CN114825882A - 基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器及方法 - Google Patents

基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子电能变换技术，具体涉及基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器及方法，该逆变器包括直流电源、LLC谐振变换器、H桥逆变器和三相交流电网；LLC谐振变换器包括原边电能逆变模块、谐振模块、四绕组变压器模块、电能整流模块；H桥逆变器包括第一滤波电容Ca、第二滤波电容Cb、第三滤波电容Cc、副边第一电能逆变模块、副边第二电能逆变模块、副边第三电能逆变模块、三相集成磁耦合纹波转移通道模块。该逆变器通过构建三相功率通道，解决了三相功率不均的问题，保证两倍频功率分量的磁通完全抵消，从而减小直流母线的电容容量；同时采用磁耦合纹波转移技术，辅助所有开关的软开关实现，提高了系统的功率密度。

Description

基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器及方法
技术领域
本发明属于电力电子电能变换技术领域，特别涉及基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器及方法。
背景技术
电力电子变换器发展至今，顺应市场应用的需求，涌现出了多种逆变器拓扑，并已广泛应用于电气相关的各行各业。当逆变器应用于电压等级更高一些的应用场合，多电平逆变器将更加适用。常用的多电平逆变器包括中点钳位型逆变器(NPC逆变器)、飞跨电容型逆变器、级联H桥逆变器和模块化多电平逆变器。其中NPC逆变器和飞跨电容型逆变器随着电平数量的增加，所需的器件数量和控制复杂度也将急剧增加；而飞跨电容型逆变器电容数量较多，还需要对电容电压进行控制，控制复杂度较NPC逆变器更为复杂，且电平数增加以后还存在电容串联均压的问题。因此，这两种逆变器的三电平或五电平版本应用较为广泛，更高电平的版本应用较少。
逆变器输出的电平越多，则不但可以承受更高的电压等级，其输出波形也更接近于正弦波，更有利于减小滤波器容量。如上所述，NPC逆变器无法满足更高电平数的应用需求，在实际工程应用中通常采用的是级联H桥逆变器和模块化多电平逆变器。其中级联H桥逆变器由于其可模块化设计、子模块易于扩展、可灵活适应不同的电压等级，无需工频升压变压器可以直挂中压电网，且子模块结构一致，便于统一生产、安装、维护等优点，被广泛应用于分布式光伏发电系统中。但常规级联H桥逆变器容易受光照不均、局部阴影、灰尘堆积等因素影响而造成相间功率不均的问题；此外，每个子模块都需要在直流侧安装大容量的电解电容以抑制两倍频功率波动，一方面增加了模块的体积和成本，另一方面电解电容是电力变换器故障的主要根源之一，严重影响了变换器的可靠性和寿命。
同时，光伏逆变器的并网电流纹波需要满足并网电流相关标准，这些标准对并网电流的总谐波畸变率和各次谐波所占的比重都有严格的限制，则并网侧的无源滤波器必不可少。目前被广泛应用的无源滤波器是LCL滤波器及其改进方法，但其受电容和电感的内阻影响，实际增加的开关纹波衰减能力有限，且各滤波器件相互分立的无源滤波器中，磁性元件占滤波器体积的比重较大。针对这一问题，有学者提出采用磁集成的方式将多个线圈共同绕制在同一个磁芯上，从而提高磁芯利用率，减少磁性元件体积，但其不足之处是高于开关频率的区域，纹波衰减能力下降，不利于两倍和更高倍次的开关频率纹波的衰减。
通过磁耦合纹波转移技术实现并网电流纹波抑制的方法首先在一项美国专利中提出，又被称为零纹波滤波器。通过合理设计耦合电感系数，可以实现将位于主功率通道中的自感线圈上的电流开关纹波通过磁场能量的形式转移至另一侧的自感线圈中，进而实现主功率通道的电流纹波衰减。随后学者们对该技术在不同的变换器中的应用展开了研究，以抑制变换器输入侧或输出侧的电流纹波，但这些研究都集中在直流变换器应用中，该技术在并网逆变器应用中是否适用，还有待进一步研究验证。
