基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置制造方法
【專利摘要】基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置，其直流側(cè)采用一組光伏陣列作為直流源輸入，光伏陣列輸出端并聯(lián)有多個(gè)光伏逆變單元支路，多個(gè)光伏逆變單元支路輸出端依次串聯(lián)連接，串聯(lián)后的輸出端直接并入中壓電網(wǎng)；每個(gè)光伏逆變單元支路的輸入端并聯(lián)有一組母線電容，母線電容的輸出端與光伏逆變單元的輸入端相連接；光伏逆變單元由三相PWM逆變器與一變壓器串聯(lián)連接組成，三相PWM逆變器的輸入端為光伏逆變單元支路的輸入端，三相PWM逆變器的輸出端與變壓器的原邊繞組相連接，變壓器的副邊繞組為支路的輸出端，與其它并聯(lián)支路的輸出端相串聯(lián)連接；本發(fā)明使用的變壓器與傳統(tǒng)的移相變壓器相比制造工藝簡(jiǎn)化，并且降低大功率集中式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的制造成本。
【專利說(shuō)明】基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光伏逆變器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]為了提高光伏逆變器的單機(jī)容量，大多數(shù)大功率并網(wǎng)逆變器均采用多電平的方式。采用多電平逆變器的主要目的，就是為了利用低耐壓開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)高電壓輸出。級(jí)聯(lián)法和多重疊加法都是生成多電平逆變器的主要方法。級(jí)聯(lián)法是把N個(gè)具有獨(dú)立直流源、輸出電壓為SPWM波的H橋(逆變單元)，將它們的三角載波依次移相2 /N，直接將H橋的輸出電壓進(jìn)行串聯(lián)疊加，使輸出電壓成為SPWM多電平階梯波，以達(dá)到消除載波諧波、改善輸出波形、提高輸出電壓、擴(kuò)大輸出功率的目的。多重疊加法(多重化技術(shù))是指把N個(gè)輸出電壓為方波的H橋，將它們的輸出電壓依次移開(kāi)π /N，通過(guò)輸出變壓器二次側(cè)進(jìn)行串聯(lián)疊加，使疊加后的輸出電壓成為多電平階梯波電壓，以達(dá)到消除基波諧波，改善輸出電壓波形、提聞?shì)敵鲭妷?、擴(kuò)大輸出功率的目的。
[0003]申請(qǐng)?zhí)枮镃N201280041767.8的專利提出在光伏系統(tǒng)中使用N個(gè)級(jí)聯(lián)的H橋轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生具有2Ν+1個(gè)電壓電平的電壓波形，利用該電壓波形可以獲得正弦波的良好逼近。在該拓?fù)渲?，轉(zhuǎn)換器的DC電源被彼此隔離。并且級(jí)聯(lián)式逆變器具有元件使用少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及易于模塊化等特點(diǎn)。但是由于級(jí)聯(lián)式多電平逆變器的獨(dú)立電源需要采用多個(gè)光伏陣列，而使用多路PV陣列對(duì)H橋單元供電存在PV組件的PID效應(yīng)以及各PV組件對(duì)地共模漏電流等問(wèn)題。
[0004]申請(qǐng)?zhí)枮镃N201210106659.6的專利提出多重化技術(shù)在光伏并網(wǎng)中使用，DC/AC的變換的開(kāi)關(guān)頻率等于電網(wǎng)額定頻率，減小了有功損耗，使得光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置的總效率提高；利用變壓器對(duì)逆變器的輸出電壓進(jìn)行合成，并網(wǎng)電流總諧波畸變率得到了降低。然而此多重疊加式逆變器是將方波電壓進(jìn)行疊加，無(wú)法進(jìn)行PWM調(diào)壓。為了達(dá)到調(diào)壓，該專利在每路PV光伏陣列與逆變器之間增加了一(DC-DC)boost升壓電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)壓功能，但是boost電路的加入使得系統(tǒng)的效率降低了，還增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。此外，此變壓器為了達(dá)到諧波最優(yōu)的目標(biāo)，必須采用特定變比進(jìn)行匹配，制造工藝上不容易實(shí)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置，解決了非隔離型級(jí)聯(lián)式逆變器PV組件PID效應(yīng)及PV組件共模漏電流問(wèn)題，克服了多重化技術(shù)在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中無(wú)法實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)壓的問(wèn)題，以及移相變壓器制造工藝不容易實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，并且降低大功率集中式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的制造成本。
