一种光伏逆变单元及三相光伏并网发电装置的制作方法

本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏逆变单元及三相光伏并网发电装置。

背景技术：

光伏发电的成本通常高于常规能源的成本，研究性能更好、成本更低及适应性更强的逆变器产品对于降低光伏发电成本具有重要意义。逆变器单机容量的增大，可以使得每瓦的成本降低，逆变器占地面积减小以及安装成本降低，目前逆变器单机容量已从最早的250kW不断增加至500kW，有部分集装箱式逆变器已能够达到1MW。但是，目前逆变器容量的增大均是通过多模块并联，或者是单纯地提高逆变器工作电压等级来实现，受到IGBT功率器件和主电路开关器件成本等因素的影响，单机容量和集成度的提升空间有限，不能满足更高容量、集成度的提升需求。

有从业者提出采用变压器级联技术实现大功率三相光伏逆变，但是该类方案中变压器原边和副边都是使用相同联接方式，如D/Y、D/D、Y/Y、Y/D联结中的一种，即原边与副边的联接组别保持一致，且各变压器的变比都相同，若要消除基波谐波、改善输出电压波形，一种方法是通过提高开关频率实现，该种方法会增加系统损耗以及散热设计难度；另一种方法是采用高电平的逆变器功率模块或通过多输出变压器二次侧串联叠加实现，多输出变压器二次侧串联叠加方法通常是采用锯齿波移相的PWM调制方法，通过输出变压器二次侧进行串联叠加，使叠加后的输出电压成为多电平阶梯波电压，以达到消除基波谐波的目的，无论是采用高电平的逆变器功率模块或通过上述多输出变压器二次侧串联叠加方法，都会增加系统的复杂度，实际实现的难度大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、所需成本低、体积小且转换效率高的光伏逆变单元以及结构简单、所需成本低、体积小以及发电效率高的三相光伏并网发电装置，使用移相控制能够消除输出电压的低频谐波，且原边电流与次边电流THD保持一致。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种光伏逆变单元，包括串联联接的逆变器模块以及变压器模块，所述逆变器模块包括两台并联连接的三相逆变器，所述变压器模块包括一台变压器，所述变压器的一次侧通过Y联接的串联绕组连接输出端，二次侧分别通过Y联接、D联接的联接绕组与两台所述三相逆变器的交流侧连接。

作为本发明逆变单元的进一步改进：所述三相逆变器为三相PWM逆变器；所述三相PWM逆变器为三相SHEPWM逆变器。

作为本发明逆变单元的进一步改进：所述变压器的一次侧串联绕组Y/Y联接的联接变比、二次侧联接绕组Y/D联接的联接变比之间满足以下关系式：

其中，k₁、k₂分别为变压器一次侧串联绕组Y/Y联接的联接变比、二次侧联接绕组Y/D联接的联接变比，f为变比比值系数。

作为本发明逆变单元的进一步改进：所述三相SHEPWM逆变器具体配置为消除所述变压器的一次侧输出电压信号中12K±1特定次谐波分量，其中K＝1,2,3……。

作为本发明逆变单元的进一步改进：所述三相逆变器为三相两电平、三相多电平以及三相H桥逆变器中任意一种。

作为本发明逆变单元的进一步改进：所述三相逆变器的输入端并联设置有母线电容。

本发明进一步提供一种三相光伏并网发电装置，包括光伏阵列以及上述光伏逆变单元，所述光伏逆变单元的直流侧与所述光伏阵列连接，交流侧与电网连接；所述光伏阵列输出直流电，通过所述光伏逆变单元转换为三相交流电后输出至电网。

一种光伏逆变单元，包括多条逆变支路，每条逆变支路包括串联联接的逆变器模块以及变压器模块，所述逆变器模块包括两台并联连接的三相逆变器，所述变压器模块包括一台变压器，所述变压器的一次侧通过两个Y联接的串联绕组连接输出端，二次侧分别通过Y联接、D联接的联接绕组与两台所述三相逆变器的交流侧连接。

作为本发明逆变单元的进一步改进：每条所述逆变支路中所述三相逆变器为三相PWM逆变器；所述三相PWM逆变器为三相SHEPWM逆变器。

作为本发明逆变单元的进一步改进：每条所述逆变支路中所述变压器的一次侧Y/Y联接的联接变比、二次侧Y/D联接的联接变比之间满足以下关系式：

其中，k1，k2分别为变压器一次侧Y/Y联接的联接变比、二次侧Y/D联接的联接变比，f为变比比值系数。

作为本发明逆变单元的进一步改进：每条所述逆变支路中所述三相SHEPWM逆变器具体配置为消除所述变压器的一次侧输出电压信号中12K±1特定次谐波分量，其中K＝1,2,3……。

