專利名稱：用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的三相四橋臂逆變器及光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三相四橋臂逆變器及包含該逆變器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于能源危機(jī)、環(huán)境污染的日益嚴(yán)峻等因素使越來越多的國家開始意識到加快可 再生能源的開放利用才是應(yīng)對日益嚴(yán)重的能源和環(huán)境問題、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。 太陽能因其清潔、高效和永不衰竭的特點(diǎn)成為可再生能源中最具活力的綠色能源。太陽能 并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)將太陽能通過并網(wǎng)逆變裝置直接饋入電網(wǎng)，因其具有無需儲能、結(jié)構(gòu)簡單等 獨(dú)特優(yōu)勢，使其很快成為世界各國專家研究的熱點(diǎn)。太陽能并網(wǎng)運(yùn)行方式也迅速成為光伏 應(yīng)用的一種主要方式。光伏并網(wǎng)逆變器是太陽能發(fā)電與電網(wǎng)連接的橋梁，是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心。 在大功率并網(wǎng)電站中均采用三相并網(wǎng)輸出方式，而三相并網(wǎng)逆變器性能的優(yōu)劣是決定整個 電站能否穩(wěn)定安全運(yùn)行的關(guān)鍵。三相光伏并網(wǎng)逆變器一般采用三個橋臂的結(jié)構(gòu)或者三個單 相全橋構(gòu)成的組合式三相逆變結(jié)構(gòu)，前者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于沒有中線，所以適用于三相電網(wǎng)平 衡的情況。但在電網(wǎng)質(zhì)量較差的地區(qū)，三相電網(wǎng)電壓往往不均衡，波形畸變較大，此時，三相 并網(wǎng)逆變器就會出現(xiàn)并網(wǎng)電流諧波含量增加，系統(tǒng)效率降低，運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至不能正常工 作等問題。后者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然可以對三相不平衡電網(wǎng)正常輸送電能，但其線路復(fù)雜，體積龐 大，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是針對現(xiàn)有的光伏逆變器存在的上述不足，提供一種高效 率、高可靠性、對電網(wǎng)不平衡有很強(qiáng)適應(yīng)能力并使并網(wǎng)電流諧波含量極小的三相四橋臂逆 變器及包含該逆變器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該三相四橋臂逆變器，其輸入端與光伏陣 列相連，輸出端與三相電網(wǎng)相連，包括三個并聯(lián)的橋臂(a、b、c)，每個橋臂包括串聯(lián)的兩個 開關(guān)管(Sp S4/S3、S6/S5、S2)，串聯(lián)在一起的兩開關(guān)管的連接點(diǎn)為各橋臂的輸出端，該逆變 器還包括有與所述三個橋臂的兩端并聯(lián)的中性橋臂n，所述中性橋臂包括串聯(lián)的兩開關(guān)管 (S7、S8),所述兩開關(guān)管(S7、S8)的連接點(diǎn)構(gòu)成中性橋臂的輸出端，中性橋臂的輸出端與三相 電網(wǎng)的中性線相連。優(yōu)選的是，該三相四橋臂逆變器還包括有儲能電容C，所述儲能電容C并聯(lián)于三個 橋臂的輸入端，用于儲能、維持直流電壓的穩(wěn)定以及濾波。在光伏陣列和儲能電容C之間還 可串接有防反沖二極管D。進(jìn)一步優(yōu)選的是，該三相四橋臂逆變器還包括有三個濾波電感(La、Lb、Lc)和中性 線濾波電感Ln，所述三個濾波電感(La、Lb、L。)分別接于三個橋臂(a、b、c)的輸出端和三相電網(wǎng)的輸入端之間，所述中性線濾波電感Ln接在中性橋臂n的輸出端與三相電網(wǎng)的中性線 之間。