综上所述，现有技术的主要问题是：传统级联H桥逆变器存在相间功率失配，直流电容的二倍频电压纹波等问题，并网侧的电流纹波衰减通常采用的无源滤波器纹波衰减能力有限且磁性元件占滤波器体积的比重较大，不符合电力电子器件的高频化、高效率、高功率密度的发展趋势。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种基于三相集成磁耦合纹波转移技术的模块化光伏逆变器拓扑结构。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器，包括直流电源、LLC谐振变换器、H桥逆变器和三相交流电网；LLC谐振变换器包括原边第一电能逆变模块、谐振模块、四绕组变压器模块、第一电能整流模块、第二电能整流模块和第三电能整流模块；H桥逆变器包括第一滤波电容Ca、第二滤波电容Cb、第三滤波电容Cc、副边第一电能逆变模块、副边第二电能逆变模块、副边第三电能逆变模块、三相集成磁耦合纹波转移通道模块；四绕组变压器模块包括原边第一绕组、副边第一绕组、副边第二绕组和副边第三绕组；三相集成磁耦合纹波转移通道模块包括三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相、三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相、三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相；直流电源与原边第一电能逆变模块输入端连接，原边第一电能逆变模块输出端与谐振模块输入端连接，谐振模块输出端与原边第一绕组连接，副边第一绕组、副边第二绕组、副边第三绕组分别与第一电能整流模块、第二电能整流模块、第三电能整流模块输入端连接；第一电能整流模块输出端与第一滤波电容Ca、副边第一电能逆变模块输入端相连，第二电能整流模块输出端与第二滤波电容Cb、副边第二电能逆变模块输入端相连，第三电能整流模块输出端与第三滤波电容Cc、副边第三电能逆变模块输入端相连；第一电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相输出端与三相电网A相连接；第二电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相输出端与三相电网B相连接；第三电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相输出端与三相电网C相连接。
在上述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器中，原边第一电能逆变模块包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4组成的H桥；副边第一电能逆变模块包括A相第一开关管Qa1、A相第二开关管Qa2、A相第三开关管Qa3、A相第四开关管Qa4构成的H桥；副边第二电能逆变模块包括B相第一开关管Qb1、B相第二开关管Qb2、B相第三开关管Qb3、B相第四开关管Qb4构成的H桥；副边第三电能逆变模块包括C相第一开关管Qc1、C相第二开关管Qc2、C相第三开关管Qc3、C相第四开关管Qc4构成的H桥；第一电能整流模块包括A相第一二极管Da1、A相第二二极管Da2、A相第三二极管Da3、A相第四二极管Da4构成的H桥；第二电能整流模块由B相第一二极管Db1、B相第二二极管Db2、B相第三二极管Db3、B相第四二极管Db4构成的H桥；第三电能整流模块由C相第一二极管Dc1、C相第二二极管Dc2、C相第三二极管Dc3、C相第四二极管Dc4构成的H桥。
在上述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器中，谐振模块包括依次串联的第一谐振电容Cr、第一谐振电感Lr和第一励磁电感Lm。
在上述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器中，三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相包括第一原边耦合电感La、第一副边耦合电感Lua和第一辅助电容Cga；三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相包括第二原边耦合电感Lb、第二副边耦合电感Lub和第二辅助电容Cga；三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相包括第三原边耦合电感Lc、第三副边耦合电感Luc、和第三辅助电容Cga。
在上述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器中，第一原边耦合电感La、第二原边耦合电感Lb、第三原边耦合电感Lc与第一副边耦合电感Lua、第二副边耦合电感Lub第三副边耦合电感Luc集成于同一个磁芯。
基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器控制方法，包括：
