CN209313742U - 一种三相光伏并网发电逆变器 - Google Patents

一种三相光伏并网发电逆变器 Download PDF

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叶荣波
夏俊荣
汪春
徐涛
刘宁波
刘海璇
华光辉
周昶
孔爱良
栗峰
杨龙雨
张祥文
江星星
孙檬檬
李刚
许伟军
汪毅
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Shizuishan Power Supply Co Of Ningxia Power Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
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Abstract

本实用新型涉及一种三相光伏并网发电逆变器，所述逆变器包括两桥臂四开关的全桥拓扑结构、变压器、两桥臂四二极管的全桥拓扑结构、第一电感、第一电容、三桥臂六开关的全桥拓扑结构、第二电感、第三电感、第二电容和电阻，直流电源的输出端与所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输入端连接，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输出端通过滤波电路接入电网侧电压源，上述逆变器能够基于直流侧最大功率跟踪，结合下垂控制特性实现直接功率控制策略，具备一次调压调频性能，有助于实现分布式发电与电网系统的优化运行。

Description

一种三相光伏并网发电逆变器
技术领域
本实用新型涉及一种电力逆变系统，具体讲涉及一种三相光伏并网发电逆变器。
背景技术
化石燃料是目前使用的主要能源物质，然而化石燃料储量有限且不可再生，随着人类的不断消耗日渐枯竭，同时化石燃料的大量使用，也加剧了环境污染。在此背景下，太阳能、风能、潮汐能等具有清洁、可再生特点的新能源，逐渐受到人们的关注，新能源的引入可在一定程度上解决能源短缺与环境污染问题，在各种新能源中，太阳能具有储量丰富、静态发电、清洁、利用方便等优势，是未来重点发展的能源对象之一，光伏发电是高效利用太阳能的主要方式；光伏发电按照电能接入方式不同分为集中式发电与分布式发电，集中式发电系统规模较大，在光照资源丰富、光照条件稳定的荒漠等偏远无人地区，通过建设兆瓦级以上的大型光伏电站经高压传输系统向远距离的用户送电；而相比于集中式发电系统，分布式发电系统规模往往较小，多基于室外各种建筑物设施表面，可以充分利用当地太阳能资源就近解决用户用电问题，按照输出电能应用场合的不同，分布式光伏发电系统又可以分为并网型发电系统与离网型发电系统，其中并网型发电系统将光伏阵列产生的直流电转换成交流电，通过锁相技术使交流电满足电网要求后并入电网，并网系统中光伏逆变器具有易于控制、适应场合多、技术原理成熟等优点，广泛应用于分布式光伏发电系统，因此光伏逆变器的研究是目前光伏行业内的一个热点；
现有技术中的光伏逆变器根据整个逆变系统中是否含有隔离变压器包括隔离型逆变器和非隔离性逆变器，在隔离型逆变系统中，通常在直流侧安装高频变压器或在交流侧安装低频变压器，变压器的作用不仅对光伏电源的直流电压进行提升，也隔离了直流侧和交流侧，使两者之间不存在直通的回路，但是变压器的存在使得整个逆变系统损耗增大，效率降低，体积变大，成本过高；非隔离型逆变器由于移除了直流侧或交流侧的变压器，得到了学术界和工业界的广泛研究，但是由于缺少电气隔离，非隔离系统出现了可靠性、效率、最大功率跟踪、漏电流等诸多新的问题，此外，目前主流光伏并网工作控制器采用直接功率控制或者直接电流控制，当电网发生故障和异常时，光伏发电无法参与进电网调频调压工作中，通常作为优先切除对象或被限制并网，不利于电网系统高效稳定地运行。
实用新型内容
本实用新型提供的三相光伏并网发电逆变器，其目的是采用包括两桥臂四开关的全桥拓扑结构、变压器、两桥臂四二极管的全桥拓扑结构、第一电感、第一电容、三桥臂六开关的全桥拓扑结构、第二电感、第三电感、第二电容和电阻的逆变器装置，结合下垂控制特性和直流侧最大功率跟踪技术实现直接功率控制策略，以克服现有光伏并网逆变系统效率低下、体积过大和成本过高的问题，同时使光伏发电能够参与电网调频调压工作，有助于电网系统的稳定发展。
本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的：
一种三相光伏并网发电逆变器，其改进之处在于，所述逆变器包括：
两桥臂四开关的全桥拓扑结构、变压器、两桥臂四二极管的全桥拓扑结构、第一电感、第一电容、三桥臂六开关的全桥拓扑结构、第二电感、第三电感、第二电容和电阻；
直流电源的输出端与所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输入端连接；
所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输出端通过所述变压器与所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输入端连接；
