CN102097966A - 级联型兆瓦级光伏并网逆变器 - Google Patents

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赵剑锋
王书征
施超
邵楚雯
刘晓康
晏阳
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Abstract

级联型兆瓦级光伏并网逆变器的拓扑结构采用两级构成，即DC/DC隔离级、DC/AC输出级；三相电路的结构相同；各单相DC/AC输出级的功率变换器组的输出端按照星型连接；各单相每级功率单元的输入侧有结构相同的独立PV模块；DC/DC隔离级包括各单相的高频DC/AC、高频变压器和高频AC/DC环节，用来实现隔离和升压，并通过谐振软开关作用降低开关管损耗；输出级功率变换器组采用桥式逆变电路，各单相输出级功率单元的连接采用级联形式。通过输出级联，本装置能实现兆瓦级并网，并且由于采用高频链技术省去了传统工频变压器，功率密度高；相对现有的光伏并网逆变器结构，本装置还具有能量转换效率高、输出电能质量好、具有一定容错能力等优点。

Description

级联型兆瓦级光伏并网逆变器
技术领域
本发明专利涉及一种级联型兆瓦级光伏并网逆变器的拓扑结构，属于电力电子在电力***中的应用技术领域。
背景技术
 由于传统能源的枯竭和环保问题的日益突出，新能源的开发与利用越发重要，其中太阳能以其经济性、清洁性等优点倍受青睐。21世纪以来，世界太阳能光伏发电产业快速发展，中国光伏产业也以前所未有的速度迅速发展。现在“新能源”、“节能减排”已成为国民经济发展的重要方向，为我国光伏发电的发展增添了活力。
  太阳能光伏并网发电***通过把太阳能光伏转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网。大功率光伏并网逆变器为光伏发电并网***的核心器件，主要承担着光伏阵列的最大功率跟踪（MPPT）与向电网注入单位功率因数的正弦交流电能两大任务，逆变器性能直接关系到***的可靠性、效率、成本和寿命。
 目前，就国内而言，中国光伏逆变器整体企业在转换效率、结构工艺、做工、稳定性上跟国外最先进水平还有一定差距，尤其是在大功率技术水平上；而且国内众多的逆变器厂商产品单一，技术上几乎没有差异。传统的大功率光伏并网逆变器带工频变压器，用来实现升降压和隔离功能。但是工频变压器的加入，使整个逆变器设备的体积、重量、成本和效率都受到影响。
 作为光伏发电并网***的核心器件，并网逆变器必须具备效率和可靠性高、寿命长且成本低的特点。因此，简化拓扑结构、提高可靠性、提高输出电能质量、提高对电网的适应性是未来的大功率光伏并网逆变器拓扑结构的研究趋势
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种级联型兆瓦级光伏并网逆变器的拓扑结构，能实现大功率能量传递、电压变换、电气隔离、光伏阵列的MPPT控制和向电网注入单位功率因数的正弦交流电能。相比传统的光伏并网逆变器，本装置采用级联结构，DC/DC隔离变换器采用移相全桥软开关结构，省去了工频变压器，大大减小了设备的体积、重量，降低了损耗，提高了整体的变换效率，可以直接实现大功率（兆瓦级）并网，而且能输出较高质量的电能。相对于现有的光伏并网逆变器，本发明还具有开关器件电压应力小、开关损耗小、输出波形THD值小、转换效率高的优点。 
技术方案：本发明公开了一种级联型兆瓦级光伏并网逆变器的拓扑结构，该装置采用两级构成，即隔离级、输出级；三相电路的结构相同；各单相基本功率单元的输入侧由独立PV模块构成， PV（光伏）模块的输出端并联上滤波电容；隔离级功率变换器组，即DC/DC模块，包括高频DC/AC环节、高频变压器和高频AC/DC环节；输出级功率变换器组，即DC/AC模块，采用电压源型桥式逆变电路；第一功率变换器的输入端并上输入滤波电容后接高频变压器的原边，高频变压器的副边接第二功率变换器的输入端，第二功率变换器的输出端并上直流滤波电容后接第三功率变换器的输入端；各单相每级基本功率单元中第三功率变换器的连接采用级联形式；各单相DC/AC输出级的功率变换器组的输出端按照星型连接后并入电网。
