CN205304268U - 一种交错并联型光伏并网逆变器 - Google Patents

Abstract

一种交错并联型光伏并网逆变器，包括光伏阵列、Boost升压电路、交错并联型三电平双降压式全桥并网逆变电路。通过将两路逆变交错并联输出，提高了系统的功率密度，降低了功率开关器件的电应力和热应力，降低了输出并网电流的总谐波失真；并对其结构进行优化，使交错并联的两逆变电路共用两个工频功率开关器件，降低了控制的复杂度，提高了系统的稳定性和可靠性，且便于系统扩展，通用性强。

Description

一种交错并联型光伏并网逆变器

技术领域

本实用新型涉及一种交错并联型光伏并网逆变器，属于新能源发电与智能电网领域。

背景技术

太阳能的利用是缓解全球能源紧缺与环境污染问题的重要途径，光伏发电就是近年来研究的热点之一。目前光伏并网系统中对逆变器功率等级和并网电流质量的要求越来越高，传统逆变器通常采用两电平脉宽调制的全桥拓扑与单电感L输出滤波器相结合的方案，然而随着系统功率等级的升高，受功率器件开关损耗的限制，系统开关频率必须减小，大功率逆变器无法避免使用大滤波电感，而大电感的使用会降低系统的动态响应、增大损耗。现常用的LCL滤波器能够更好地抑制电流高频分量，可实现在电感值较单电感L滤波器小得多的情况下达到相同的滤波效果，但其存在三阶系统，易引起输出振荡的特性，系统稳定性低，而且大电容的使用会降低系统功率因数，增大输出电流总谐波失真。因此，如何兼顾并网逆变器功率等级提升、系统转换效率、可靠性以及输出并网电流THD、纹波在光伏逆变系统中尤为重要。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，发明了一种交错并联型光伏并网逆变器，通过将两路逆变交错并联输出，提高了系统的功率密度，降低了功率开关器件的电应力和热应力，降低了输出并网电流的总谐波失真；并对其结构进行优化，使交错并联的两逆变电路共用两个工频功率开关器件，降低了控制的复杂度，提高了系统的稳定性和可靠性，且便于系统扩展，通用性强。

本实用新型的技术方案为：一种交错并联型光伏并网逆变器，包括光伏阵列、Boost升压电路、交错并联型三电平双降压式全桥并网逆变电路；光伏阵列、Boost升压电路、交错并联型三电平双降压式全桥并网逆变电路依次连接，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，并入交流电网中；Boost升压电路包括光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀、Boost升压电路开关器件S₀、Boost升压电路二极管D₀、直流侧储能电容C_dc；交错并联型三电平双降压式全桥并网逆变电路包括六个功率开关器件S_a、S_b、S₁、S₂、S_o、S_p以及它们各自的反并联二极管和缓冲电容，四个二极管D_a、D_b、D₁、D₂以及它们各自的缓冲电容，四个滤波电感L_a、L_b、L₁、L₂，交流电网；光伏阵列与光伏侧储能电容C₀并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感L₀相连，Boost升压电感L₀另一端与Boost升压电路开关器件S₀的集电极、Boost升压电路二极管D₀的阳极相连，Boost升压电路二极管D₀的阴极与直流侧储能电容C_dc的一端、功率开关器件S_a的集电极、二极管D_b的阴极、功率开关器件S_o的集电极、功率开关器件S₁的集电极、二极管D₂的阴极相连，直流侧储能电容C_dc的另一端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件S₀的发射极、二极管D_a的阳极、功率开关器件S_b的发射极、二极管D₁的阳极、功率开关器件S₂的发射极、功率开关器件S_p的发射极相连，功率开关器件S_a的发射极与二极管D_a的阴极、滤波电感L_a的一端相连，滤波电感L_a的另一端与滤波电感L_b的一端相连，滤波电感L_b的另一端与二极管D_b的阳极、功率开关器件S_b的集电极相连，功率开关器件S₁的发射极与二极管D₁的阴极、滤波电感L₁的一端相连，滤波电感L₁的另一端与滤波电感L₂的一端相连，滤波电感L₂的另一端与二极管D₂的阳极、功率开关器件S₂的集电极相连，分别由滤波电感L_a和滤波电感L_b连接处、滤波电感L₁和滤波电感L₂连接处引出线接至交流电网，交流电网另一端接地并与功率开关器件S_o的发射极、功率开关器件S_p的集电极相连。