1)对第一原边耦合电感La、第二原边耦合电感Lb、第三原边耦合电感Lc和第一副边耦合电感Lua、第二副边耦合电感Lub、第三副边耦合电感Luc共同构成的三相耦合电感的参数进行优化选取，使第一副边耦合电感Lua、第二副边耦合电感Lub、第三副边耦合电感Luc在主功率通道上的第一原边耦合电感La、第二原边耦合电感Lb、第三原边耦合电感Lc上感应产生的互感电压最大程度抵消主功率通道上的第一原边耦合电感La、第二原边耦合电感Lb、第三原边耦合电感Lc上受到的压降，使主功率通道上的第一原边耦合电感La、第二原边耦合电感Lb、第三原边耦合电感Lc的自感电压最小化，进而使得并网电流的纹波幅度最小化；
2)减小主功率通道的第一原边耦合电感La、第二原边耦合电感Lb、第三原边耦合电感Lc上电流纹波，使得主功率通道的第一原边耦合电感La、第二原边耦合电感Lb、第三原边耦合电感Lc在副边耦合电感第一副边耦合电感Lua、第二副边耦合电感Lub、第三副边耦合电感Luc上感应产生的互感电压减小，导述第一副边耦合电感Lua、第二副边耦合电感Lub、第三副边耦合电感Luc上的自感电压增大，进而使第一副边耦合电感Lua、第二副边耦合电感Lub、第三副边耦合电感Luc上的电流纹波幅度增加；同时通过调节逆变器开关频率控制第一副边耦合电感Lua、第二副边耦合电感Lub、第三副边耦合电感Luc上电流纹波的幅度；
3)三相电网A相电流正半周期时，A相第二开关管Qa2和A相第三开关管Qa3实现零电压开通，第一副边耦合电感Lua为A相第一开关管Qa1和A相第四开关管Qa4的零电压开通提供能量；
4)三相电网A相电流负半周期时，A相第一开关管Qa1和A相第四开关管Qa4实现零电压开通，第一副边耦合电感Lua为A相第二开关管Qa2和A相第三开关管Qa3的零电压开通提供能量；
5)三相电网B相电流正半周期时，B相第二开关管Qb2、B相第三开关管Qb3实现零电压开通，第二副边耦合电感Lub为B相第一开关管Qb1、B相第四开关管Qb4的零电压开通提供能量；
6)三相电网B相电流负半周期时，B相第一开关管Qb1、B相第四开关管Qb4实现零电压开通，第二副边耦合电感Lub为B相第二开关管Qb2、B相第三开关管Qb3的零电压开通提供能量；
7)三相电网C相电流正半周期时，C相第二开关管Qc2和C相第三开关管Qc3实现零电压开通，第三副边耦合电感Luc为C相第一开关管Qc1和C相第四开关管Qc4的零电压开通提供能量；
8)三相电网C相电流负半周期时，C相第一开关管Qc1和C相第四开关管Qc4实现零电压开通，第三副边耦合电感Luc为C相第二开关管Qc2和C相第三开关管Qc3的零电压开通提供能量。
在上述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器控制方法中，第一原边耦合电感La、第二原边耦合电感Lb、第三原边耦合电感Lc上电流纹波最小化条件在高磁导率磁芯和低磁导率磁芯下分别为：
Figure BDA0003573256040000051
其中La＝Lb＝Lc＝L1，Lua＝Lub＝Luc＝L2，y为耦合电感原边磁环厚度与中间磁环厚度比值，x为原边或副边磁柱的长度与原边或副边磁环的平均周长的比值的三倍。
在上述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器控制方法中，在H桥逆变器中实现软开关的开关管导通期间辅助电容电流瞬时幅值的绝对值大于所在相并网电流的绝对值。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)模块化分布式逆变器的拓扑结构，通过构建三相功率通道，使每个光伏模块的功率传输到三相中，从而完全解决了三相功率不均的问题；
(2)利用四绕组变压器进行两倍频功率解耦，可以保证两倍频功率分量的磁通完全抵消，在不增加变压器体积的情况下可以减小直流母线的电容容量，进而减小模块体积；
(3)将原有的三相LCL滤波器改造为三相集成磁耦合纹波转移通道，在未增加额外无源元件的情况下，提高了逆变器并网电流纹波衰减能力，同时滤波电容支路的纹波能量可用于辅助逆变器的所有开关实现零电压开关，进一步提高系统的功率密度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于三相集成磁耦合纹波转移技术的模块化光伏并网逆变器拓扑结构电路图；
图2为本发明实施例提供的三相集成耦合电感的磁芯结构图；
图3为本发明实施例提供的并网电流仿真波形图；
图4为本发明实施例提供的并网电流谐波频谱图；
图5为本发明实施例提供的A相并网电流和滤波电容仿真波形图；
图6为本发明实施例提供的A相并网电流和滤波电容仿真波形细节放大图；
图7为本发明实施例提供的四绕组变压器原副边电流仿真波形图；