所述第一电感的一端与所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输出端正极连接；
所述第一电容并联于所述第一电感的另一端与所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输出端负极之间；
所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输入端正极与所述第一电容的一端连接，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输入端负极与所述第一电容的另一端连接；
所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输出端通过滤波电路接入电网侧电压源；
所述滤波电路包括：LCL型滤波电路及连接于滤波电路中电容与地之间的电容电阻。
优选地，所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构由相互并联的第一桥臂和第二桥臂组成；
其中，所述第一桥臂由第一功率单元和第二功率单元连接构成，所述第二桥臂由第三功率单元和第四功率单元连接构成。
进一步地，所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输入端为所述第一桥臂和所述第二桥臂相互并联的两个连接点，所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输出端为所述第一功率单元和第二功率单元间的连接点和所述第三功率单元和第四功率单元间的连接点。
进一步地，所述第一功率单元和第二功率单元间的连接点与所述变压器的初级绕组的一端连接，所述第三功率单元和第四功率单元间的连接点与所述变压器的初级绕组的另一端连接。
优选地，所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构由相互并联的第三桥臂和第四桥臂组成；
其中，所述第三桥臂由第一二极管单元和第二二极管单元连接构成，所述第四桥臂由第三二极管单元和第四二极管单元连接构成。
进一步地，所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输入端为所述第一二极管单元和第二二极管单元间的连接点和所述第三二极管单元和第四二极管单元间的连接点，所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输出端为所述第三桥臂和所述第四桥臂相互并联的两个连接点。
进一步地，所述第一二极管单元和第二二极管单元间的连接点与所述变压器的次级绕组的一端连接，所述第三二极管单元和第四二极管单元间的连接点与所述变压器的次级绕组的另一端连接。
优选地，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构由相互并联的第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂组成；
其中，所述第五桥臂由第五功率单元和第六功率单元连接构成，所述第六桥臂由第七功率单元和第八功率单元连接构成，所述第七桥臂由第九功率单元和第十功率单元连接构成。
进一步地，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输入端为所述第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂相互并联的三个连接点，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输出端为所述第五功率单元和第六功率单元间的连接点、所述第七功率单元和第八功率单元间的连接点和所述第九功率单元和第十功率单元间的连接点。
与最接近的现有技术比，本实用新型达到的有益效果是：
本实用新型的逆变器包括两桥臂四开关的全桥拓扑结构、变压器、两桥臂四二极管的全桥拓扑结构、第一电感、第一电容、三桥臂六开关的全桥拓扑结构、第二电感、第三电感、第二电容和电阻，使用全桥拓扑结构，不需要增加大电解电容，系统体积更小、使用寿命更长，同时对前级升压的要求降低，其中，直流电源的输出端与所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输入端连接，能够实现基于直流侧最大功率跟踪技术，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输出端通过滤波电路接入电网侧电压源，能够实现谐波过滤和功率控制技术，采用本实用新型的技术方案，能够使光伏并网逆变系统具备一次调压调频性能，可以有效调节有功和无功输出并参与微网的电压频率调节，为电网提供一定的频率和电压支撑，有助于电力系统的安全稳定运行。
附图说明
图1是本实用新型实施例三相光伏并网发电逆变器的结构示意图；
图2是本实用新型实施例三相光伏并网发电逆变器的电路工作状态电压幅值图；
图3是本实用新型实施例三相光伏并网发电逆变器的光伏控制器的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。