基本功率单元基于DC-HFAC-DC-LFAC型光伏并网逆变器，其各相基本功率单元的输入由PV模块与输入滤波电容Cin并联组成，PV模块的输出端接隔离级的输入端；各相基本功率单元的隔离级中第一功率变换器采用第一功率开关单元、第二功率开关单元、第三功率开关单元、第四功率开关单元组成桥式拓扑结构，第一功率开关单元并联无感电容、第二功率开关单元并联无感电容互补导通后接高频变压器原边正端，第三功率开关单元、第四功率开关单元互补导通后接高频变压器原边负端；高频变压器副边有两个完全相同的绕组，两个绕组的输出端分别与结构对称的两个第二功率变换器相连，两个第二功率变换器上下串联；第二功率变换器由第一功率二极管、第二功率二极管、第三功率二极管、第四功率二极管组成的桥式整流电路，第五功率二极管、第六功率二极管、箝位电容组成的无源箝位电路及输出滤波电感、输出滤波电容构成；第一功率二极管、第三功率二极管串联后的连接中点接高频变压器的副边第一绕组正端，第二功率二极管、第四功率二极管串联后的连接中点接高频变压器的副边第一绕组负端；第五功率二极管、箝位电容串联后接桥式整流电路的输出端，输出滤波电感、输出滤波电容串联后接桥式整流电路的输出端，第六功率二极管阳极接第五功率二极管阴极，第六功率二极管阴极接输出滤波电容的正端；各相基本功率单元的输出级中第三功率变换器采用第五功率开关单元、第六功率开关单元、第七功率开关单元、第八功率开关单元组成桥式拓扑结构，第五功率开关单元、第七功率开关单元的正端接第二功率变换器串联后输出正端，第六功率开关单元、第八功率开关单元的负端接第二功率变换器串联后输出负端；所述每个功率开关单元由一个IGBT和一个反向连接的二极管并联组成。
一种级联型兆瓦级光伏并网逆变器的三相结构相同，基本功率单元结构的主要工作原理为：输入侧为太阳能光伏阵列，即PV模块，输出为直流，且输出电压电流随太阳光辐射强度和环境温度的变化而变化；隔离级为带高频变压器的移相全桥软开关DC/DC拓扑结构，主要用来实现MPPT控制、电气隔离和稳定输出电压的作用；隔离级中的第一功率变换器通过桥式电路将直流信号转化为高频方波信号，即DC-AC环节，隔离级中的第二功率变换器通过二极管不可控整流将高频方波信号还原成直流信号，即AC-DC环节；第一功率变换器桥式电路的超前臂开关管分别并联上一无感电容以实现零电压开关，高频变压器副边两部分整流桥串联，从而减小整流二极管的电压应力，电容和二极管组成的无源箝位电路主要用来实现滞后臂开关管零电流开关和抑制整流二极管两端的尖峰电压，从而降低开关损耗，提高转换效率；基本功率单元的输出级功率变换器组采用桥式逆变电路，输出级的连接采用级联结构，从而可以提高输出电压等级，输出能直接与10KV电网并联；逆变侧采用适当的调制方法，可以使输出波形具有较高的电能质量。
一种级联型兆瓦级光伏并网逆变器，其各单相基本功率单元的级联数目由并网功率和电网电压等级决定。
有益效果：本发明的级联型兆瓦级光伏并网逆变器，除了具备传统光伏并网逆变器的优点外，相对于国内外所提出的设计方案，还具有以下优点：
1.    一种光伏并网逆变器通过级联结构直接实现大功率并网，省去了传统的工频变压器，减小了设备的体积和重量，提高了装置的功率密度。 
2.    一种光伏并网逆变器采用基本功率单元组合的方式构成，基本功率单元的隔离级采用移相全桥软开关DC/DC拓扑结构，通过并联电容和无源箝位电路，使开关器件电压应力小，开关损耗小，能量转换效率高。
3.    一种光伏并网逆变器的输出级通过级联结构，能够实现高电压、大功率输出，且通过一定的调制方法能使并网电流波形具有较高的电能质量。
4.    一种级联型光伏并网逆变器还可以通过旁路控制，快速切除所发生故障的功率单元，使本装置具有一定的容错能力，保证整个***的安全可靠。
附图说明