图8为本发明实施例提供的三相H桥逆变器单元直流侧电压仿真波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例一种基于三相集成磁耦合纹波转移技术的模块化光伏逆变器拓扑结构，将三相输出子模块集成在一个多端口变压器上，基于拓扑固有优势，解决级联H桥逆变器中相间功率不平衡等问题，并大大减小后级储能电容的大小；同时将原有的三相LCL滤波器改造为三相集成磁耦合纹波转移通道，在未增加额外无源元件的情况下，提高了逆变器并网电流纹波衰减能力，并辅助所有开关管实现软开关。
本实施例是通过下述技术方案得以解决的：如图1所示，基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器包括：直流电源、原边第一电能逆变模块、谐振模块、四绕组变压器模块、第一电能整流模块、第二电能整流模块、第三电能整流模块、第一滤波电容Ca、第二滤波电容Cb、第三滤波电容Cc、副边第一电能逆变模块、副边第二电能逆变模块、副边第三电能逆变模块、三相集成磁耦合纹波转移通道模块、三相交流电网。
并且，四绕组变压器模块由原边第一绕组、副边第一绕组、副边第二绕组、副边第三绕组共同构成。
并且，直流电源与原边第一电能逆变模块输入端连接，原边第一电能逆变模块输出端与谐振模块输入端连接，谐振模块输出端与四绕组变压器模块原边第一绕组连接，四绕组变压器模块副边第一绕组、副边第二绕组、副边第三绕组分别与第一电能整流模块、第二电能整流模块、第三电能整流模块输入端连接；第一电能整流模块输出端与第一滤波电容Ca、副边第一电能逆变模块输入端相连，第二电能整流模块输出端与第二滤波电容Cb、副边第二电能逆变模块输入端相连，第三电能整流模块输出端与第三滤波电容Cc、副边第三电能逆变模块输入端相连；第一电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相输出端与三相电网A相连接；第二电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相输出端与三相电网B相连接；第三电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相输出端与三相电网C相连接。
并且，原边第一电能逆变模块、第一电能整流模块、第二电能整流模块、第三电能整流模块、副边第一电能逆变模块、副边第二电能逆变模块、副边第三电能逆变模块均由四开关H桥构成。
并且，原边第一电能逆变模块由第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4构成；副边第一电能逆变模块由A相第一开关管Qa1、A相第二开关管Qa2、A相第三开关管Qa3、A相第四开关管Qa4构成；副边第二电能逆变模块由B相第一开关管Qb1、B相第二开关管Qb2、B相第三开关管Qb3、B相第四开关管Qb4构成；副边第三电能逆变模块由C相第一开关管Qc1、C相第二开关管Qc2、C相第三开关管Qc3、C相第四开关管Qc4构成；第一电能整流模块由A相第一二极管Da1、A相第二二极管Da2、A相第三二极管Da3、A相第四二极管Da4构成；第二电能整流模块由B相第一二极管Db1、B相第二二极管Db2、B相第三二极管Db3、B相第四二极管Db4构成；第三电能整流模块由C相第一二极管Dc1、C相第二二极管Dc2、C相第三二极管Dc3、C相第四二极管Dc4构成。
并且，谐振模块由第一谐振电容Cr、第一谐振电感Lr、第一励磁电感Lm构成。
并且，三相集成磁耦合纹波转移通道模块由第一原边耦合电感La、第二原边耦合电感Lb、第三原边耦合电感Lc、第一副边耦合电感Lua、第二副边耦合电感Lub、第三副边耦合电感Luc、第一辅助电容Cga、第二辅助电容Cgb、第三辅助电容Cgc共同构成。
并且，原边耦合电感La、Lb、Lc、副边耦合电感Lua、Lub、Luc和辅助电容Cga、Cgb、Cgc构成的磁耦合纹波转移通道，借助磁耦合纹波转移技术进行三相主功率通道的电流纹波衰减。
基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器通过以下方式进行纹波转移和辅助全开关实现软开关：
一、对第一、第二、第三原边耦合电感La、Lb、Lc和第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc共同构成的三相耦合电感的参数进行优化选取，使第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc在主功率通道上的第一、第二、第三原边耦合电感La、Lb、Lc上感应产生的互感电压最大程度抵消主功率通道上的第一、第二、第三原边耦合电感La、Lb、Lc上受到的压降，使主功率通道上的第一、第二、第三原边耦合电感La、Lb、Lc上的自感电压最小化，进而使得并网电流的纹波幅度最小化。