在光伏并网系统中，并网逆变器承担着将光伏电源产生的直流电转变成交流电并入电网的角色，作为光伏电源和电网的重要接口；
图1示出了本实用新型实施例三相光伏并网发电逆变器的结构示意图，如图1所示，所述逆变器可以包括：
两桥臂四开关的全桥拓扑结构、变压器、两桥臂四二极管的全桥拓扑结构、第一电感、第一电容、三桥臂六开关的全桥拓扑结构、第二电感、第三电感、第二电容和电阻；
直流电源的输出端与所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输入端连接；
所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构采用的是全桥隔离型变换电路，其输出端通过所述变压器与所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输入端连接；所述变压器为隔离变压器；
所述第一电感的一端与所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输出端正极连接；
所述第一电容并联于所述第一电感的另一端与所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输出端负极之间；
所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输入端正极与所述第一电容的一端连接，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输入端负极与所述第一电容的另一端连接；
所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输出端通过滤波电路接入电网侧电压源；
所述滤波电路可以包括：LCL型滤波电路及连接于滤波电路中电容与地之间的电容电阻；
所述滤波电路为无源阻尼LCL滤波器，采用逆变器侧和电网侧双电感、并联接地有滤波电容、串联电容，在滤波电容处串联了电容电阻RC，能够有效滤除全桥逆变器输出的高频谐振峰，从而实现谐波过滤和稳定控制；
所述第二电感与所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输出端串联；
所述第三电感串联于所述第二电感与电网侧等效电压源之间；
所述第二电容的正极与所述第二电感输出端并联；
所述电阻串联于所述第二电感输出端与接地端之间。
其中，所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构由相互并联的第一桥臂和第二桥臂组成；
其中，所述第一桥臂由第一功率单元和第二功率单元连接构成，所述第二桥臂由第三功率单元和第四功率单元连接构成；
所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的功率单元由开关管并联二极管器件构成。
具体地，所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输入端为所述第一桥臂和所述第二桥臂相互并联的两个连接点，所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输出端为所述第一功率单元和第二功率单元间的连接点和所述第三功率单元和第四功率单元间的连接点。
所述第一功率单元和第二功率单元间的连接点与所述变压器的初级绕组的一端连接，所述第三功率单元和第四功率单元间的连接点与所述变压器的初级绕组的另一端连接。
所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构由相互并联的第三桥臂和第四桥臂组成；
其中，所述第三桥臂由第一二极管单元和第二二极管单元连接构成，所述第四桥臂由第三二极管单元和第四二极管单元连接构成。
现有技术中，所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构和所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构中各器件的工作状态可分为四个阶段，图2示出了本实用新型实施例三相光伏并网发电逆变器的电路工作状态电压幅值图，如图2所示：
第一阶段，同时触发开关管Q1、Q4，输入端向变压器一次绕组施加电压UAB，如果忽略线路上的损耗，该电压幅值等于输入端电压，电压极性上正下负；若n为变压器升压比，则感应到二次绕组的电压UCD幅值为nVin，电压极性亦为上正下负。整流二极管D1、D4导通，D2、D3反偏截止，电感L储能，其电流值线性增加，经滤波后向负载供电。变压器磁通由-φm变为+φm。
第二阶段，开关管Q1、Q4受控同时截止，Q2、Q3尚未导通。每个开关管漏源极电压均为1/2Vin。这时L释放储能，D4继续导通，其电流值线性减小，起到续流作用。变压器磁通保持+φm不变。
第三阶段，同时触发开关管Q2、Q3，输入端向变压器一次绕组施加电压UAB，该电压幅值依然等于Vin，电压极性上负下正；感应到二次绕组的电压UCD幅值为nVin，电压极性亦为上负下正。整流二极管D2、D3导通，D1、D4反偏截止，电感L储能，其电流值线性增加，经滤波后向负载供电。变压器磁通由+φm变为-φm。