[0006]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置，所述三相光伏逆變裝置的直流側(cè)采用一組光伏陣列作為直流源輸入，所述光伏陣列的輸出端并聯(lián)有多個(gè)光伏逆變單元支路，所述多個(gè)光伏逆變單元支路的輸出端依次串聯(lián)連接，串聯(lián)后的輸出端直接并入中壓電網(wǎng)；所述每個(gè)光伏逆變單元支路的輸入端并聯(lián)有一組母線電容，所述母線電容的輸出端與光伏逆變單元的輸入端相連接；所述光伏逆變單元由三相PWM逆變器與一變壓器串聯(lián)連接組成，所述三相PWM逆變器的輸入端為光伏逆變單元支路的輸入端，所述三相PWM逆變器的輸出端與變壓器的原邊繞組相連接，變壓器的副邊繞組為支路的輸出端，與其它并聯(lián)支路的輸出端相串聯(lián)連接。
[0008]在所述變壓器的二次側(cè)接入CL濾波器，所述CL濾波器與變壓器的漏感形成LCL濾波器。
[0009]所述三相PWM逆變器的功率模塊所采取的是鋸齒波移相的PWM調(diào)制方法。
[0010]所述各光伏逆變單元支路中的三相PWM逆變器中的功率單元采用的是全控型功率器件構(gòu)成功率單元的主電路，通過(guò)控制器發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷工作狀態(tài)切換。
[0011]所述全控型功率開(kāi)關(guān)器件采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET或集成門極換流晶閘管IGCT。
[0012]所述各光伏逆變單元支路中變壓器的原邊和副邊使用D/Y聯(lián)結(jié)，或D/D、Y/Y、Y/D聯(lián)結(jié)，且各變壓器的變比都相同。
[0013]所述三相PWM逆變器為三相半橋逆變器。
[0014]所述三相PWM逆變器為三相H橋逆變器、三相多電平逆變器及三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0016]本發(fā)明可以應(yīng)用于高頻、大功率的場(chǎng)合。相比于其他光伏逆變器拓?fù)?，此發(fā)明采用的元件更少，有效降低了逆變器的損耗，且效率高。各功率單元控制都一樣，控制簡(jiǎn)單。采用PWM調(diào)壓，使得并網(wǎng)電流諧波更小。充分利用變壓器的漏感，使CL濾波器的體積減小，同時(shí)成本也降低了。故整機(jī)的成本優(yōu)勢(shì)非常顯著。此外，整體系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化。本發(fā)明解決了級(jí)聯(lián)式逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)使用中需要采用多路直流源以及各逆變單元輸出功率不平衡等問(wèn)題，克服了多重化技術(shù)在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中無(wú)法實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)壓的問(wèn)題，以及變壓器制造工藝不容易實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，并且降低大功率集中式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的制造成本。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明基本電路拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是加入CL濾波器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是N = 4的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4是鋸齒波移相調(diào)制載波示意圖。
[0021]圖5是四組三相半橋組成的PWM逆變器單元。
[0022]圖6是Gll和G12的PWM信號(hào)。
[0023]圖7是四組逆變單元第一相橋臂上開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)。
