一种三相光伏并网发电系统的制作方法

本实用新型涉及一种三相光伏并网发电系统，属于电力系统及其自动化领域。

背景技术：

太阳能的利用是缓解全球能源紧缺与环境污染问题的重要途径，光伏发电就是近年来研究的热点之一。对直流电压较高的负载供电，蓄电池电压一般较低，满足不了其供电需求。采用目前成熟的电力电子变流技术可将太阳能转换成电能，进而实现电压变换与功率控制。

随着光伏并网逆变系统的广泛应用，人们对逆变器本身有了更高要求，例如：期望它在宽电压输入、宽功率输入范围内都能工作，且拥有高功率密度、高效率、高可靠性等。为了减小开关损耗，提高系统的效率，人们常采用谐振软开关技术，但是谐振软开关电路存在参数漂移使谐振失效和增加过多辅助器件使系统可靠性降低等问题。人们常采用两级式三相逆变器拓扑结构来提高系统的输入电压范围，然而，传统两级式三相逆变器电路在Boost开关器件开通时，升压电路逆阻二极管因瞬间承受反向母线电压，而产生很大的反向恢复电流，增大 Boost开关器件电流应力，并降低转换效率。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：提供了一种三相光伏并网发电系统，只需要通过控制开关时序可以实现：光伏阵列输出最大功率跟踪；Boost开关器件开通软化，消除了二极管反向恢复对Boost开关器件的影响；辅助控制开关器件开通关断全软化；PWM逆变桥软开关次数占总开关次数的62.5%，比传统PWM逆变桥提高了12.5%。本实用新型系统损耗低、可靠性高，并能使三相光伏并网发电系统在宽输入电压范围内实现高效率。

本实用新型的技术方案为：一种三相光伏并网发电系统，光伏阵列与光伏侧储能电容C₀并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感L₀相连，Boost升压电感L₀另一端与Boost升压电路开关器件V₀的集电极、Boost升压电路二极管V_D0的阳极相连，Boost升压电路二极管V_D0的阴极与直流侧储能电容C_d的一端、电感L₁一端相连，电感L₁另一端与二极管V_Da1的阳极、Boost开关器件V_M1的集电极、Boost开关器件V_M1反并联二极管V_DM1的阴极相连，二极管V_Da1的阴极与辅助控制开关器件V_T7的发射极、辅助控制开关器件V_T7反并联二极管V_D7的阳极、PWM逆变桥的输入正端相连，辅助控制开关器件V_T7的集电极与辅助控制开关器件V_T7反并联二极管V_D7的阴极、电容C的一端相连，电容C的另一端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件V₀的发射极、直流侧储能电容C_d的另一端、Boost开关器件V_M1的发射极、Boost开关器件V_M1反并联二极管V_DM1的阳极、PWM逆变桥的输入负端相连；辅助控制开关器件V_T7反并联二极管V_D7采用反向恢复特性比较好的外延型PiN结构快恢复外延二极管；PWM逆变桥采用三相全桥逆变器结构，包括六个开关器件V_T1~V_T6以及它们各自的反并联二极管V_D1~V_D6，开关器件V_T1、V_T3、V_T5的集电极相连，作为PWM逆变桥的输入正端,开关器件V_T4、V_T6、V_T2的发射极相连，作为PWM逆变桥的输入负端；PWM逆变桥中，V_T1的发射极与V_T4的集电极相连，V_T3的发射极与V_T6的集电极相连，V_T5的发射极与V_T2的集电极相连，由V_T4、V_T6、V_T2的集电极分别引出PWM逆变桥的a、b、c三个输出端，PWM逆变桥的a、b、c三个输出端分别经LC滤波电路接至交流电网。

本实用新型的有益效果为：只需要通过控制开关时序可以实现：光伏阵列输出最大功率跟踪；Boost开关器件开通软化，消除了二极管反向恢复对Boost开关器件的影响；辅助控制开关器件开通关断全软化；PWM逆变桥软开关次数占总开关次数的62.5%，比传统PWM逆变桥提高了12.5%。本实用新型系统损耗低、可靠性高，并能使三相光伏并网发电系统在宽输入电压范围内实现高效率。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为扇区分布图。