本实用新型的有益效果：1、提高了光伏发电系统的功率密度，降低了功率开关器件的电应力和热应力，且输出纹波电流进一步降低，在不提高功率管开关频率的情况下频率增加一倍，进而减小了输出并网电流的总谐波失真；2、继承了三电平双降压式全桥逆变器转换效率高、无桥臂直通、无功率开关管体二极管反向恢复问题等优点；3、交错并联的逆变电路共用两个工频功率开关器件，降低了控制的复杂度，提高了系统的稳定性和可靠性，同时使得系统更易扩展，通用性强。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型等效电路图。

图3为本实用新型等效电路的具体工作原理和时序图。

图4为本实用新型并网实验波形图。

图5为本实用新型输出电流交错实验波形图。

图6为本实用新型效率曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步阐述，但不限于此。

图1所示为交错并联型光伏并网逆变器结构示意图，包括光伏阵列、Boost升压电路、交错并联型三电平双降压式全桥并网逆变电路；光伏阵列、Boost升压电路、交错并联型三电平双降压式全桥并网逆变电路依次连接，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，并入交流电网中；Boost升压电路包括光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀、Boost升压电路开关器件S₀、Boost升压电路二极管D₀、直流侧储能电容C_dc；交错并联型三电平双降压式全桥并网逆变电路包括六个功率开关器件S_a、S_b、S₁、S₂、S_o、S_p以及它们各自的反并联二极管和缓冲电容，四个二极管D_a、D_b、D₁、D₂以及它们各自的缓冲电容，四个滤波电感L_a、L_b、L₁、L₂，交流电网；光伏阵列与光伏侧储能电容C₀并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感L₀相连，Boost升压电感L₀另一端与Boost升压电路开关器件S₀的集电极、Boost升压电路二极管D₀的阳极相连，Boost升压电路二极管D₀的阴极与直流侧储能电容C_dc的一端、功率开关器件S_a的集电极、二极管D_b的阴极、功率开关器件S_o的集电极、功率开关器件S₁的集电极、二极管D₂的阴极相连，直流侧储能电容C_dc的另一端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件S₀的发射极、二极管D_a的阳极、功率开关器件S_b的发射极、二极管D₁的阳极、功率开关器件S₂的发射极、功率开关器件S_p的发射极相连，功率开关器件S_a的发射极与二极管D_a的阴极、滤波电感L_a的一端相连，滤波电感L_a的另一端与滤波电感L_b的一端相连，滤波电感L_b的另一端与二极管D_b的阳极、功率开关器件S_b的集电极相连，功率开关器件S₁的发射极与二极管D₁的阴极、滤波电感L₁的一端相连，滤波电感L₁的另一端与滤波电感L₂的一端相连，滤波电感L₂的另一端与二极管D₂的阳极、功率开关器件S₂的集电极相连，分别由滤波电感L_a和滤波电感L_b连接处、滤波电感L₁和滤波电感L₂连接处引出线接至交流电网，交流电网另一端接地并与功率开关器件S_o的发射极、功率开关器件S_p的集电极相连。

为简化分析，做如下假设：1、器件均为理想工作状态；2、光伏阵列、Boost升压电路等效为一直流电压源V_dc。本实用新型等效电路图如图2中所示，图中u_grid为电网电压，i_o为并网输出总电流，i_La、i_Lb、i_L1、i_L2分别为流过滤波电感L_a、L_b、L₁、L₂的电流。

并网功率为2kW时，图2中等效电路的具体工作原理和时序图如图3中所示。图3中d_ru1、d_ru2、d_rua、d_rub、d_rup、d_ruo分别为功率开关器件S₁、S₂、S_a、S_b、S_p、S_o的驱动脉冲。

下面结合图2和图3，分析本实用新型的工作原理。本实用新型可分为以下4个阶段。

1、t₀—t₁段：电网电压u_grid和输出电流i_o均大于0，此阶段开关管S_p导通，S_o截止，电感电流i_L2、i_Lb等于0，i_Z1＝i_L1，i_Z2＝i_La，i_o＝i_Z1+i_Z2。

(1)工作模态1：功率开关器件S₁、S_a、S_p导通，S₂、S_b、S_o截止，i_L1、i_La均线性上升。

(2)工作模态2：功率开关器件S₁截止，S_a、S_p导通，i_L1通过二极管D₁续流，线性下降，i_La线性上升。

(3)工作模态3：功率开关器件S_a截止，S₁、S_p导通，i_La通过二极管D_a续流，线性下降，i_L1线性上升。

(4)工作模态4：功率开关器件S_a、S₁截止，S_p导通，i_L1通过功率二极管D₁续流，线性下降，i_La通过功率二极管D_a续流，线性下降。

2、t₁—t₂段：该时间段为功率开关器件S_o、S_p的开关死区时间，S_p关断，S_o尚未开通，电网电压u_grid和输出电流i_o由正变负，t₁时刻电感电流i_L1、i_La仍然大于0。