    图1为本级联型兆瓦级光伏并网逆变器单相整体结构原理图；其中有：第一功率变换器1、第二功率变换器2、第三功率变换器3、高频变压器4。
    图2为本级联型兆瓦级光伏并网逆变器三相整体模型框图；
具体实施方式
本发明是一种级联型兆瓦级光伏并网逆变器的拓扑结构，该装置采用两级构成，即隔离级、输出级；三相电路的结构相同，各单相基本功率单元的输入侧由独立PV模块构成， PV模块的输出端并联上滤波电容；隔离级功率变换器组，即DC/DC模块，包括高频DC/AC环节、高频变压器和高频AC/DC环节；输出级功率变换器组，即DC/AC模块，采用电压源型桥式逆变电路；第一功率变换器的输入端并上输入滤波电容后接高频变压器的原边，高频变压器的副边接第二功率变换器的输入端，第二功率变换器的输出端并上直流储能电容后接第三功率变换器的输入端；各单相的第三功率变换器的输出端串联连接；三相输出端按照星型连接后直接接入电网。
如附图1所示，其各相基本功率单元的输入侧由光伏阵列即PV模块与输入滤波电容Cin并联组成，PV模块的输出端接隔离级的输入端；各相基本功率单元的隔离级中第一功率变换器1采用第一功率开关单元S1、第二功率开关单元S2、第三功率开关单元S3、第四功率开关单元S4组成桥式拓扑结构，第一功率开关单元S1并联无感电容Cs1、第二功率开关单元S2并联无感电容Cs2互补导通后接高频变压器4原边正端，第三功率开关单元S3、第四功率开关单元S4互补导通后接高频变压器4原边负端；高频变压器4副边有两个绕组，两个绕组的输出端分别与两个结构对称的第二功率变换器2相连，且两个功率变换器上下串联；第二功率变换器2由第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4组成的桥式整流电路，第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、箝位电容C1组成的无源箝位电路及输出滤波电感Lf1、输出滤波电容Cf1构成；第一功率二极管D1、第三功率二极管D3串联后的连接中点接高频变压器4的副边第一绕组正端，第二功率
二极管D2、第四功率二极管D4串联后的连接中点接高频变压器4的副边第一绕组负端；第五功率二极管D5、箝位电容C1串联后接桥式整流电路的输出端，输出滤波电感Lf1、输出滤波电容Cf1串联后接桥式整流电路的输出端，第六功率二极管D6阳极接第五功率二极管D5阴极，第六功率二极管D6阴极接输出滤波电容Cf1的正端；单相基本功率单元的输出级中第三功率变换器3采用第五功率开关单元S5、第六功率开关单元S6、第七功率开关单元S7、第八功率开关单元S8组成桥式拓扑结构，第五功率开关单元S5、第七功率开关单元S7的正端接第二功率变换器2串联后的输出正端，第六功率开关单元S6、第八功率开关单元S8的负端接第二功率变换器2串联后的输出负端；所述每个功率开关单元由一个IGBT和一个反向连接的二极管并联组成。
在大功率光伏并网***应用中，本级联型兆瓦级光伏并网逆变器的基本功率单元基于DC-HFAC-DC-LFAC型拓扑结构；输入侧为太阳能光伏阵列，即PV模块，输出为直流，且输出电压Ui随太阳光辐射强度和环境温度的变化而变化；隔离级为带高频变压器的移相全桥软开关DC/DC拓扑结构，主要用来实现MPPT控制、电气隔离和稳定输出电压Uo的作用；隔离级中的第一功率变换器通过桥式电路将直流信号转化为高频方波信号，即DC-AC环节，隔离级中的第二功率变换器通过二极管不可控整流将高频方波信号还原成直流信号，即AC-DC环节；第一功率变换器桥式电路的超前臂开关管分别并联上一无感电容以实现零电压开关，高频变压器副边两部分整流桥串联，从而减小整流二极管的电压应力，电容和二极管组成的无源箝位电路主要用来实现滞后臂开关管零电流开关和抑制整流二极管两端的尖峰电压，从而降低开关损耗，提高转换效率；基本功率单元的输出级功率变换器组采用桥式逆变电路，输出级的连接采用级联结构，从而可以提高输出电压等级，输出能直接与10KV电网并联；逆变侧采用适当的调制方法，可以使输出波形具有较小的THD值、较高的功率因数，电能质量得到保证。