二、减小主功率通道的第一、第二、第三原边耦合电感La、Lb、Lc上电流纹波，使得主功率通道的第一、第二、第三原边耦合电感La、Lb、Lc在第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc上感应产生的互感电压减小，导致第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc上的自感电压增大，进而使第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc上的电流纹波幅度增加。同时通过合理调节逆变器开关频率即可合理控制第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc上电流纹波的幅度。
三、三相电网A相电流正半周期情况下，副边第一电能逆变模块反对角线的A相第二开关管Qa2和A相第三开关管Qa3可以自然实现零电压开通，第一副边耦合电感Lua为副边第一电能逆变模块正对角线的A相第一开关管Qa1和A相第四开关管Qa4的零电压开通提供能量。
四、三相电网A相电流负半周期情况下，副边第一电能逆变模块正对角线的A相第一开关管Qa1和A相第四开关管Qa4可以自然实现零电压开通，第一副边耦合电感Lua为副边第一电能逆变模块负对角线的A相第二开关管Qa2和A相第三开关管Qa3的零电压开通提供能量。
五、三相电网B相电流正半周期情况下，副边第二电能逆变模块反对角线的B相第二开关管Qb2和B相第三开关管Qb3可以自然实现零电压开通，第一副边耦合电感Lub为副边第二电能逆变模块正对角线的B相第一开关管Qb1和B相第四开关管Qb4的零电压开通提供能量。
六、三相电网B相电流负半周期情况下，副边第二电能逆变模块正对角线的B相第一开关管Qb1和B相开关管Qb4可以自然实现零电压开通，第一副边耦合电感Lub为副边第二电能逆变模块负对角线的B相第二开关管Qb2和B相第三开关管Qb3的零电压开通提供能量。
七、三相电网C相电流正半周期情况下，副边第三电能逆变模块反对角线的C相第二开关管Qc2和C相第三开关管Qc3可以自然实现零电压开通，第一副边耦合电感Luc为副边第三电能逆变模块正对角线的C相第一开关管Qc1和C相第四开关管Qc4的零电压开通提供能量。
八、三相电网C相电流负半周期情况下，副边第三电能逆变模块正对角线的C相第一开关管Qc1和C相第四开关管Qc4可以自然实现零电压开通，第一副边耦合电感Luc为副边第三电能逆变模块负对角线的C相第二开关管Qc2和C相第三开关管Qc3的零电压开通提供能量。
实现主功率通道上的第一、第二、第三原边耦合电感La、Lb、Lc电流纹波最小化的条件在高磁导率磁芯和低磁导率磁芯下分别为：
Figure BDA0003573256040000101
其中La＝Lb＝Lc＝L1，Lua＝Lub＝Luc＝L2，y为耦合电感原边磁环厚度与中间磁环厚度比值，x为原边或副边磁柱的长度与原边或副边磁环的平均周长的比值的三倍。
而且，第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc辅助实现H桥逆变器全开关管软开关的条件为在H桥逆变器中自然实现软开关的开关管导通期间辅助电容电流瞬时幅值的绝对值大于所在相并网电流的绝对值。
具体实施时，基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器进行纹波转移和辅助全开关实现软开关：
对第一、第二、第三原边耦合电感La、Lb、Lc和第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc共同构成的三相耦合电感的参数进行优化选取，使副边耦合电感Lua、Lub、Luc在主功率通道上的原边耦合电感La、Lb、Lc上感应产生的互感电压最大程度抵消主功率通道上的原边耦合电感La、Lb、Lc上受到的压降，使主功率通道上的原边耦合电感La、Lb、Lc上的自感电压最小化，进而使得并网电流的纹波幅度最小化。
图2为一种三相集成耦合电感的磁芯结构图，将第一、第二、第三原边耦合电感La、Lb、Lc和第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc集成在同一个磁芯中，从而缩小磁性元件的体积。图中同一磁环上的三个线圈分别表示A、B、C三相的自感线圈。
减小主功率通道的第一、第二、第三原边耦合电感La、Lb、Lc上电流纹波，使得主功率通道的第一、第二、第三原边耦合电感La、Lb、Lc在第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc上感应产生的互感电压减小，导致第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc上的自感电压增大，进而使第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc上的电流纹波幅度增加。同时通过合理调节逆变器开关频率即可合理控制第一、第三、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc上电流纹波的幅度。
