CN216437063U - 一种高压逆变器拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高压逆变器拓扑电路，涉及直流‑交流逆变技术领域，包括星形连接的三组单元模块；每组单元模块均包括多个级联的单元模块；每组单元模块包括的单元模块的数量均相同；所述单元模块包括依次连接的直流电流输入单元、隔离DC/DC变换器和H桥变换器。本实用新型能够实现在不采用工频变压器的情况下，提高逆变器的输出电压。

Description

一种高压逆变器拓扑电路

技术领域

本实用新型涉及直流-交流逆变技术领域，特别是涉及一种高压逆变器拓扑电路。

背景技术

随着输电、配电技术的日益进步，智能电网的不断发展，新能源和储能等直流发电系统的容量不断增加，规模不断扩大。传统的逆变器输出电压为300V，单台逆变器功率最大为500kW，已经不能满足直流系统的并网发电需要。在传统逆变器的基础上，为实现更大容量，更高等级电压的并网，需要采用工频变压器进行升压。传统逆变拓扑存在如下限制：(1)使用传统的工频变压器，体积大、重量重、材料消耗大；(2)难以应对新能源发电更大容量的趋势；(3)需要集中式的网侧滤波器，体积大、重量重、成本高。

为提高逆变器的输出电压和单机容量，级联和多重叠加法是一种主要方法。申请号为CN201280041767.8的专利，提出使用N个级联的H桥转换器，可以产生具有2N+1个电压电平的电压波形，该拓扑中，级联多电平逆变器的DC电源采用多路光伏元件，存在需要多路光伏元件彼此隔离且对地高共模电压的问题。申请号为CN201210106659.6的专利，提出了基于多重化技术的光伏并网发电装置，该拓扑中，利用变压器单元对三相方波逆变器单元的输出电压进行合成和串联叠加，需要使用工频变压器。

综上，目前现有技术虽然能够提高逆变器的输出电压，但是必须使用工频变压器和多路光伏元件，存在体积大、重量重、材料消耗大以及需要多路光伏元件彼此隔离且对地高共模电压的问题。如何实现在不采用工频变压器的情况下，提高逆变器的输出电压，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高压逆变器拓扑电路，能够实现在不采用工频变压器的情况下，提高逆变器的输出电压。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种高压逆变器拓扑电路，所述电路包括星形连接的三组单元模块；

每组单元模块均包括多个级联的单元模块；每组单元模块包括的单元模块的数量均相同；

所述单元模块包括依次连接的直流电流输入单元、隔离DC/DC变换器和H桥变换器。

可选地，所述电路还包括多个外部直流电源；

所述外部直流电源与所述直流电流输入单元连接；所述外部直流电源的数量与所述直流电流输入单元的数量相同。

可选地，所述外部直流电源为光伏组串、光伏汇流箱或储能电池组。

可选地，所述直流电流输入单元具体包括互相连接的直流母线电容和能量控制电路；

所述直流母线电容与所述外部直流电源连接；所述能量控制电路与所述隔离DC/DC变换器连接。

可选地，所述隔离DC/DC变换器具体包括依次连接的三相桥式逆变电路、三相高频变压器和三相桥式整流电容滤波电路；

所述三相桥式逆变电路与所述直流电流输入单元连接；所述三相桥式整流电容滤波电路与所述H桥变换器连接。

可选地，所述三相桥式逆变电路中的功率单元采用全控型功率开关IGBT。

可选地，所述三相桥式整流电容滤波电路采用高频整流二极管或全控型功率开关IGBT。

可选地，所述H桥变换器的功率单元采用全控型功率开关IGBT。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型公开的高压逆变器拓扑电路，三组单元模块之间采用星形连接，每组单元模块均包括多个级联的单元模块，每个单元模块均包括依次连接的直流电流输入单元、隔离DC/DC变换器和H桥变换器，从而实现多个H桥变换器级联，通过采用串联H桥变换器可以实现高电压输出，电压的高低由串联的级数决定，在同样的电流下，电压越高，功率越大，通过级联H桥输出高压交流电，实现直接并网，不需要工频变压器，最终实现在不采用工频变压器的情况下，提高逆变器的输出电压。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型高压逆变器拓扑电路实施例的结构图；

图2为本实用新型的单元模块的拓扑结构示意图；

图3为本实用新型使用n个单元模块级联实现高压交流输出的拓扑结构示意图；

图4为本实用新型每组n个单元模块级联后采用星型接法形成交流输出的3相的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种高压逆变器拓扑电路，能够实现在不采用工频变压器的情况下，提高逆变器的输出电压。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型高压逆变器拓扑电路实施例的结构图。参见图1，该高压逆变器拓扑电路包括星形连接的三组单元模块101。