本级联型兆瓦级光伏并网逆变器的各相输出级采用由基本功率单元的输出级功率变换器串联连接，便于灵活应用于各个电压等级的配电网线路上，无需利用工频升压变压器耦合就可直接输出高压大功率；其各单相基本功率单元的级联数目由并网功率和电网电压等级决定，可以通过旁路控制快速切除故障功率单元，保证整个***的安全可靠。

Claims (3)

1.一种级联型兆瓦级光伏并网逆变器，其特征在于：该装置各单相基本功率单元的拓扑结构采用隔离级、输出级两级构成，三相电路的结构相同；各单相基本功率单元的输入侧由独立PV模块构成，PV模块的输出端并联上滤波电容；隔离级功率变换器组，即DC/DC模块，包括高频DC/AC环节、高频变压器和高频AC/DC环节；输出级功率变换器组，即DC/AC模块，采用电压源型桥式逆变电路；第一功率变换器（1）的输入端并上输入滤波电容后接高频变压器（4）的原边，高频变压器（4）的副边接第二功率变换器（2）的输入端，第二功率变换器（2）的输出端并上直流滤波电容后接第三功率变换器（3）的输入端；单相各级基本功率单元的第三功率变换器（3）的连接采用级联形式；各单相DC/AC输出级的功率变换器组的输出端按照星型连接后并入电网。
2.如权利要求1所述的一种级联型兆瓦级光伏并网逆变器，其特征在于该逆变器基本功率单元的输入侧由独立的相同结构和数量的光伏电池板串并联组成PV模块；基本功率单元的隔离级功率变换器组采用带高频变压器（4）的移相全桥软开关拓扑结构；基本功率单元的输出级功率变换器组采用桥式逆变电路，单相各级基本功率单元的输出级的连接采用级联结构。
3.如权利要求1所述的一种级联型兆瓦级光伏并网逆变器的拓扑结构，其特征在于：其各相基本功率单元的输入侧由PV模块与输入滤波电容（Cin）并联组成，PV模块的输出端接隔离级的输入端；各相基本功率单元的隔离级中第一功率变换器（1）采用第一功率开关单元（S1）、第二功率开关单元（S2）、第三功率开关单元（S3）、第四功率开关单元（S4）组成桥式拓扑结构，第一功率开关单元（S1）并联无感电容Cs1、第二功率开关单元（S2）并联无感电容Cs2互补导通后接高频变压器（4）原边正端，第三功率开关单元（S3）、第四功率开关单元（S4）互补导通后接高频变压器（4）原边负端；高频变压器（4）副边两个绕组结构完全对称，副边两个绕组的输出端分别接两个相同结构的第二功率变换器（2）的输入端，两个第二功率变换器串联输出；第二功率变换器（2）由第一功率二极管（D1）、第二功率二极管（D2）、第三功率二极管（D3）、第四功率二极管（D4）组成的桥式整流电路，第五功率二极管（D5）、第六功率二极管（D6）、箝位电容（C1）组成的无源箝位电路及输出滤波电感（Lf1）、输出滤波电容（Cf1）构成；第一功率二极管（D1）、第三功率二极管（D3）串联后的连接中点接高频变压器（4）的副边绕组正端，第二功率二极管（D2）、第四功率二极管（D4）串联后的连接中点接高频变压器（4）的副边绕组负端；第五功率二极管（D5）、箝位电容（C1）串联后接桥式整流电路的输出端，输出滤波电感（Lf1）、输出滤波电容（Cf1）串联后接桥式整流电路的输出端，第六功率二极管（D6）阳极接第五功率二极管（D5）阴极，第六功率二极管（D6）阴极接输出滤波电容（Cf1）的正端；各相基本功率单元的输出级中第三功率变换器（3）采用第五功率开关单元（S5）、第六功率开关单元（S6）、第七功率开关单元（S7）、第八功率开关单元（S8）组成桥式拓扑结构，第五功率开关单元（S5）、第七功率开关单元（S7）的正端接第二功率变换器（2）串联后的输出正端，第六功率开关单元（S6）、第八功率开关单元（S8）的负端接第二功率变换器（2）串联后的输出负端；所述每个功率开关单元由一个IGBT和一个反向连接的二极管并联组成。
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