基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器及方法技术

本发明专利技术涉及电力电子电能变换技术，具体涉及基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器及方法，该逆变器包括直流电源、LLC谐振变换器、H桥逆变器和三相交流电网；LLC谐振变换器包括原边电能逆变模块、谐振模块、四绕组变压器模块、电能整流模块；H桥逆变器包括第一滤波电容C

Modular photovoltaic inverter and method based on three-phase integrated magnetic coupling ripple transfer

【技术实现步骤摘要】
基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器及方法


[0001]本专利技术属于电力电子电能变换
，特别涉及基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器及方法。

技术介绍

[0002]电力电子变换器发展至今，顺应市场应用的需求，涌现出了多种逆变器拓扑，并已广泛应用于电气相关的各行各业。当逆变器应用于电压等级更高一些的应用场合，多电平逆变器将更加适用。常用的多电平逆变器包括中点钳位型逆变器(NPC逆变器)、飞跨电容型逆变器、级联H桥逆变器和模块化多电平逆变器。其中NPC逆变器和飞跨电容型逆变器随着电平数量的增加，所需的器件数量和控制复杂度也将急剧增加；而飞跨电容型逆变器电容数量较多，还需要对电容电压进行控制，控制复杂度较NPC逆变器更为复杂，且电平数增加以后还存在电容串联均压的问题。因此，这两种逆变器的三电平或五电平版本应用较为广泛，更高电平的版本应用较少。
[0003]逆变器输出的电平越多，则不但可以承受更高的电压等级，其输出波形也更接近于正弦波，更有利于减小滤波器容量。如上所述，NPC逆变器无法满足更高电平数的应用需求，在实际工程应用中通常采用的是级联H桥逆变器和模块化多电平逆变器。其中级联H桥逆变器由于其可模块化设计、子模块易于扩展、可灵活适应不同的电压等级，无需工频升压变压器可以直挂中压电网，且子模块结构一致，便于统一生产、安装、维护等优点，被广泛应用于分布式光伏发电系统中。但常规级联H桥逆变器容易受光照不均、局部阴影、灰尘堆积等因素影响而造成相间功率不均的问题；此外，每个子模块都需要在直流侧安装大容量的电解电容以抑制两倍频功率波动，一方面增加了模块的体积和成本，另一方面电解电容是电力变换器故障的主要根源之一，严重影响了变换器的可靠性和寿命。
[0004]同时，光伏逆变器的并网电流纹波需要满足并网电流相关标准，这些标准对并网电流的总谐波畸变率和各次谐波所占的比重都有严格的限制，则并网侧的无源滤波器必不可少。目前被广泛应用的无源滤波器是LCL滤波器及其改进方法，但其受电容和电感的内阻影响，实际增加的开关纹波衰减能力有限，且各滤波器件相互分立的无源滤波器中，磁性元件占滤波器体积的比重较大。针对这一问题，有学者提出采用磁集成的方式将多个线圈共同绕制在同一个磁芯上，从而提高磁芯利用率，减少磁性元件体积，但其不足之处是高于开关频率的区域，纹波衰减能力下降，不利于两倍和更高倍次的开关频率纹波的衰减。
[0005]通过磁耦合纹波转移技术实现并网电流纹波抑制的方法首先在一项美国专利中提出，又被称为零纹波滤波器。通过合理设计耦合电感系数，可以实现将位于主功率通道中的自感线圈上的电流开关纹波通过磁场能量的形式转移至另一侧的自感线圈中，进而实现主功率通道的电流纹波衰减。随后学者们对该技术在不同的变换器中的应用展开了研究，以抑制变换器输入侧或输出侧的电流纹波，但这些研究都集中在直流变换器应用中，该技术在并网逆变器应用中是否适用，还有待进一步研究验证。
[0006]综上所述，现有技术的主要问题是：传统级联H桥逆变器存在相间功率失配，直流
电容的二倍频电压纹波等问题，并网侧的电流纹波衰减通常采用的无源滤波器纹波衰减能力有限且磁性元件占滤波器体积的比重较大，不符合电力电子器件的高频化、高效率、高功率密度的发展趋势。