其中，中性線濾波電感！^可以改善整個三相四橋臂逆變器的整體濾波效果，抑制 中線電流開關(guān)紋波，減小三相輸出電壓的總諧波失真(THD)值。中性橋臂(也可叫做公用 橋臂)可直接控制中性點(diǎn)電壓，從而得到3個獨(dú)立電壓，具有固有的不平衡處理能力，中性 橋臂為不平衡電流和零序電流提供了通路，在電網(wǎng)不平衡條件下充分發(fā)揮調(diào)節(jié)三相輸出不 平衡的作用。中性橋臂n以及中性線濾波電感Ln進(jìn)行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)原理如下圖1中的電路方程分別為式(1)、(2)，表示為
式(1)為電壓回路方程，式(2)為電感電流回路方程。 其中Ua、Ub、U。為三相四橋臂逆變器的輸出電壓，ia、ib、i。為三相輸出電流，ea 相電網(wǎng)電壓，in為中性線電感電流，L為三相濾波電感；Ln為中性線濾波電感； 如果三相電網(wǎng)不平衡，則[ea eb ec]含有正序、負(fù)序和零序分量，如式(3)，
ec為三 其中圮、E:、<是正序、負(fù)序、零序分量的幅值；a p、a n、a ^是正序、負(fù)序、零序 分量的相位值。三個橋臂a、b、c控制三相輸出電壓正序分量[Ua
ap Ubp
UJ和負(fù)序分量[Uan Ubn UJ,
以跟隨不平衡電網(wǎng)電壓的正序和負(fù)序分量。中性橋臂n控制J Ub0 U。J，以跟隨不平衡電網(wǎng)電壓的零序分量。其中，[Uap ubp ucp]
相輸出電壓的零序分量[Ua(l 為三個橋臂a、b、c分別與 中性橋臂n之間的正序電壓；[Uan Ubn U。n]為三個橋臂a、b、c分別與中性橋臂n之間的負(fù) 序電壓；[Ua(l Ub0 UJ為三個橋臂a、b、c分別與中性橋臂n之間的零序電壓。
即式(4)，
<vb=++Ub0Pen,
⑷利用本發(fā)明三相四橋臂逆變器進(jìn)行光伏發(fā)電的過程如下太陽能光伏電池陣列將 太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，通過防反沖二極管D將電能存儲在儲能電容C中，儲能電容C放電釋 放能量通過本發(fā)明三相四橋臂逆變器逆變后輸出交流電能，再經(jīng)濾波電感并入電網(wǎng)。一種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏并網(wǎng)逆變器，所述光伏并網(wǎng)逆變器采用本發(fā)明 上述的三相四橋臂逆變器。該光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)還包括控制器、用于測量光伏陣列輸出電壓和電流的直流采
樣及調(diào)理電路、用于測量三相四橋臂逆變器輸出電流的交流電流采樣及調(diào)理電路、對三相電網(wǎng)頻率和相位進(jìn)行檢測的過零檢測電路、用于測量三相電網(wǎng)電壓的交流電壓采樣及調(diào)理 電路、以及三相四橋臂逆變器的驅(qū)動電路，所述直流采樣及調(diào)理電路、交流電流采樣及調(diào)理 電路、過零檢測電路、交流電壓采樣及調(diào)理電路分別與所述控制器的輸入端相連，控制器的 輸出端通過驅(qū)動電路與三相四橋臂逆變器相連。本發(fā)明光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只有一個能量變換環(huán)節(jié)，提高了效率及系統(tǒng) 可靠性，更加有利于調(diào)試和維護(hù)；如果電網(wǎng)電壓三相不平衡，并網(wǎng)電流的每一相均能快速跟 蹤電網(wǎng)電壓的頻率、相位和幅值的變化，對電網(wǎng)不平衡的情況有很強(qiáng)的適應(yīng)性，且對諧波也 有一定的抑制作用。本發(fā)明光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將電網(wǎng)作為儲能系統(tǒng)，向其供電，改善了電網(wǎng)的電能來 源結(jié)構(gòu)，且由于其包含有三相四橋臂逆變器，對電網(wǎng)不平衡有很好的適應(yīng)性，可靠性高。同 時，由于充分利用太陽能這一清潔能源，可減少環(huán)境污染。