作为本发明逆变单元的进一步改进：每条所述逆变支路中所述三相逆变器为三相两电平、三相多电平以及三相H桥逆变器中任意一种。

作为本发明逆变单元的进一步改进：每条所述逆变支路中所述三相逆变器的输入端并联设置有母线电容。

本发明进一步提供一种三相光伏并网发电装置，包括光伏阵列以及上述光伏逆变单元，光伏逆变单元中各条逆变支路的直流侧分别与光伏阵列连接，交流侧分别与电网连接；光伏阵列输出直流电，通过光伏逆变单元中各条逆变支路转换为三相交流电后输出至电网。

与现有技术相比，本发明光伏逆变单元的优点在于：

1)本发明光伏逆变单元，通过网侧串联绕组变压器级联实现光伏逆变，变压器一次侧采用串联绕组的Y联接，可以使得单套绕组的短路阻抗减小且承受的电压降低，同等功率下可节省体积与成本，变压器二次侧分别采用Y和D联接绕组连接并联的三相逆变器，使用移相控制有效消除了输出电压的低频谐波，改善输出电压质量，从而能够有效提升逆变的转换效率，同时基于变压器级联可以充分利用变压器漏感进行滤波，相比于传统逆变器，有效节省了滤波器成本、减少滤波器损耗，并减小逆变单元的体积，从而可以实现低成本、高集成、大容量的光伏逆变；

2)本发明光伏逆变单元，进一步通过网侧串联绕组变压器级联和SHEPWM特定谐波消除脉宽调制相结合实现三相光伏逆变，由三相SHEPWM逆变器采用SHEPWM特定谐波消除脉宽调制方法消除输出电压的特定次谐波，可以有效消除输出线电压中的低次谐波，使得开关频率低，同时降低了系统损耗，极大的提高了逆变转换效率；

与现有技术相比，本发明三相光伏并网发电装置的优点在于：本发明三相光伏并网发电装置采用上述基于网侧串联绕组变压器级联的光伏逆变单元，变压器一次侧采用串联绕组的Y联接，变压器二次侧分别采用Y和D联接绕组连接并联的三相逆变器，使用移相控制有效消除了输出电压的低频谐波，改善输出电压质量，可以有效提高光伏发电的发电效率及性能、降低系统发电损耗，同时减少发电装置的体积、成本，提高发电装置的集成度。

附图说明

图1是本发明实施例1光伏逆变单元的结构示意图。

图2是本发明实施例1中变压器的结构原理示意图。

图3是本发明实施例2光伏逆变单元的结构示意图。

图4是本发明实施例3三相光伏并网发电装置的结构示意图。

图5是本发明实施例4三相光伏并网发电装置的结构示意图。

图例说明：1、逆变器模块；11、三相逆变器；2、变压器模块。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1、2所示，本实施例光伏逆变单元包括串联联接的逆变器模块1以及变压器模块2，逆变器模块1包括两台并联连接的三相逆变器11，变压器模块2包括一台变压器，变压器的一次侧通过Y联接的串联绕组连接输出端，二次侧分别通过Y(星型)联接、D(三角型)联接的联接绕组与两台三相逆变器11的交流侧连接，即变压器的一次侧为输出端，二次侧绕组分别与三相逆变器11串联连接，变压器一次侧的两绕组串联连接且均为Y联接，二次侧绕组分别为Y联接、D联接。

如图1、2所示，本实施例变压器模块2中变压器二次侧的Y和D联接绕组的移相角θ分别为0°和3 0°，则逆变器模块1中两台三相逆变器11的二次绕组的同名端线电压之间的相位移也是3 0°，变压器的二次侧线电压可以表示为：

其中，V_2ab,V_3ab为变压器二次侧的两个线电压，为n次谐波的线电压幅值。

将变压器二次侧线电压V_2ab,V_3ab折算至一次侧得到一次侧线电压，变压器一次侧线电压表示为：

其中，k₁、k₂分别为变压器一次侧串联绕组Y/Y联接的联接变比、二次侧联接绕组Y/D联接的联接变比。

本实施例中，变压器的一次侧串联绕组Y/Y联接的联接变比、二次侧联接绕组Y/D联接的联接变比之间满足以下关系式：

其中，f为变比比值系数。

则由上述公式(3)、(4)、(5)可得变压器一次侧线电压为：

由公式(6)可知，变压器一次侧线电压仅含有12K±1(k＝1,2,3……)次谐波分量，即三相逆变器11间通过使用移相控制有效消除了低频谐波。

本实施例采用上述光伏逆变单元，通过网侧串联绕组变压器级联实现光伏逆变，变压器一次侧采用串联绕组的Y联接，可以使得单套绕组的短路阻抗减小且承受的电压降低，同等功率下可节省体积与成本，变压器二次侧分别采用Y和D联接绕组连接并联的三相逆变器11，使用移相控制有效消除了输出电压的低频谐波，改善输出电压质量，从而能够有效提升逆变的转换效率，同时基于变压器级联可以充分利用变压器漏感进行滤波，相比于传统逆变器，有效节省了滤波器成本、减少滤波器损耗，并减小逆变单元的体积，从而可以实现低成本、高集成、大容量的光伏逆变。