[0024]圖8是四組逆變單元第一相橋臂下開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)。

【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置，所述三相光伏逆變裝置的直流側(cè)采用一組光伏陣列作為直流源輸入，所述光伏陣列的輸出端并聯(lián)有多個(gè)光伏逆變單元支路，所述多個(gè)光伏逆變單元支路的輸出端依次串聯(lián)連接，串聯(lián)后的輸出端直接并入中壓電網(wǎng)；所述每個(gè)光伏逆變單元支路的輸入端并聯(lián)有一組母線電容，所述母線電容的輸出端與光伏逆變單元的輸入端相連接；所述光伏逆變單元由三相PWM逆變器與一變壓器串聯(lián)連接組成，所述三相PWM逆變器的輸入端為光伏逆變單元支路的輸入端，所述三相PWM逆變器的輸出端與變壓器的原邊繞組相連接，變壓器的副邊繞組為支路的輸出端，與其它并聯(lián)支路的輸出端相串聯(lián)連接。
[0027]本發(fā)明可以利用變壓器的漏感進(jìn)行濾波，故圖1中并沒(méi)有采用濾波器，且電流紋波不高。然而為了給高頻紋波電流提供回路，使35kV側(cè)的電壓紋波不超標(biāo)，如圖2所示，在變壓器的二次側(cè)接入CL濾波器，實(shí)則與變壓器的漏感形成LCL濾波器，降低了電壓紋波，減小了對(duì)網(wǎng)側(cè)的擾動(dòng)。
[0028]本發(fā)明所述三相PWM逆變器的功率模塊所采取的是鋸齒波移相的PWM調(diào)制方法，該方法不但使各功率單元的功率保持平衡，確保輸出的總諧波失真THD滿足光伏系統(tǒng)的要求。此外，本調(diào)制方法優(yōu)化了多重疊加逆變器的方波疊加法，實(shí)現(xiàn)了 PWM調(diào)壓。本發(fā)明三相光伏逆變裝置無(wú)法使用三角載波移相的調(diào)制方法。因?yàn)樵谝葡嗾{(diào)制方式下，線電壓相鄰電平間切換時(shí)無(wú)法形成理想多電平。而采用三角載波移幅的調(diào)制方法會(huì)出現(xiàn)各功率單元的驅(qū)動(dòng)波不對(duì)稱，即各功率單元的功率不平衡問(wèn)題。
[0029]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述各光伏逆變單元支路中的三相PWM逆變器中的功率單元采用的是全控型功率器件構(gòu)成功率單元的主電路，通過(guò)控制器發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷工作狀態(tài)切換。進(jìn)一步地，所述全控型功率開(kāi)關(guān)器件采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET或集成門極換流晶閘管IGCT。
[0030]所述各光伏逆變單元支路中變壓器的原邊和副邊可以使用D/Y聯(lián)結(jié)，也可以選用其他聯(lián)結(jié)組別如D/D、Y/Y、Y/D聯(lián)結(jié)，且各變壓器的變比都相同，制造工藝上容易實(shí)現(xiàn)。
[0031]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述三相PWM逆變器為三相半橋逆變器，采用三相半橋組成的基本功率單元易于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中的三相PWM逆變器單元。但是，H橋逆變器、多電平拓?fù)浼捌渌嗤負(fù)湟捕伎梢杂脕?lái)組成本發(fā)明的基本功率單元，因此本發(fā)明的可替換性比較強(qiáng)。
[0032]如圖1所示，本發(fā)明采用一組光伏陣列，其PV+和PV-端分別與N個(gè)母線電容(Cl?Cn)相并聯(lián)，用于N組逆變單元的直流側(cè)輸入。由三相PWM逆變器構(gòu)成了 1#?n#逆變單元。N組逆變單元的交流側(cè)分別與變壓器單元中的N組變壓器(Tl?Tn)的原邊側(cè)進(jìn)行連接，Tl?Tn的副邊互相串聯(lián)形成輸出接入10?35kV中壓配電網(wǎng)。
[0033]光伏陣列(PV Array)將光伏電池轉(zhuǎn)化而來(lái)的電能傳送給直流母線電容。所述的N組直流母線電容器實(shí)現(xiàn)直流母線電壓支撐和交直流能量解耦，分別將電能傳送給三相PWM逆變器單元。
[0034]上述的逆變器單元由N組三相PWM逆變器組成。利用所述的變壓器單元中的N組變壓器將三相PWM逆變器的輸出電壓進(jìn)行合成，形成多電平，并將電能傳送給10?35kV配電網(wǎng)。
[0035]在上述的變壓器單元的N組變壓器，各變壓器的匝數(shù)比都相同。只要確保該N組變壓器的聯(lián)結(jié)組別保持一致。因此無(wú)論是如圖1所示的D/Y聯(lián)結(jié)組別，還是D/D，Y/Y和Y/D等聯(lián)結(jié)組別都能滿足要求。