三相电网A相电流正半周期情况下，副边第一电能逆变模块反对角线的A相第二开关管Qa2和A相第三开关管Qa3可以自然实现零电压开通，第一副边耦合电感Lua为副边第一电能逆变模块正对角线的A相第一开关管Qa1和A相第四开关管Qa4的零电压开通提供能量；
三相电网A相电流负半周期情况下，副边第一电能逆变模块正对角线的A相第一开关管Qa1和A相第四开关管Qa4可以自然实现零电压开通，第一副边耦合电感Lua为副边第一电能逆变模块负对角线的A第二开关管Qa2和A相第三开关管Qa3的零电压开通提供能量；
三相电网B相电流正半周期情况下，副边第二电能逆变模块反对角线的B相第二开关管Qb2和B相第三开关管Qb3可以自然实现零电压开通，第一副边耦合电感Lub为副边第二电能逆变模块正对角线的B相第一开关管Qb1和B相第四开关管Qb4的零电压开通提供能量；
三相电网B相电流负半周期情况下，副边第二电能逆变模块正对角线的B相第一开关管Qb1和B相第四开关管Qb4可以自然实现零电压开通，第一副边耦合电感Lub为副边第二电能逆变模块负对角线的B相第二开关管Qb2和B相第三开关管Qb3的零电压开通提供能量；
三相电网C相电流正半周期情况下，副边第三电能逆变模块反对角线的C相第二开关管Qc2和C相第三开关管Qc3可以自然实现零电压开通，第一副边耦合电感Luc为副边第三电能逆变模块正对角线的C相第一开关管Qc1和C相第四开关管Qc4的零电压开通提供能量；
三相电网C相电流负半周期情况下，副边第三电能逆变模块正对角线的C相第一开关管Qc1和C相第四开关管Qc4可以自然实现零电压开通，第一副边耦合电感Luc为副边第三电能逆变模块负对角线的C相第二开关管Qc2和C相第三开关管Qc3的零电压开通提供能量；
实现主功率通道上的第一、第二、第三原边耦合电感La、Lb、Lc电流纹波最小化的条件在高磁导率磁芯和低磁导率磁芯下分别为：
Figure BDA0003573256040000111
其中La＝Lb＝Lc＝L1，Lua＝Lub＝Luc＝L2，y为耦合电感原边磁环厚度与中间磁环厚度比值，x为原边或副边磁柱的长度与原边或副边磁环的平均周长的比值的三倍。
第一、第二、第三副边耦合电感Lua、Lub、Luc辅助实现H桥逆变器全开关管软开关的条件为在H桥逆变器中自然实现软开关的开关管导通期间辅助电容电流瞬时幅值的绝对值大于所在相并网电流的绝对值。
实施例1
采用SIMULINK仿真软件搭建本发明提出的基于三相集成磁耦合纹波转移技术的模块化光伏逆变器拓扑结构模型进行仿真验证，参数如表1所示：
表1模块化三相光伏逆变器仿真参数
参数 符号 数值
光伏端电压 v<sub>pv</sub> 350V
LLC变换器谐振电感 L<sub>r</sub> 1.1μH
LLC变换器谐振电容 C<sub>r</sub> 600nF
LLC变换器励磁电感 L<sub>m</sub> 5.2μH
H桥逆变器直流侧电压 v<sub>da,db,dc</sub> 400V
H桥逆变器直流侧电容 C<sub>a,b,c</sub> 20μF
交流电网电压峰值 V<sub>am</sub> 311V
原边自感 L<sub>1</sub> 1mH
副边自感 L<sub>2</sub> 0.17mH
交流侧滤波电容 C<sub>ga,gb,gc</sub> 1μF
额定并网电流峰值 I<sub>am_rated</sub> 4.3A
电网角频率 ω 314.16rad/s
图3为本实施例1提供的并网电流仿真波形图；图4为本实施例1提供的并网电流谐波频谱图。由仿真结果可以看出并网电流的纹波较小且THD小于5％，满足并网电流相关标准，同时也验证了三相集成磁耦合纹波转移通道的有效性。
图5为本实施例1提供的A相并网电流和滤波电容仿真波形图；图6为本实施例1提供的A相并网电流和滤波电容仿真波形细节放大图。由仿真结果可以看出三相开关管的开通时刻处于可控状态，只需要较小的IZVS(IZVS为保证死区期间使开关管漏极和源极之间寄生电容的电荷释放为零的最小电流)即可保证完全实现全开关ZVS。