第四阶段，开关管Q2、Q3受控同时截止，Q1、Q4尚未导通。每个开关管漏源极电压均为1/2Vin。这时L释放储能，D2、D3继续导通，其电流值线性减小，起到续流作用。变压器磁通保持-φm不变。
不断重复上述四个阶段的工作状态，次级绕组两端的交流方波电压UCD经过整流滤波，滤除方波电压中的高频成分，获得全桥变换电路稳定的直流输出电压，如图2所示，实现两级式逆变器的前级DC-DC升压目的，所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构吸收功率开关器件在关断瞬间的电压尖峰、保护功率器件，并减小开关损耗。
具体地，所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输入端为所述第一二极管单元和第二二极管单元间的连接点和所述第三二极管单元和第四二极管单元间的连接点，所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输出端为所述第三桥臂和所述第四桥臂相互并联的两个连接点。
所述第一二极管单元和第二二极管单元间的连接点与所述变压器的次级绕组的一端连接，所述第三二极管单元和第四二极管单元间的连接点与所述变压器的次级绕组的另一端连接。
所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构由相互并联的第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂组成；
其中，所述第五桥臂由第五功率单元和第六功率单元连接构成，所述第六桥臂由第七功率单元和第八功率单元连接构成，所述第七桥臂由第九功率单元和第十功率单元连接构成；
所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的每个桥臂由一对互补的开关管组成，利用面积等效原理，通过控制波形与三角载波比较，得到三桥臂上开关管的开关状态，进而可以改变输出电压电流的方向，因此所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的相电压取决于其所对应桥臂的上下开关管的开关状态。通常开关管的开关状态用Sa、Sb、Sc表示，则各开关管的开关含义如表1所示：
表1开关管开关含义表
三个桥臂共有23＝8种开关组合：V0(000)、V5(001)、V3(010)、V4(011)、V1(100)、V6(101)、V2(110)、V7(111)。三相逆变器的开关状态一般用SPWM调制，电机控制中，当三相平衡正弦电压作用于定子时，定子会产生旋转的磁通，磁通运动的轨迹为标准圆。同样道理，把这种来源于交流电机的驱动思想，引入到逆变器控制中：所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构输出三相相电压的合成矢量为V，只要使合成矢量V的运动轨迹为圆形，就可得到三相标准正弦波电压。
用6条非零矢量把360°圆划分成六个均匀扇区，扇区空间矢量共有8条，6条非零矢量，2条零矢量。不管Vref运动到哪个扇区，都可以由其他两个扇区边界矢量合成，边界矢量的的模为2Udc/3，在应用中还要加上零矢量作为过渡矢量。当合成矢量以恒速运动的时候，合成矢量的运动轨迹就接近圆。
具体地，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输入端为所述第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂相互并联的三个连接点，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输出端为所述第五功率单元和第六功率单元间的连接点、所述第七功率单元和第八功率单元间的连接点和所述第九功率单元和第十功率单元间的连接点。
现有技术中，本实用新型提供的三相光伏并网发电逆变器可以利用现有的光伏控制器进行控制，如图3所示，光伏控制器的工作原理为：
采集的直流侧电压Vdc和直流侧电流Idc信号，进入MPPT电路输出得到直流侧调制电压Vdc,ref,该信号接入PWM信号调制环节后得到直流侧4个开关管Q1-Q4的调制信号。Vdc,ref与Vdc之差经PI控制器后得到逆变控制参考电流id,ref，同时，交流侧电容电流IC、并网电流I2、电网电压UPCC经过abc/dq坐标转换之后得到各自dq分量。电网参考频率f*与实际采集信号频率f之差，经过比例环节ka3后加入id,ref中，该和分量减去id后，经过另一PI控制器环节，与ed相加、与w(L1+L2)iq相减之后，最后与icd相减，得到最终的d轴调制信号。对于q轴、也即是无功功率调制过程，电网参考电压eq *与实际采集信号频率eq之差，经过比例环节kb3后加入Qset中，该和分量减去iq后，经过PI控制器环节，与eq相加、与w(L1+L2)id相加之后，最后与icq相减，得到最终的q轴调制信号。