本实施例中，三相逆变器11为三相PWM逆变器，具体为三相SHEPWM(特定谐波消除脉冲宽度调制)逆变器，由三相SHEPWM逆变器采用SHEPWM特定谐波消除脉宽调制方法消除输出电压的特定次谐波。SHEPWM特定谐波消除脉宽调制利用对称性在1/4工频周期内特定时刻进行电平高低的切换，根据开关角个数的选择就可以消除特定次数的谐波。基于上述网侧串联绕组变压器级联，通过三相SHEPWM逆变器进一步消除特定次谐波，可以进一步改善输出电压质量、提升逆变单元的转换效率。

本实施例中，三相SHEPWM逆变器具体配置为消除变压器的一次侧输出电压信号中12K±1特定次谐波分量，其中K＝1,2,3……，进一步降低系统输出电压的低次谐波含量和开关次数，从而进一步提高直流电压利用率、提高逆变转换效率。

本实施例若三相SHEPWM逆变器的开关频率为工频(50Hz)的T分频，即电压波形的1/4周期内有T个开关角，则可消除输出线电压中T-1组谐波，采用SHEPWM调制选定12K±1(k＝1,2,3……)低次谐波的幅值为零，如上公式(6)所述变压器的一次侧输出电压信号，则经过三相SHEPWM逆变器的SHEPWM调制后输出电压信号为：

对于三相比于称系统，在线电压中3的倍数次谐波会被自动消除，即可不予考虑。本实施例通过网侧串联绕组变压器级联和SHEPWM特定谐波消除脉宽调制相结合实现三相光伏逆变，可以有效消除输出线电压中的低次谐波，使得开关频率低，同时降低了系统损耗，极大的提高了逆变转换效率。

本实施例中，三相逆变器11具体可以为三相两电平、三相多电平或三相H桥逆变器等，即可采用两电平、多电平或H桥等拓扑结构的三相逆变器，具体可根据实际需求选择。采用多电平电路拓扑，可以利用低耐压开关器件提高逆变器输入输出电压等级，提升逆变器单机容量。

本实施例中，三相逆变器11的输入端并联设置有母线电容，两台三相逆变器11分别并联设置电容C1、C2。

实施例2：

如图3所示，本实施例光伏逆变单元包括多条逆变支路(逆变支路1～逆变支路N)，每条逆变支路包括逆变器模块1以及变压器模块2，逆变器模块1包括两台并联连接的三相逆变器11，变压器模块2包括一台变压器，变压器的一次侧通过Y联接的串联绕组连接电网，二次侧分别通过Y(星型)联接、D(三角型)联接的联接绕组与两台三相逆变器11的交流侧连接，即每条逆变支路中变压器的一次侧为输出端，二次侧绕组分别与三相逆变器11串联连接，变压器一次侧的两绕组串联连接且均为Y联接，二次侧绕组分别为Y联接、D联接。通过多条逆变支路可以进一步提高转换容量，满足各等级的大容量转换需求。

每条逆变支路的工作原理如实施例1所述，每条逆变支路中变压器的一次侧Y/Y联接的联接变比、二次侧Y/D联接的联接变比之间满足关系式(5)：

其中，k1，k2分别为变压器一次侧Y/Y联接的联接变比、Y/D联接的联接变比。

每条逆变支路中变压器一次侧线电压如公式(6)所示：

其中仅含有12K±1(k＝1,2,3……)次谐波分量，即每条逆变支路中三相逆变器11间通过使用移相控制有效消除了低频谐波。

本实施例中，每条逆变支路中三相逆变器11为三相PWM逆变器，三相PWM逆变器具体为三相SHEPWM逆变器，由三相SHEPWM逆变器采用SHEPWM特定谐波消除脉宽调制方法消除输出电压的特定次谐波。SHEPWM特定谐波消除脉宽调制利用对称性在1/4工频周期内特定时刻进行电平高低的切换，根据开关角个数的选择就可以消除特定次数的谐波。