图7为本实施例1提供的四绕组变压器原副边电流仿真波形图；图8为本实施例1提供的三相H桥逆变器单元直流侧电压仿真波形图。由仿真结果可知四绕组变压器副边三相电流的幅值以二倍工频的波动，进而引起磁通的二倍工频波动，波动的磁通量在四绕组变压器磁芯中相互抵消，四绕组变压器原边电流不再含有二倍频分量；其三相H桥逆变器单元直流侧电压纹波峰峰值仅为2.9V，可计算得到通过滤波电容缓冲的两倍频功率仅为7.29W，而绝大部分两倍频功率振荡则通过四绕组高频变压器实现相互抵消，因此H桥逆变器直流侧电容的功能仅为滤波，从而显著减小了电容容量。以上仿真结果充分证明了本发明的有效性。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器，其特征在于：包括直流电源、LLC谐振变换器、H桥逆变器和三相交流电网；LLC谐振变换器包括原边第一电能逆变模块、谐振模块、四绕组变压器模块、第一电能整流模块、第二电能整流模块和第三电能整流模块；H桥逆变器包括第一滤波电容(Ca)、第二滤波电容(Cb)、第三滤波电容(Cc)、副边第一电能逆变模块、副边第二电能逆变模块、副边第三电能逆变模块、三相集成磁耦合纹波转移通道模块；四绕组变压器模块包括原边第一绕组、副边第一绕组、副边第二绕组和副边第三绕组；三相集成磁耦合纹波转移通道模块包括三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相、三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相、三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相；直流电源与原边第一电能逆变模块输入端连接，原边第一电能逆变模块输出端与谐振模块输入端连接，谐振模块输出端与原边第一绕组连接，副边第一绕组、副边第二绕组、副边第三绕组分别与第一电能整流模块、第二电能整流模块、第三电能整流模块输入端连接；第一电能整流模块输出端与第一滤波电容(Ca)、副边第一电能逆变模块输入端相连，第二电能整流模块输出端与第二滤波电容(Cb)、副边第二电能逆变模块输入端相连，第三电能整流模块输出端与第三滤波电容(Cc)、副边第三电能逆变模块输入端相连；第一电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相输出端与三相电网A相连接；第二电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相输出端与三相电网B相连接；第三电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相输出端与三相电网C相连接。
2.根据权利要求1所述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器，其特征在于：原边第一电能逆变模块包括第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)组成的H桥；副边第一电能逆变模块包括A相第一开关管(Qa1)、A相第二开关管(Qa2)、A相第三开关管(Qa3)、A相第四开关管(Qa4)构成的H桥；副边第二电能逆变模块包括B相第一开关管(Qb1)、B相第二开关管(Qb2)、B相第三开关管(Qb3)、B相第四开关管(Qb4)构成的H桥；副边第三电能逆变模块包括C相第一开关管(Qc1)、C相第二开关管(Qc2)、C相第三开关管(Qc3)、C相第四开关管(Qc4)构成的H桥；第一电能整流模块包括A相第一二极管(Da1)、A相第二二极管(Da2)、A相第三二极管(Da3)、A相第四二极管(Da4)构成的H桥；第二电能整流模块由B相第一二极管(Db1)、B相第二二极管(Db2)、B相第三二极管(Db3)、B相第四二极管(Db4)构成的H桥；第三电能整流模块由C相第一二极管(Dc1)、C相第二二极管(Dc2)、C相第三二极管(Dc3)、C相第四二极管(Dc4)构成的H桥。
3.根据权利要求1所述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器，其特征在于：谐振模块包括依次串联的第一谐振电容(Cr)、第一谐振电感(Lr)和第一励磁电感(Lm)。
4.根据权利要求1所述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器，其特征在于：三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相包括第一原边耦合电感(La)、第一副边耦合电感(Lua)和第一辅助电容(Cga)；三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相包括第二原边耦合电感(Lb)、第二副边耦合电感(Lub)和第二辅助电容(Cga)；三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相包括第三原边耦合电感(Lc)、第三副边耦合电感(Luc)、和第三辅助电容(Cga)。