圖1是本發(fā)明三相四橋臂逆變器的電路結(jié)構(gòu)2是本發(fā)明光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意中C-儲能電容D-防反沖二極管SfSf開關(guān)管L^L^L。-濾波電感Ln-中 性線濾波電感a、b、c_橋臂n-中性橋臂ea、eb、e。-三相電網(wǎng)電壓o_中性點(diǎn)M_逆 變主電路1-直流采樣及調(diào)理電路2-交流電流采樣及調(diào)理電路3-交流電壓采樣及調(diào) 理電路4-過零檢測電路5-驅(qū)動電路6-三相四橋臂逆變器7-控制器
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例為本發(fā)明的非限定性實(shí)施例。圖1是本發(fā)明三相四橋臂逆變器的電路結(jié)構(gòu)圖。該三相四橋臂逆變器在傳統(tǒng)的三 相三橋臂逆變器的基礎(chǔ)上增加一個中性橋臂(公用橋臂)而形成的。如圖1所示，本發(fā)明 三相四橋臂逆變器包括防反沖二極管D、儲能電容C、逆變主電路M、三個濾波電感La、Lb、Lc、 中性線濾波電感Ln。如圖1所示，逆變主電路M由八個開關(guān)管S「S8組成，每個開關(guān)管由一個IGBT與一 個二極管反并聯(lián)構(gòu)成，采用四組2單元封裝組成的IGBT模塊構(gòu)成逆變主電路M，其中IGBT 模塊可采用市售的三菱CM150DX-24A，英飛凌FF100R12YT3，賽米控SKM100GB12T4等。逆變主電路M中三個橋臂a、b、c的組成如下開關(guān)管S:、S4串聯(lián)組成A相橋臂a， 開關(guān)管S3、S6串聯(lián)組成B相橋臂b，開關(guān)管S5、S2串聯(lián)組成C相橋臂c。開關(guān)管S7、S8串聯(lián)組 成中性橋臂n，中性橋臂也稱為公用橋臂。每個橋臂中，串聯(lián)的兩個開關(guān)管的連接點(diǎn)為橋臂 的輸出端。A相橋臂a、B相橋臂b、C相橋臂c分別與中性橋臂n組成A相全橋逆變器、B相 全橋逆變器、C相全橋逆變器。三個橋臂a、b、c的輸出端分別連接有濾波電感La、Lb、Lc, A 相橋臂a、B相橋臂b、C相橋臂c通過濾波電感La、Lb、Lc分別與三相電網(wǎng)的A、B、C三相連 接，公用橋臂n通過中性線濾波電感Ln與三相電網(wǎng)的中性點(diǎn)o連接。在逆變主電路M中，三個橋臂a、b、c以及中性橋臂n的上下端點(diǎn)分別連接在一起， 形成三相四橋臂逆變器的直流母線，上端母線為正極母線，下端母線為負(fù)極母線。儲能電容C設(shè)置在光伏陣列與逆變主電路M之間，儲能電容C的正極與正極母線連接，其負(fù)極與負(fù)極 母線連接。為防止電網(wǎng)對光伏陣列反充電，在光伏陣列與儲能電容C之間還設(shè)置有防反沖 二極管D，其正極與光伏陣列連接，負(fù)極與儲能電容C的正極連接。本發(fā)明三相四橋臂逆變器的工作過程如下太陽能光伏陣列將太陽光能轉(zhuǎn)化為電 能，經(jīng)防反沖二極管D將電能存儲在儲能電容C中，儲能電容C放電釋放的能量經(jīng)逆變主電 路M逆變輸出交流電能后經(jīng)濾波電感La、Lb、Lc并入三相電網(wǎng)。本實(shí)施例中，中性線濾波電感！^可以改善整體濾波效果，抑制中線電流開關(guān)紋波， 減小三相輸出電壓的總諧波失真(THD)值。公用橋臂n可直接控制中性點(diǎn)電壓，從而得到 3個獨(dú)立電壓，具有固有的不平衡處理能力，公用橋臂n為不平衡電流和零序電流提供了通 路，充分發(fā)揮在電網(wǎng)不平衡條件下調(diào)節(jié)三相輸出不平衡的作用。圖2是本發(fā)明光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實(shí)施例中，光伏并 網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括三相四橋臂逆變器6、控制器7、直流采樣及調(diào)理電路1、交流電流采樣及調(diào) 理電路2、過零檢測電路4、交流電壓采樣及調(diào)理電路3、驅(qū)動電路5。其中，控制器7采用高 速數(shù)字信號處理器DSP TMS320F2812。光伏陣列通過儲能電容C與三相四橋臂逆變器6的輸入端相連，三相四橋臂逆變 器6的輸出端通過濾波電感La、Lb、Lc和中性線濾波電感Ln分別與三相電網(wǎng)的A、B、C三相 以及中性點(diǎn)連接。