本实施例中，三相SHEPWM逆变器具体配置为消除变压器的一次侧输出电压信号中12K±1特定次谐波分量，其中K＝1,2,3……，可以进一步降低系统输出电压的低次谐波含量和开关次数。

本实施例每条逆变支路通过三相SHEPWM逆变器对如上公式(6)所述变压器的一次侧输出电压信号，采用SHEPWM调制选定12K±1(k＝1,2,3……)低次谐波的幅值为零，则经过三相SHEPWM逆变器的SHEPWM调制后输出电压信号如公式(7)所示。

本实施例每条逆变支路通过网侧串联绕组变压器级联和SHEPWM特定谐波消除脉宽调制相结合实现三相光伏逆变，可以有效消除输出线电压中的低次谐波，使得开关频率低，同时降低了系统损耗，极大的提高了逆变转换效率，通过多条逆变支路则可以满足多种大容量转换需求。

本实施例中，每条逆变支路中三相逆变器11具体可以为三相两电平、三相多电平或三相H桥逆变器等，即可采用两电平、多电平或H桥等拓扑结构的三相逆变器，具体可根据实际需求选择。

本实施例中，每条逆变支路中三相逆变器11的输入端并联设置有母线电容，如第一条逆变支路(逆变支路1)中两台三相逆变器11分别并联设置电容C1、C2。

实施例3：

如图4所示，本实施例三相光伏并网发电装置，包括光伏阵列以及实施例1所示的光伏逆变单元，光伏逆变单元的直流侧与光伏阵列连接，光伏阵列输出直流电，通过光伏逆变单元转换为三相交流电后输出至电网。如图1、2所示，本实施例光伏逆变单元包括串联联接的逆变器模块1以及变压器模块2，逆变器模块1包括两台并联连接的三相逆变器11，变压器模块2包括一台变压器，变压器的一次侧通过Y联接的串联绕组连接输出端，二次侧分别通过Y(星型)联接、D(三角型)联接的联接绕组与两台三相逆变器11的交流侧连接，具体如实施例1所示。

本实施例如实施例1所示，变压器的一次侧Y/Y联接的联接变比、二次侧Y/D联接的联接变比之间满足关系式(5)：

其中，k1，k2分别为变压器一次侧Y/Y联接的联接变比、Y/D联接的联接变比。

变压器一次侧线电压如公式(6)所示：

其中仅含有12K±1(k＝1,2,3……)次谐波分量，即三相逆变器11间通过使用移相控制有效消除了低频谐波。

本实施例采用如实施例1所示的光伏逆变单元，变压器一次侧采用串联绕组的Y联接，变压器二次侧分别采用Y和D联接绕组连接并联的三相逆变器11，使用移相控制有效消除了输出电压的低频谐波，改善输出电压质量，从而基于网侧串联绕组变压器级联的光伏逆变实现并网发电，可以有效提高光伏发电系统的发电效率及性能、降低系统发电损耗，同时减少发电装置的体积、成本。

本实施例如实施例1所示，三相逆变器11为三相PWM逆变器，三相PWM逆变器具体为三相SHEPWM逆变器，由三相SHEPWM逆变器采用SHEPWM特定谐波消除脉宽调制方法消除输出电压的特定次谐波。三相SHEPWM逆变器具体配置为消除变压器的一次侧输出电压信号中12K±1特定次谐波分量，其中K＝1,2,3……，可以进一步降低系统输出电压的低次谐波含量和开关次数，从而进一步提高并未发电效率。

本实施例通过三相SHEPWM逆变器对如上公式(6)所述变压器的一次侧输出电压信号，采用SHEPWM调制选定12K±1(k＝1,2,3……)低次谐波的幅值为零，经过三相SHEPWM逆变器的SHEPWM调制后输出电压信号如公式(7)所示。

本实施例通过网侧串联绕组变压器级联和SHEPWM特定谐波消除脉宽调制相结合实现三相光伏逆变，可以有效消除输出线电压中的低次谐波，使得开关频率低，同时降低了系统损耗，极大的提高了逆变转换效率，从而可以降低并网发电的系统损耗，减少发电装置的体积、成本，同时极大的提高并网发电的发电效率。

实施例4：

如图5所示，本实施例三相光伏并网发电装置，包括光伏阵列以及实施例2所示的光伏逆变单元，光伏逆变单元中各条逆变支路的直流侧分别与光伏阵列连接，光伏阵列输出直流电，通过光伏逆变单元中各条逆变支路转换为三相交流电后输出至电网。本实施例光伏逆变单元具体如图3所示，包括多条逆变支路，通过多条逆变支路可以进一步提高转换容量，从而实现大容量的并网发电。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。