每组单元模块101均包括多个级联的单元模块101；每组单元模块101包括的单元模块101的数量均相同。

单元模块101包括依次连接的直流电流输入单元1011、隔离DC/DC变换器1012和H桥变换器1013。

该高压逆变器拓扑电路提供了一种高压逆变器拓扑结构，逆变器拓扑由3n个单元模块101构成，其中，n为大于等于2的正整数，每个单元模块101均包括直流电流输入单元(直流输入单元)1011、隔离DC/DC变换器1012和H桥变换器1013。

3n个单元模块101平均分为3组，每组的单元模块101的输出级联构成交流输出的一相，3组共形成3相，按照星型连接构成交流3相输出，实现并网。

其中，直流电流输入单元1011用于连接直流发电系统，如光伏组串或汇流箱、储能电池组等。

H桥变换器1013实现DC与交流的逆变，通过多级H桥级联，实现高压交流输出。

进一步的，该高压逆变器拓扑电路还包括多个外部直流电源(直流发电系统)。外部直流电源与直流电流输入单元1011连接；外部直流电源的数量与直流电流输入单元1011的数量相同。

其中，外部直流电源为光伏组串、光伏汇流箱或储能电池组。

外部直流电源，如光伏组串或光伏汇流箱、储能电池组等，通过直流电流输入单元1011接入。

具体的，直流电流输入单元1011具体包括互相连接的直流母线电容和能量控制电路。

直流母线电容与外部直流电源连接；能量控制电路与隔离DC/DC变换器1012连接。

直流电流输入单元1011包括直流母线电容和能量控制电路等，可以根据外部直流电源的电压等级更换不同的模块，从而使逆变器可以适应不同电压大小的直流电源。直流电流输入单元1011对外部直流电源输入的电流主要是采用直流母线电容来稳压。

隔离DC/DC变换器1012具体包括依次连接的三相桥式逆变电路、三相高频变压器和三相桥式整流电容滤波电路。

三相桥式逆变电路与直流电流输入单元1011连接；三相桥式整流电容滤波电路与H桥变换器1013连接。

其中，三相桥式逆变电路中的功率单元采用全控型功率开关IGBT。

三相桥式整流电容滤波电路采用高频整流二极管或全控型功率开关IGBT。

H桥变换器1013的功率单元采用全控型功率开关IGBT。

隔离DC/DC变换器1012由三相桥式变换电路、三相高频变压器、三相桥式整流电容滤波电路(三相全桥整流加电容滤波电路)依次连接组成；三相高频变压器实现两端DC电路的隔离，为后续H桥变换器1013提供隔离的直流电源。

三相桥式变换电路即三相桥式逆变电路，但逆变后是高频交流。

三相桥式变换电路、三相高频变压器和三相全桥整流电路构成隔离DC/DC变换器1012。本实用新型中，隔离DC/DC变换器1012采用三相变换器是为了适合大功率的应用，其它隔离型DC/DC拓扑也可以使用。隔离DC/DC变换器1012通过实现两端DC电路的隔离，为后续H桥变换器(H桥逆变电路)1013提供隔离的直流电源。

三相桥式变换电路中的功率单元采用全控型功率开关IGBT构成，采用PWM调制方法，将直流电流输入单元1011连接的外部直流电源的直流输入变换为高频交流，输出通过滤波电感接到三相高频变压器的一次侧，通过高频高压器变换后的二次侧输出到三相全桥整流电路(三相桥式整流电容滤波电路)。高频高压器变换即三相高频变压器对高频交流电实现电压的比例变化，在二次侧得到690V的直流电压。

三相全桥整流电路使用高频整流二极管或全控型功率开关IGBT构成，使用高频整流二极管整流时，单元模块101的能量流动方向为单向，由直流系统(直流发电系统)向交流电网发电。使用IGBT时，单元模块101的能量流动方向可以为双向。直流系统向交流电网发电时，单元模块101为逆变器功能。能量反向流动时，单元模块101可转换为充电模块，在直流系统为储能电池组时，可由交流电网向电池充电。

三相全桥整流电路实现对三相高频变压器的二次侧输出进行整流，将二次侧的高频交流变换成直流。三相全桥整流电路还包括电容，电容在三相全桥整流电路中的作用是稳压和滤波。

H桥逆变电路的功率单元采用全控型功率开关IGBT构成，能够将三相全桥整流电路输出的直流电压Vdc通过转换产生+1Vdc、0、-1Vdc共3种电平输出，产生三种电平输出的作用是输出多电平，才能在输出端构造成交流。

本实用新型中，单元模块101采用模块化设计，其组成部分集成为一个模块整体，而逆变器则由完全相同的3n个模块构成，便于生产、安装和维护。单元模块101包括依次连接的直流电流输入单元1011、隔离DC/DC变换器1012和H桥变换器1013。图2示出了本实用新型的单元模块的拓扑结构。参见图2，本实用新型的单元模块101的拓扑结构包括直流电流输入单元1011、三相桥式变换电路、三相高频变压器、三相全桥整流电路和H桥逆变电路。