图3为为本实用新型基本工作时序图。

具体实施方式

图1所示为本实用新型结构示意图，光伏阵列与光伏侧储能电容C₀并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感L₀相连，Boost升压电感L₀另一端与Boost升压电路开关器件V₀的集电极、Boost升压电路二极管V_D0的阳极相连，Boost升压电路二极管V_D0的阴极与直流侧储能电容C_d的一端、电感L₁一端相连，电感L₁另一端与二极管V_Da1的阳极、Boost开关器件V_M1的集电极、Boost开关器件V_M1反并联二极管V_DM1的阴极相连，二极管V_Da1的阴极与辅助控制开关器件V_T7的发射极、辅助控制开关器件V_T7反并联二极管V_D7的阳极、PWM逆变桥的输入正端相连，辅助控制开关器件V_T7的集电极与辅助控制开关器件V_T7反并联二极管V_D7的阴极、电容C的一端相连，电容C的另一端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件V₀的发射极、直流侧储能电容C_d的另一端、Boost开关器件V_M1的发射极、Boost开关器件V_M1反并联二极管V_DM1的阳极、PWM逆变桥的输入负端相连；辅助控制开关器件V_T7反并联二极管V_D7采用反向恢复特性比较好的外延型PiN结构快恢复外延二极管；PWM逆变桥采用三相全桥逆变器结构，包括六个开关器件V_T1~V_T6以及它们各自的反并联二极管V_D1~V_D6，开关器件V_T1、V_T3、V_T5的集电极相连，作为PWM逆变桥的输入正端,开关器件V_T4、V_T6、V_T2的发射极相连，作为PWM逆变桥的输入负端；PWM逆变桥中，V_T1的发射极与V_T4的集电极相连，V_T3的发射极与V_T6的集电极相连，V_T5的发射极与V_T2的集电极相连，由V_T4、V_T6、V_T2的集电极分别引出PWM逆变桥的a、b、c三个输出端，PWM逆变桥的a、b、c三个输出端分别经LC滤波电路接至交流电网。

图2为扇区分布图，此处假设：输出电压电流无相角差，在每一扇区内，一相电流始终为正，一相电流始终为负，一相电流存在正、负两种状态。

图3为本实用新型基本工作时序，在一个开关周期内共包括9种工作状态。其中，U_gsX为开关管V_TX(V_T1—V_T7)和V_M1的驱动信号。PWM逆变桥使用七段式空间矢量脉宽调制控制方式，载波为单增式锯齿波。假设上桥臂开通为“1”信号，反之为“0”信号。以图2所示第Ⅰ扇区为例分析本实用新型工作原理，并假设此时PWM逆变桥输出电流i_u>0、i_v<0、i_w<0，其中，i_u、i_v、i_w的方向分别为由PWM逆变桥的a、b、c三个输出端指向交流电网。

在第1个工作状态以前，PWM逆变桥工作在“000”续流状态。因为电流i_u>0，虽然开关器件V_T4有开通信号，电流i_u依然通过反并二极管V_D4续流。同理，电流i_v流过开关器件V_T6，i_w流过开关器件V_T2。Boost开关器件V_M1处于关断状态。辅助控制开关器件V_T7处于开通状态，但因PWM逆变桥工作于续流状态，V_T7并无电流流过，而是通过辅助控制开关器件V_T7反并联二极管V_D7续流。

1）状态1[t₀,t₁]：在t₀时刻关断辅助控制开关器件V_T7，因在t₀时刻以前，辅助控制开关器件V_T7反并联二极管V_D7续流，辅助控制开关器件V_T7属于零电压零电流关断；在此工作状态，PWM逆变桥处于“000”续流状态；输入电源与 Boost支路(L₁、V_Da1)、辅助控制开关器件V_T7的反并二极管V_D7、电容C形成回路。