[0036]如圖3所示，給出了一個(gè)N = 4的實(shí)施方案，光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置的主電路參數(shù):并網(wǎng)電壓1kV ;光伏電池組件的耐壓等級(jí)為1000V ;三相PWM逆變器單元由4組三相半橋逆變器組成，各三相半橋逆變器的額定功率為250kW ;變壓器單元由4臺(tái)變壓器組成，容量均為250kVA，4臺(tái)變壓器的采用D/Y的聯(lián)結(jié)組別，變比300:2500。
[0037]如圖4所示，圖3的實(shí)施例的PWM調(diào)制方法采用4個(gè)非對(duì)稱鋸齒波(Ucl、Uc2、Uc3和Uc4)作為載波.各載波之間移相角度為90度(移相角度等于2 π /N，N為逆變單元個(gè)數(shù))，與同一調(diào)制波(頻率為電網(wǎng)頻率50Hz)進(jìn)行比較產(chǎn)生出多電平PWM控制波。圖3具體實(shí)施例中，由四組三相半橋組成的三相PWM逆變器單元如圖5所示，且每一相橋臂上下開(kāi)關(guān)是互補(bǔ)導(dǎo)通，如圖6所不Gll和G12的PWM信號(hào)。另外,第一相橋臂上開(kāi)關(guān)門極(G11、G21、G3UG41)的PWM信號(hào)如圖7所示，第一相橋臂下開(kāi)關(guān)門極(G12、G22、G32、G42)的PWM信號(hào)如圖8所示。此光伏逆變裝置輸出相電壓的多電平波形趨勢(shì)與圖7所示四個(gè)PWM信號(hào)的疊加波形趨勢(shì)相同。
【權(quán)利要求】
1.基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置，其特征在于:所述三相光伏逆變裝置的直流側(cè)采用一組光伏陣列作為直流源輸入，所述光伏陣列的輸出端并聯(lián)有多個(gè)光伏逆變單元支路，所述多個(gè)光伏逆變單元支路的輸出端依次串聯(lián)連接，串聯(lián)后的輸出端直接并入中壓電網(wǎng)；所述每個(gè)光伏逆變單元支路的輸入端并聯(lián)有一組母線電容，所述母線電容的輸出端與光伏逆變單元的輸入端相連接；所述光伏逆變單元由三相PWM逆變器與一變壓器串聯(lián)連接組成，所述三相PWM逆變器的輸入端為光伏逆變單元支路的輸入端，所述三相PWM逆變器的輸出端與變壓器的原邊繞組相連接，變壓器的副邊繞組為支路的輸出端，與其它并聯(lián)支路的輸出端相串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置，其特征在于:在所述變壓器的二次側(cè)接入CL濾波器，所述CL濾波器與變壓器的漏感形成LCL濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置，其特征在于:所述三相PWM逆變器的功率模塊所采取的是鋸齒波移相的PWM調(diào)制方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置，其特征在于:所述各光伏逆變單元支路中的三相PWM逆變器中的功率單元采用的是全控型功率器件構(gòu)成功率單元的主電路，通過(guò)控制器發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷工作狀態(tài)切換。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置，其特征在于:所述全控型功率開(kāi)關(guān)器件采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET或集成門極換流晶閘管IGCT。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置，其特征在于:所述各光伏逆變單元支路中變壓器的原邊和副邊使用D/Y聯(lián)結(jié)，或D/D、Y/Y、Y/D聯(lián)結(jié)，且各變壓器的變比都相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置，其特征在于:所述三相PWM逆變器為三相半橋逆變器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于變壓器級(jí)聯(lián)技術(shù)的三相光伏逆變裝置，其特征在于:所述三相PWM逆變器為三相H橋逆變器、三相多電平逆變器及三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H02J3/01GK104319809SQ201410596477
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】劉小剛, 姜耀軍, 張新濤, 張磊 申請(qǐng)人:特變電工西安電氣科技有限公司, 特變電工新疆新能源股份有限公司