5.根据权利要求1所述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器，其特征在于：第一原边耦合电感(La)、第二原边耦合电感(Lb)、第三原边耦合电感(Lc)与第一副边耦合电感(Lua)、第二副边耦合电感(Lub)第三副边耦合电感(Luc)集成于同一个磁芯。
6.根据权利要求1-5任意一项所述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器控制方法，其特征在于：包括：
1)对第一原边耦合电感(La)、第二原边耦合电感(Lb)、第三原边耦合电感(Lc)和第一副边耦合电感(Lua)、第二副边耦合电感(Lub)、第三副边耦合电感(Luc)共同构成的三相耦合电感的参数进行优化选取，使第一副边耦合电感(Lua)、第二副边耦合电感(Lub)、第三副边耦合电感(Luc)在主功率通道上的第一原边耦合电感(La)、第二原边耦合电感(Lb)、第三原边耦合电感(Lc)上感应产生的互感电压最大程度抵消主功率通道上的第一原边耦合电感(La)、第二原边耦合电感(Lb)、第三原边耦合电感(Lc)上受到的压降，使主功率通道上的第一原边耦合电感(La)、第二原边耦合电感(Lb)、第三原边耦合电感(Lc)的自感电压最小化，进而使得并网电流的纹波幅度最小化；
2)减小主功率通道的第一原边耦合电感(La)、第二原边耦合电感(Lb)、第三原边耦合电感(Lc)上电流纹波，使得主功率通道的第一原边耦合电感(La)、第二原边耦合电感(Lb)、第三原边耦合电感(Lc)在副边耦合电感第一副边耦合电感(Lua)、第二副边耦合电感(Lub)、第三副边耦合电感(Luc)上感应产生的互感电压减小，导述第一副边耦合电感(Lua)、第二副边耦合电感(Lub)、第三副边耦合电感(Luc)上的自感电压增大，进而使第一副边耦合电感(Lua)、第二副边耦合电感(Lub)、第三副边耦合电感(Luc)上的电流纹波幅度增加；同时通过调节逆变器开关频率控制第一副边耦合电感(Lua)、第二副边耦合电感(Lub)、第三副边耦合电感(Luc)上电流纹波的幅度；
3)三相电网A相电流正半周期时，A相第二开关管(Qa2)和A相第三开关管(Qa3)实现零电压开通，第一副边耦合电感(Lua)为A相第一开关管(Qa1)和A相第四开关管(Qa4)的零电压开通提供能量；
4)三相电网A相电流负半周期时，A相第一开关管(Qa1)和A相第四开关管(Qa4)实现零电压开通，第一副边耦合电感(Lua)为A相第二开关管(Qa2)和A相第三开关管(Qa3)的零电压开通提供能量；
5)三相电网B相电流正半周期时，B相第二开关管(Qb2)、B相第三开关管(Qb3)实现零电压开通，第二副边耦合电感(Lub)为B相第一开关管(Qb1)、B相第四开关管(Qb4)的零电压开通提供能量；
6)三相电网B相电流负半周期时，B相第一开关管(Qb1)、B相第四开关管(Qb4)实现零电压开通，第二副边耦合电感(Lub)为B相第二开关管(Qb2)、B相第三开关管(Qb3)的零电压开通提供能量；
7)三相电网C相电流正半周期时，C相第二开关管(Qc2)和C相第三开关管(Qc3)实现零电压开通，第三副边耦合电感(Luc)为C相第一开关管(Qc1)和C相第四开关管(Qc4)的零电压开通提供能量；
8)三相电网C相电流负半周期时，C相第一开关管(Qc1)和C相第四开关管(Qc4)实现零电压开通，第三副边耦合电感(Luc)为C相第二开关管(Qc2)和C相第三开关管(Qc3)的零电压开通提供能量。
7.根据权利要求6所述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器控制方法，其特征在于：第一原边耦合电感(La)、第二原边耦合电感(Lb)、第三原边耦合电感(Lc)上电流纹波最小化条件在高磁导率磁芯和低磁导率磁芯下分别为：
Figure FDA0003573256030000041
其中La＝Lb＝Lc＝L1，Lua＝Lub＝Luc＝L2，y为耦合电感原边磁环厚度与中间磁环厚度比值，x为原边或副边磁柱的长度与原边或副边磁环的平均周长的比值的三倍。
8.根据权利要求6所述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器控制方法，其特征在于：在H桥逆变器中实现软开关的开关管导通期间辅助电容电流瞬时幅值的绝对值大于所在相并网电流的绝对值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115588990A (zh) * 2022-12-08 2023-01-10 锦浪科技股份有限公司 一种风光柴储一体机的辅助电源磁集成变压器

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