直流采樣及調(diào)理電路1設(shè)在光伏陣列的輸出端，用以測量光伏陣列輸出 的電壓和電流信號，并將所獲的電信號傳送給控制器7進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)對光伏陣列最大 功率跟蹤控制。交流電流采樣及調(diào)理電路2設(shè)置在三相四橋臂逆變器6的輸出端，用以測 量三相四橋臂逆變器6輸出的三相電流和中性線濾波電感電流，并將所獲得的電信號傳送 給控制器7進(jìn)行處理，以對三相四橋臂逆變器6的輸出波形進(jìn)行控制。交流電壓采樣及調(diào) 理電路3和過零檢測電路4設(shè)置在濾波電感La、Lb、L。以及中性線濾波電感Ln與三相電網(wǎng)之 間，交流電壓采樣及調(diào)理電路3用以測量三相電網(wǎng)電壓，并將測得的信號傳送給控制器7進(jìn) 行處理，以實(shí)現(xiàn)對輸入電網(wǎng)波形的控制。過零檢測電路4對三相電網(wǎng)的頻率和相位進(jìn)行檢 測，并將檢測信號傳送給控制器7進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)鎖相并網(wǎng)功能。控制器7將直流采樣及 調(diào)理電路1、交流電流采樣及調(diào)理電路2、交流電壓采樣及調(diào)理電路3和過零檢測電路4采 集的信號經(jīng)運(yùn)算處理后產(chǎn)生控制信號并將該控制信號傳送給驅(qū)動電路5，由驅(qū)動電路5驅(qū) 動三相四橋臂逆變器6中的逆變主電路M,使每一相都能獨(dú)立快速跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率、相 位和幅值的變化?？刂破?實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率跟蹤調(diào)節(jié)的方式是(1)當(dāng)增加本發(fā)明逆變器的 輸出功率(即加大并網(wǎng)電流)時，瞬態(tài)下儲能電容C的電壓保持不變，太陽能電池板的輸出 電壓暫時不變，光伏陣列的輸出電壓與儲能電容C的電壓一致，太陽能電池板的輸出功率 也暫時不變。此時逆變器的輸出功率大于輸入功率，儲能電容C放電，太陽能電池板的輸出 電壓減小，太陽能電池板的輸出功率發(fā)生變化。將此時太陽能電池板的輸出功率與調(diào)節(jié)前 的輸出功率進(jìn)行比較，如果輸出功率增加，則表明輸出功率隨著輸出電壓的減小而增加，工 作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)的右邊，調(diào)節(jié)方向正確，可繼續(xù)增加并網(wǎng)電流。若太陽能電池板的輸出 功率較調(diào)節(jié)前的小，則表明輸出功率隨著輸出電壓的減小而減小，工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn) 的左邊，調(diào)節(jié)方向錯誤，此時太陽能電池板的輸出功率比調(diào)節(jié)前小，而逆變器的輸出功率卻 比調(diào)節(jié)前大，這是儲能電容C放電引起的，因此需減小并網(wǎng)電流。(2)當(dāng)減小逆變器的輸出功率(即減小并網(wǎng)電流)時，瞬態(tài)下儲能電容C的電壓不變，太陽能電池板的輸出電壓暫時 不變，太陽能電池板的輸出功率也暫時不變。此時逆變器輸出功率小于逆變器輸入功率，儲 能電容C充電，電池板的輸出電壓增大，將此時電池板的輸出功率與調(diào)節(jié)前的輸出功率比 較，如果增加，則表明電池板輸出功率隨著輸出電壓的增大而增加，工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn) 的左邊，調(diào)節(jié)方向正確，繼續(xù)減小并網(wǎng)電流，此時逆變器的輸出功率比調(diào)節(jié)前小，而太陽能 電池板的輸出功率卻比調(diào)節(jié)前大，這是因?yàn)殡娙莩潆娨鸬?。如果太陽能電池板的輸出?率較調(diào)節(jié)前的輸出功率小，則表明輸出功率隨著輸出電壓的增大而減小，工作點(diǎn)位于最大 功率點(diǎn)的右邊，調(diào)節(jié)方向錯誤，需增大并網(wǎng)電流。如此反復(fù)不停的調(diào)節(jié)，可以使太陽能電池 板輸出在最大功率點(diǎn)。
權(quán)利要求