本实用新型的功率控制方案，使逆变器基本实现功率的自主管理且具备一次调压调频特性。该控制器实现了逆变器与电网系统之间的功率交互，同时具备下垂机制，可以有效调节有功和无功输出，使之参与到微网的电压频率调节，为电网提供一定的频率和电压支撑，也为增强电力系统包括电压频率稳定在内的安全稳定运行目标提供了一种有效的技术手段。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三相光伏并网发电逆变器，其特征在于，所述逆变器包括：
两桥臂四开关的全桥拓扑结构、变压器、两桥臂四二极管的全桥拓扑结构、第一电感、第一电容、三桥臂六开关的全桥拓扑结构、第二电感、第三电感、第二电容和电阻；
直流电源的输出端与所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输入端连接；
所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输出端通过所述变压器与所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输入端连接；
所述第一电感的一端与所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输出端正极连接；
所述第一电容并联于所述第一电感的另一端与所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输出端负极之间；
所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输入端正极与所述第一电容的一端连接，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输入端负极与所述第一电容的另一端连接；
所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输出端通过滤波电路接入电网侧电压源；
所述滤波电路包括：LCL型滤波电路及连接于滤波电路中电容与地之间的电容电阻。
2.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构由相互并联的第一桥臂和第二桥臂组成；
其中，所述第一桥臂由第一功率单元和第二功率单元连接构成，所述第二桥臂由第三功率单元和第四功率单元连接构成。
3.如权利要求2所述的逆变器，其特征在于，所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输入端为所述第一桥臂和所述第二桥臂相互并联的两个连接点，所述两桥臂四开关的全桥拓扑结构的输出端为所述第一功率单元和第二功率单元间的连接点和所述第三功率单元和第四功率单元间的连接点。
4.如权利要求3所述的逆变器，其特征在于，所述第一功率单元和第二功率单元间的连接点与所述变压器的初级绕组的一端连接，所述第三功率单元和第四功率单元间的连接点与所述变压器的初级绕组的另一端连接。
5.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构由相互并联的第三桥臂和第四桥臂组成；
其中，所述第三桥臂由第一二极管单元和第二二极管单元连接构成，所述第四桥臂由第三二极管单元和第四二极管单元连接构成。
6.如权利要求5所述的逆变器，其特征在于，所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输入端为所述第一二极管单元和第二二极管单元间的连接点和所述第三二极管单元和第四二极管单元间的连接点，所述两桥臂四二极管的全桥拓扑结构的输出端为所述第三桥臂和所述第四桥臂相互并联的两个连接点。
7.如权利要求6所述的逆变器，其特征在于，所述第一二极管单元和第二二极管单元间的连接点与所述变压器的次级绕组的一端连接，所述第三二极管单元和第四二极管单元间的连接点与所述变压器的次级绕组的另一端连接。
8.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构由相互并联的第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂组成；
其中，所述第五桥臂由第五功率单元和第六功率单元连接构成，所述第六桥臂由第七功率单元和第八功率单元连接构成，所述第七桥臂由第九功率单元和第十功率单元连接构成。
9.如权利要求8所述的逆变器，其特征在于，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输入端为所述第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂相互并联的三个连接点，所述三桥臂六开关的全桥拓扑结构的输出端为所述第五功率单元和第六功率单元间的连接点、所述第七功率单元和第八功率单元间的连接点和所述第九功率单元和第十功率单元间的连接点。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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