如图3所示为本实用新型使用n个单元模块101级联实现高压交流输出的拓扑结构，n个单元模块101的末级H桥输出级联，可以产生2n+1个电平的电压输出，控制多电平输出使得逆变器输出正弦波交流电压，即按正弦波规律输出不同的电平，可以得到正弦波。根据图3，第一个单元模块101的H桥逆变电路1013有两个输出，下边的输出级联下一个单元模块101的H桥逆变电路1013，上边的输出就是系统交流的输出。此外，图3中最后一个单元模块101的H桥逆变电路1013的上边输出与上一个单元模块101的H桥逆变电路1013连接，下边的输出在三相电路中，是三个桥臂的中性点。

典型的，对于10kV交流电压电网，最少需要8个单元模块101级联，每级有效值为690V，通常可以增加1到2个单元模块101以增加冗余。当某个单元模块101因直流电源不能提供所需要的电能时，可以降低该模块的输出电压或直接屏蔽该模块输出。这样，可以大大增强逆变电路的可靠性。

图4示出了3组，每组n个单元模块101级联后采用星型接法形成交流输出的3相的拓扑结构。参见图4，3组级联模块，每组n个单元模块101级联后采用星型接法，形成交流输出的3相的拓扑结构。拓扑结构中，每组单元模块101级联的数量n要使逆变器输出的电压达到电网的传输电压10kV或35kV，即本实用新型高压逆变器拓扑电路具备10kV～35kV电压等级并网的能力。根据图4，每组n个单元模块101的最后一个单元模块101的H桥逆变电路1013彼此连接，最后一个单元模块101的下边输出连接3个桥臂连接的中性点。

本实用新型提出了一种高压交流输出并网的逆变器拓扑结构，涉及新能源领域，具体为一种基于隔离DC/DC变换器和级联H桥组合单元模块的高压交流输出逆变器拓扑，该逆变器拓扑由3n个单元模块构成，单元模块采用模块化设计，包括依次连接的直流输入单元、隔离DC/DC变换器和H桥变换器。3n个单元模块平均分为3组，每组的单元模块的输出级联构成交流输出的一相，按照星型连接构成交流3相输出，实现并网，本实用新型提供的基于隔离DC/DC变换器和级联H桥组合单元模块的高压交流输出逆变器拓扑，具有无工频变压器、输出电压等级高，功率大，可直接与交流高压电网并网连接的优点。本实用新型能够实现在不采用工频变压器的情况下，提高逆变器的输出电压和单机容量，主要应用于光伏、储能等直流系统并网发电。

与现有技术相比，本实用新型的拓扑至少具有如下优点：

1、直流输入单元可以根据直流电源的电压进行配置，从而可以适应各种电压输出的光伏组件或储能电池组等，也可以应用于其它类型的直流电源并网发电。

2、通过隔离DC/DC变换器，实现为级联H桥提供稳定的、隔离的直流电压输入。

3、通过级联H桥输出高压交流电，实现直接并网，不需要工频变压器。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种高压逆变器拓扑电路，其特征在于，所述电路包括星形连接的三组单元模块；

每组单元模块均包括多个级联的单元模块；每组单元模块包括的单元模块的数量均相同；

所述单元模块包括依次连接的直流电流输入单元、隔离DC/DC变换器和H桥变换器。

2.根据权利要求1所述的高压逆变器拓扑电路，其特征在于，所述电路还包括多个外部直流电源；

所述外部直流电源与所述直流电流输入单元连接；所述外部直流电源的数量与所述直流电流输入单元的数量相同。

3.根据权利要求2所述的高压逆变器拓扑电路，其特征在于，所述外部直流电源为光伏组串、光伏汇流箱或储能电池组。

4.根据权利要求2所述的高压逆变器拓扑电路，其特征在于，所述直流电流输入单元具体包括互相连接的直流母线电容和能量控制电路；

所述直流母线电容与所述外部直流电源连接；所述能量控制电路与所述隔离DC/DC变换器连接。

5.根据权利要求1所述的高压逆变器拓扑电路，其特征在于，所述隔离DC/DC变换器具体包括依次连接的三相桥式逆变电路、三相高频变压器和三相桥式整流电容滤波电路；

所述三相桥式逆变电路与所述直流电流输入单元连接；所述三相桥式整流电容滤波电路与所述H桥变换器连接。

6.根据权利要求5所述的高压逆变器拓扑电路，其特征在于，所述三相桥式逆变电路中的功率单元采用全控型功率开关IGBT。

7.根据权利要求5所述的高压逆变器拓扑电路，其特征在于，所述三相桥式整流电容滤波电路采用高频整流二极管或全控型功率开关IGBT。

8.根据权利要求1所述的高压逆变器拓扑电路，其特征在于，所述H桥变换器的功率单元采用全控型功率开关IGBT。

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