2）状态2[t₁,t₂]：在t₁时刻，给PWM逆变桥上桥臂开通信号，上下桥臂同时开通。通常情况下的开通，下桥臂二极管反向恢复电荷会引起上桥臂开关管电流尖峰，开关器件开通为硬开通。对于本实用新型，在t₁时刻以前，电感L₁存在电流，此电流不能突变，电路等效为电流源逆变器，因辅助控制开关器件V_T7的反并二极管V_D7反向恢复特性很好，不会引起反向恢复问题，因此开关器件V_T1开通时不存在电流尖峰，不会产生反向恢复损耗，属于准零电流开通。开关器件V_T3、V_T5因电流通过反并二极管，为零电流开通。上下桥臂开关器件同时开通后，电路工作在一种特殊的直通状态，因电流方向不同，有的开关器件处于假开通状态，电流依然流过二极管。此时光伏阵列、电感通过PWM逆变桥形成三桥臂同时直通状态。由于电感L₁电流不能突变，光伏阵列电压瞬时降到电感两端，PWM逆变桥输入电压瞬时降为零。光伏阵列通过Boost支路 (L₁、V_Da1)与PWM逆变桥3个桥臂形成回路，电感L₁电流线性增加。此时PWM逆变桥依然工作于续流状态，输出电流i_u、i_v、i_w不变，只是3个桥臂各开关管承受电流应力不同。

3）状态3[t₂,t₃]：在t₂时刻，开通Boost开关器件V_M1，因在t₂时刻以前，电路还工作于直通状态，Boost开关器件V_M1两端电压为零，属于零电压开通；此工作状态，由于Boost开关器件V_M1导通压降小于后边3个开关器件(V_Da1和3个桥臂)，光伏阵列、电感L₁和Boost开关器件V_M1形成回路，电感L₁电流线性增加；同时，二极管 V_Da1正向电流下降为零。

4）状态4[t₃,t₄]：在t₃时刻，关断开关器件V_T4、V_T6、V_T2，直通状态结束；此工作阶段，电感L₁电流依然线性上升，PWM逆变桥处于“111”状态，通过 V_T1、V_D3、V_D5续流。

5）状态5[t₄,t₅]：此工作阶段工作状态同状态4，在t₄时刻，开通辅助控制开关器件V_T7，此时PWM逆变桥处于“111”续流状态，V_T7属于零电流开通。

6）状态6[t₅, t₆]：在t₅时刻，V_T5关断，V_T2开通，PWM逆变桥由“111”续流状态转入“110”工作状态，电容向后级电路供电。

7）状态7[t₆,t₇]：随Boost升压比不同，此状态发生时刻会发生变化，但本质不会改变，在t₆时刻，关断Boost开关器件V_M1，虽然此关断是硬关断，但无二极管反向恢复电流，不会带来电流冲击，不会对电路安全性有影响；此工作阶段，电感L₁和电容C同时向后级电路供电，PWM逆变桥工作状态不变。

8）状态8[t₇,t₈]：在t₇时刻，V_T3关断，V_T6开通，PWM逆变桥由“110”状态转入“100”状态，其余部分与状态7相同。

9）状态9[t₈,t₉]：在t₈时刻，V_T1关断，V_T4开通，在此工作阶段，电感L₁通过辅助控制开关器件V_T7反并联二极管V_D7续流，PWM逆变桥由“100”状态转入“000”续流状态。

由上述对电路工作状态的分析可以看出，加入辅助控制开关器件(V_T7)后，电路可以实现 Boos开关器件开通软化，辅助控制开关器件开通和关断的全软化以及PWM逆变桥上桥臂开关器件额外软化。此软化并不依赖于电路的参数，只要恰当控制开关时刻就可以实现。这些对开关的软化控制，不但可以减小系统的开关损耗，而且可以提高系统的可靠性，并能适应更宽范围的输入电压。

上面以第1扇区前半扇区(输出电流i_u>0、i_v<0、i_w<0)为例，对本实用新型PWM逆变桥上桥臂开通软化原理进行了详细分析。其它扇区分析与第1扇区类似，只是具体软化开关器件不同。