技术实现思路

[0007]针对
技术介绍
存在的问题，本专利技术提供一种基于三相集成磁耦合纹波转移技术的模块化光伏逆变器拓扑结构。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器，包括直流电源、LLC谐振变换器、H桥逆变器和三相交流电网；LLC谐振变换器包括原边第一电能逆变模块、谐振模块、四绕组变压器模块、第一电能整流模块、第二电能整流模块和第三电能整流模块；H桥逆变器包括第一滤波电容C
a
、第二滤波电容C
b
、第三滤波电容C
c
、副边第一电能逆变模块、副边第二电能逆变模块、副边第三电能逆变模块、三相集成磁耦合纹波转移通道模块；四绕组变压器模块包括原边第一绕组、副边第一绕组、副边第二绕组和副边第三绕组；三相集成磁耦合纹波转移通道模块包括三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相、三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相、三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相；直流电源与原边第一电能逆变模块输入端连接，原边第一电能逆变模块输出端与谐振模块输入端连接，谐振模块输出端与原边第一绕组连接，副边第一绕组、副边第二绕组、副边第三绕组分别与第一电能整流模块、第二电能整流模块、第三电能整流模块输入端连接；第一电能整流模块输出端与第一滤波电容C
a
、副边第一电能逆变模块输入端相连，第二电能整流模块输出端与第二滤波电容C
b
、副边第二电能逆变模块输入端相连，第三电能整流模块输出端与第三滤波电容C
c
、副边第三电能逆变模块输入端相连；第一电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相输出端与三相电网A相连接；第二电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相输出端与三相电网B相连接；第三电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相输出端与三相电网C相连接。
[0009]在上述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器中，原边第一电能逆变模块包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4组成的H桥；副边第一电能逆变模块包括A相第一开关管Q
a1
、A相第二开关管Q
a2
、A相第三开关管Q
a3
、A相第四开关管Q
a4
构成的H桥；副边第二电能逆变模块包括B相第一开关管Q
b1
、B相第二开关管Q
b2
、B相第三开关管Q
b3
、B相第四开关管Q
b4
构成的H桥；副边第三电能逆变模块包括C相第一开关管Q
c1
、C相第二开关管Q
c2
、C相第三开关管Q
c3
、C相第四开关管Q
c4
构成的H桥；第一电能整流模块包括A相第一二极管D
a1
、A相第二二极管D
a2
、A相第三二极管D
a3
、A相第四二极管D
a4
构成的H桥；第二电能整流模块由B相第一二极管D
b1
、B相第二二极管D
b2
、B相第三二极管D
b3
、B相第四二极管D
b4
构成的H桥；第三电能整流模块由C相第一二极管D
c1
、C相第二二极管D
c2
、C相第三二极管D
c3
、C相第四二极管D
c4
构成的H桥。
[0010]在上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器，其特征在于：包括直流电源、LLC谐振变换器、H桥逆变器和三相交流电网；LLC谐振变换器包括原边第一电能逆变模块、谐振模块、四绕组变压器模块、第一电能整流模块、第二电能整流模块和第三电能整流模块；H桥逆变器包括第一滤波电容(C
a
)、第二滤波电容(C
b
)、第三滤波电容(C
c
)、副边第一电能逆变模块、副边第二电能逆变模块、副边第三电能逆变模块、三相集成磁耦合纹波转移通道模块；四绕组变压器模块包括原边第一绕组、副边第一绕组、副边第二绕组和副边第三绕组；三相集成磁耦合纹波转移通道模块包括三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相、三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相、三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相；直流电源与原边第一电能逆变模块输入端连接，原边第一电能逆变模块输出端与谐振模块输入端连接，谐振模块输出端与原边第一绕组连接，副边第一绕组、副边第二绕组、副边第三绕组分别与第一电能整流模块、第二电能整流模块、第三电能整流模块输入端连接；第一电能整流模块输出端与第一滤波电容(C
a
)、副边第一电能逆变模块输入端相连，第二电能整流模块输出端与第二滤波电容(C
b
)、副边第二电能逆变模块输入端相连，第三电能整流模块输出端与第三滤波电容(C
c
)、副边第三电能逆变模块输入端相连；第一电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相输出端与三相电网A相连接；第二电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相输出端与三相电网B相连接；第三电能逆变模块输出端与三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相输入端相连，三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相输出端与三相电网C相连接。2.根据权利要求1所述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器，其特征在于：原边第一电能逆变模块包括第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)组成的H桥；副边第一电能逆变模块包括A相第一开关管(Q
a1
)、A相第二开关管(Q
a2
)、A相第三开关管(Q
a3
)、A相第四开关管(Q
a4
)构成的H桥；副边第二电能逆变模块包括B相第一开关管(Q
b1
)、B相第二开关管(Q
b2
)、B相第三开关管(Q
b3
)、B相第四开关管(Q
b4
)构成的H桥；副边第三电能逆变模块包括C相第一开关管(Q
c1
)、C相第二开关管(Q
c2
)、C相第三开关管(Q
c3
)、C相第四开关管(Q
c4
)构成的H桥；第一电能整流模块包括A相第一二极管(D
a1)
、A相第二二极管(D
a2
)、A相第三二极管(D
a3
)、A相第四二极管(D
a4
)构成的H桥；第二电能整流模块由B相第一二极管(D
b1
)、B相第二二极管(D
b2
)、B相第三二极管(D
b3
)、B相第四二极管(D
b4
)构成的H桥；第三电能整流模块由C相第一二极管(D
c1
)、C相第二二极管(D
c2
)、C相第三二极管(D
c3
)、C相第四二极管(D
c4
)构成的H桥。3.根据权利要求1所述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器，其特征在于：谐振模块包括依次串联的第一谐振电容(C
r
)、第一谐振电感(L
r
)和第一励磁电感(L
m
)。4.根据权利要求1所述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器，其特征在于：三相集成磁耦合纹波转移通道模块A相包括第一原边耦合电感(L
a
)、第一副边耦合电感(L
ua
)和第一辅助电容(C
ga
)；三相集成磁耦合纹波转移通道模块B相包括第二原边耦合电感(L
b
)、第二副边耦合电感(L
ub
)和第二辅助电容(C
ga
)；三相集成磁耦合纹波转移通道模块C相包括第三原边耦合电感(L
c
)、第三副边耦合电感(L
uc
)、和第三辅助电容(C
ga
)。5.根据权利要求1所述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器，其特征在于：第一原边耦合电感(L
a
)、第二原边耦合电感(L
b
)、第三原边耦合电感(L
c
)与第一副边耦
合电感(L
ua
)、第二副边耦合电感(L
ub
)第三副边耦合电感(L
uc
)集成于同一个磁芯。6.根据权利要求1
‑
5任意一项所述基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器控制方法，其特征在于：包括：1)对第一原边耦合电感(L
a
)、第二原边耦合电感(L
b
)、第三原边耦合电感(L
c
)和第一副边耦合电感...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘尚智，葛晓露，党兴华，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：