滤波电容C1电压钳位和浪涌干扰泻放，从而降低滤波电容C1与直流母线电容之间的电压差，减小流经逆变单元中功率开关器件的浪涌电流，降低功率开关器件的失效率，提高LCL型并网逆变器的抗浪涌能力。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效拓扑或等效方案变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，包含第一浪涌防护单元、熔断保护单元、LCL滤波单元、逆变单元、直流母线单元，其特征在于，还包含第二浪涌防护单元，并与LCL滤波单元中的滤波电容连接。
2.根据权利要求1所述的一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，其特征在于，所述第一浪涌防护单元包括连接于电网相线与电网零线之间的第一浪涌防护组件和连接于电网零线与地之间的第二浪涌防护组件。
3.根据权利要求2所述的一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，其特征在于，所述第一浪涌防护组件为压敏电阻；所述第二浪涌防护组件为压敏电阻和气体放电管串联。
4.根据权利要求1所述的一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，其特征在于，所述熔断保护单元为串接于相线的熔断器，一端相连于电网相线，另一端与LCL滤波单元中网侧电感的绕组一端相连。
5.根据权利要求1所述的一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，其特征在于，所述LCL滤波单元包括网侧电感、滤波电容和逆变电感，其中：
所述的逆变电感绕组一端与网侧电感绕组一端相连，另一端与逆变单元输出相连；
所述滤波电容一端与网侧电感和逆变电感连接点相连，另一端连接于零线。
6.根据权利要求1所述的一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，其特征在于，所述第二浪涌防护单元为并联于LCL滤波器上滤波电容两端的第三浪涌防护组件。
7.根据权利要求6所述的一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，其特征在于，所述第三浪涌防护组件为压敏电阻或气体放电管。
8.根据权利要求1所述的一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，其特征在于，所述逆变单元为两电平输出逆变单元、三电平输出逆变单元或多电平输出逆变单元。
9.根据权利要求1所述的一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，其特征在于，所述直流母线单元根据需求选择连接或不连接至电网零线；当应用于三相LCL型并网逆变器时，直流母线为三相共用的直流母线。
10.根据权利要求1所述的一种提高LCL型并网逆变器抗浪涌能力的拓扑，其特征在于，所述第一浪涌防护单元、第二浪涌防护单元、熔断保护单元、LCL滤波单元、逆变单元的个数与并网逆变器所在电网环境中的相线个数相同。
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