(5)工作模态5：功率开关器件S₁、S_a、S_p、S₂、S_b、S_o均截止，u_grid＞0，i_L1＞0，i_La＞0，i_L1通过二极管D₁续流，线性下降，i_La通过二极管D_a续流，线性下降，输出电流i_o通过S_o的二极管继续下降。

(6)工作模态6：功率开关器件S₁、S_a、S_p、S₂、S_b、S_o均截止，u_grid＞0，i_L1、i_La均降为0，死区中这个时刻电路暂不工作。

t₂—t₄段为u_grid＜0的半周，此时开关管S_o工作，S_p截止，电路工作过程同u_grid＞0的半周，即之前的t₀—t₂段对称，在此不再赘述。

本实用新型实验样机的参数如下：主电路功率开关器件采用FGL35N120FTD、二极管采用DSEI60-06A、输出滤波电感L_a＝L_b＝L₁＝L₂＝1mH，输出单相并网电压为u_grid＝220VAC/50Hz。交错输出额定功率为2kW。

图4为本实用新型并网实验波形：逆变电路输出电流i_Z1、i_Z2交错并联后，逆变器并网输出总电流i_o与电网电压同频同相。图5为逆变电路输出电流交错实验波形，与理论分析一致，单路输出纹波电流的频率与开关频率一致，为60kHz，电流交错后输出纹波电流的频率增加了一倍，且电流纹波进一步减小。

图6为本实用新型效率曲线图，输出功率为2kW时，系统最高效率高达98.67％，通过损耗分析与计算，该逆变器损耗中的铁损和铜损只占整个损耗的17.184％，损耗主要集中在功率开关器件和二极管的通态损耗及其开关损耗上。同时，本实用新型输出纹波电流的减小和倍频于开关频率的提升，使得其输出电流THD较单路三电平双降压式全桥逆变器进一步减小。

Claims (1)

1.一种交错并联型光伏并网逆变器，包括光伏阵列、Boost升压电路、交错并联型三电平双降压式全桥并网逆变电路；光伏阵列、Boost升压电路、交错并联型三电平双降压式全桥并网逆变电路依次连接，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，并入交流电网中；Boost升压电路包括光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀、Boost升压电路开关器件S₀、Boost升压电路二极管D₀、直流侧储能电容C_dc；交错并联型三电平双降压式全桥并网逆变电路包括六个功率开关器件S_a、S_b、S₁、S₂、S_o、S_p以及它们各自的反并联二极管和缓冲电容，四个二极管D_a、D_b、D₁、D₂以及它们各自的缓冲电容，四个滤波电感L_a、L_b、L₁、L₂，交流电网；光伏阵列与光伏侧储能电容C₀并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感L₀相连，Boost升压电感L₀另一端与Boost升压电路开关器件S₀的集电极、Boost升压电路二极管D₀的阳极相连，Boost升压电路二极管D₀的阴极与直流侧储能电容C_dc的一端、功率开关器件S_a的集电极、二极管D_b的阴极、功率开关器件S_o的集电极、功率开关器件S₁的集电极、二极管D₂的阴极相连，直流侧储能电容C_dc的另一端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件S₀的发射极、二极管D_a的阳极、功率开关器件S_b的发射极、二极管D₁的阳极、功率开关器件S₂的发射极、功率开关器件S_p的发射极相连，功率开关器件S_a的发射极与二极管D_a的阴极、滤波电感L_a的一端相连，滤波电感L_a的另一端与滤波电感L_b的一端相连，滤波电感L_b的另一端与二极管D_b的阳极、功率开关器件S_b的集电极相连，功率开关器件S₁的发射极与二极管D₁的阴极、滤波电感L₁的一端相连，滤波电感L₁的另一端与滤波电感L₂的一端相连，滤波电感L₂的另一端与二极管D₂的阳极、功率开关器件S₂的集电极相连，分别由滤波电感L_a和滤波电感L_b连接处、滤波电感L₁和滤波电感L₂连接处引出线接至交流电网，交流电网另一端接地并与功率开关器件S_o的发射极、功率开关器件S_p的集电极相连。