一種用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的三相四橋臂逆變器，其輸入端與光伏陣列相連，輸出端與三相電網(wǎng)相連，包括三個并聯(lián)的橋臂(a、b、c)，每個橋臂包括串聯(lián)的兩開關(guān)管(S1、S4/S3、S6/S5、S2)，串聯(lián)在一起的兩開關(guān)管的連接點(diǎn)為各橋臂的輸出端，其特征在于該逆變器還包括有與所述三個橋臂(a、b、c)的兩端并聯(lián)的中性橋臂(n)，所述中性橋臂包括串聯(lián)的兩開關(guān)管(S7、S8)，所述兩開關(guān)管(S7、S8)的連接點(diǎn)構(gòu)成中性橋臂的輸出端，中性橋臂的輸出端與三相電網(wǎng)的中性線相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相四橋臂逆變器，其特征在于該三相四橋臂逆變器還包括 有三個濾波電感(La、Lb、L。)和中性線濾波電感(Ln)，所述三個濾波電感(La、Lb、L。)分別接 于三個橋臂(a、b、c)的輸出端和三相電網(wǎng)的輸入端之間，所述中性線濾波電感(Ln)接在中 性橋臂(n)的輸出端與三相電網(wǎng)的中性線之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相四橋臂逆變器，其特征在于該三相四橋臂逆變器還包括 有儲能電容(C)，所述儲能電容(C)并聯(lián)于三個橋臂(a、b、c)的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三相四橋臂逆變器，其特征在于在光伏陣列和儲能電容(C) 之間還串聯(lián)有防反沖二極管(D)。
5.一種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于所述光伏并網(wǎng)逆變器采 用權(quán)利要求1-4之一所述的三相四橋臂逆變器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于該光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)還包 括有控制器(7)、用于測量光伏陣列輸出電壓和電流的直流采樣及調(diào)理電路(1)、用于測量 三相四橋臂逆變器輸出電流的交流電流采樣及調(diào)理電路(2)、對三相電網(wǎng)頻率和相位進(jìn)行 檢測的過零檢測電路(4)、用于測量三相電網(wǎng)電壓的交流電壓采樣及調(diào)理電路(3)、以及三 相四橋臂逆變器的驅(qū)動電路(5)，所述直流采樣及調(diào)理電路(1)、交流電流采樣及調(diào)理電路 (2)、過零檢測電路(4)、交流電壓采樣及調(diào)理電路(3)分別與所述控制器(7)的輸入端相 連，控制器的輸出端通過驅(qū)動電路(5)與三相四橋臂逆變器(6)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述控制器(7)采用DSP TMS320F2812。
全文摘要
一種用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的三相四橋臂逆變器，其輸入端與光伏陣列相連，輸出端與三相電網(wǎng)相連，包括三個并聯(lián)的橋臂(a、b、c)，每個橋臂包括串聯(lián)的兩開關(guān)管(S1、S4/S3、S6/S5、S2)，串聯(lián)在一起的兩開關(guān)管的連接點(diǎn)為各橋臂的輸出端，還包括有與所述三個橋臂的兩端并聯(lián)的中性橋臂(n)，所述中性橋臂包括串聯(lián)的兩開關(guān)管(S7、S8)，所述兩開關(guān)管(S7、S8)的連接點(diǎn)構(gòu)成中性橋臂的輸出端，中性橋臂的輸出端與三相電網(wǎng)的中性線相連。一種包含有上述逆變器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)不平衡情況有很強(qiáng)的適應(yīng)性，并網(wǎng)電流諧波含量極小。
文檔編號H02J3/38GK101877548SQ20091013538
公開日2010年11月3日 申請日期2009年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者劉偉增, 周洪偉, 阮少華 申請人:新疆新能源股份有限公司