五相光伏逆变器预组装分站房的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种五相光伏逆变器预组装分站房。该五相光伏逆变器预组装分站房包括五项光伏逆变器、变压器、逆变器室以及变压器室，其中该光伏逆变器设置于逆变器室内，变压器设置于变压器室内，以及逆变器室和变压器室之间通过铜排连接。五相光伏逆变器包括直流断路器、DC/DC变换器、五相逆变桥、五相滤波器以及交流断路器，其中，直流断路器的输出端与DC/DC变换器的输入端电连接，DC/DC变换器的输出端与五相逆变桥的输入端电连接，五相逆变桥的输出端与五相滤波器电连接，以及五相滤波器与交流断路器电连接。本实用新型的预组装分站房具有线性调制范围大、直流电源利用率高以及输出电压及电流中的谐波分量低的优点。
【专利说明】
五相光伏逆变器预组装分站房
技术领域
[0001] 本实用新型设及光伏发电领域，具体设及一种五相光伏逆变器预组装分站房。
【背景技术】
[0002] 太阳能具有安全、清洁和资源普遍性等优点，能够成为替代化石能源主要的可再 生能源。太阳能光伏发电在其开发研究、市场开拓W及产业化制造技术早已作为全球各国 激烈竞争的焦点。
[0003] 地面光伏发电系统通常是由光伏阵列、汇流箱、光伏逆变器、箱式变电站和升压站 五部分组成。此系统应用于光伏发电系统时，存在着集成化程度低、设备故障率高等缺陷。 随着光伏产业的规模化发展，光伏逆变器和箱式变电站组合而成的预组装分站房已成为现 代光伏产业时代发展的趋势。
[0004] 但是，传统的预组装分站房在实际运行过程中仍然有着容量小、转化效率低等缺 点，运已经成为制约光伏电站向智能化、模块化发展的瓶颈。同时，由于电力电子器件的广 泛应用使得供电系统不再受传统的Ξ相供电相数的限制，多相系统(相数多于Ξ相的系统） 得到了广泛关注。多相系统提高了整个系统的输出功率，特别适合应用与电力机车牵引、船 舶电力推进、航空航天等领域。
[0005] 目前的分站房的缺陷具体表现在：
[0006] 首先，传统的预组装分站房要求调试人员必须在设备内部对逆变器进行调试，威 胁人员的人身安全；
[0007] 其次，二次控制系统采用单片机技术或DSP控制技术，其主控板受到布局结构、制 版工艺和器件质量等因素的影响明显，抗干扰能力差，不易扩展，事故率较高，对周围环境 依赖性强，开发周期长。
[000引再次，Ξ相逆变桥逆变的缺陷:①、逆变器将直流电转换为工频交流电时，谐波含 量高，转换效率低;②、逆变器的容量小，不适于大规模、大容量的光伏阵列。 【实用新型内容】
[0009] 本实用新型的目的是提供一种五相光伏逆变器预组装分站房及其控制方法，从而 解决上述现有技术中存在的问题。
[0010] 为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，提供了一种五相光伏逆变器预 组装分站房，所述五相光伏逆变器预组装分站房包括五项光伏逆变器、变压器、逆变器室W 及变压器室，其中所述光伏逆变器设置于所述逆变器室内，所述变压器设置于所述变压器 室内，W及所述逆变器室和所述变压器室之间通过铜排连接；W及所述五相光伏逆变器包 括直流断路器、DC/DC变换器、五相逆变桥、五相滤波器W及交流断路器，其中，所述直流断 路器的输出端与所述DC/DC变换器的输入端电连接，所述DC/DC变换器的输出端与所述五相 逆变桥的输入端电连接，所述五相逆变桥的输出端与所述五相滤波器电连接，W及所述五 相滤波器与所述交流断路器电连接。
[0011] 较佳地，所述五相光伏逆变器具有1/4工作方式和2/^3工作方式;其中
[0012] 所述1/4工作方式是指在某一时刻，所述五相逆变桥的上桥臂有一相导通，下桥臂 有四相导通，或所述五相逆变桥的上桥臂有四相导通，下桥臂有一相导通；W及
[0013] 所述2/^3工作方式是指在某一时刻，所述五相逆变桥的上桥臂有两相导通，下桥臂 有Ξ相导通，或所述五相逆变桥的上桥臂有Ξ相导通，下桥臂有两相导通。
[0014] 较佳地，在所述1/4工作方式和2/^3工作方式中，上桥臂导通的相相邻，^及下桥臂 导通的相相邻。
[0015] 较佳地，所述五相光伏逆变器还包括SPWM模块和PMU模块，其中所述SPWM模块通过 控制线与所述五相逆变桥连接，所述PMU模块通过信号线与所述SPWM模块连接，运行时，所 述PMU模块发送指令给所述SPWM模块，所述SPWM模块控制五相逆变桥的IGBT管通断，从而得 到期望的电压信号。
[0016] 较佳地，所述PMU模块和SPWM模块与电源电连接。
[0017] 较佳地，所述SPWM模块设有执行W下过程的电路：
[001引 （1)建立五相光伏逆变器的开关方程：S = [ Sa，Sb，Sc，Sd，Se]，其中，Sk= 1表示光伏 逆变器a相桥臂上开关导通、下开关关断，Sk = 0表示上开关关断、下开关导通，其中k = a，b， c，d，或e;
[0019] (2)建立五相光伏逆变器的极电压方程:Uk〇 = S山d-Ud/2;
[0020] (3)建立五相光伏逆变器的电压矢量方程：
[0021] (4)求出五相光伏逆变器的32个电压矢量，该32个电压矢量包括大矢量化i，i为> 1 且。0的整数，中矢量Umj，j为Μ且。0的整数，小矢量Usn，n为Μ且。0的整数，W及两 个零矢量化，其中该32个电压矢量分布成10个扇区，每一个扇区包括两个大矢量、两个中矢 量、两个小矢量W及一个零矢量；
[0022] (5)合成参考电压Uref:设参考电压Uref位于第k个扇区，选择UL(k+l)、UMk、UM(k+2瓜及 一个零矢量来合成参考电压Uref ;
[002；3] (6)求出电压化化+1)、1^、机扣2瓜及11日的作用时间。
[0024] 较佳地，所述五相光伏逆变器还包括直流EMC滤波器，所述直流EMC滤波器设置在 所述直流断路器与所述DC/DC变换器之间，其中所述直流EMC滤波器的输入端与所述直流断 路器的输出端电连接，W及所述直流EMC滤波器的输出端与所述DC/DC变换器的输入端电连 接。
[0025] 较佳地，所述五相光伏逆变器还包括交流EMC滤波器，所述交流EMC滤波器设置于 所述五相滤波器和所述交流断路器之间，其中所述交流EMC滤波器的输入端与所述五相滤 波器的输出端电连接，W及所述交流EMC滤波器的输出端与所述交流断路器的输入端电连 接。
[00%]根据本实用新型的另一方面，还提供了一种五相光伏逆变器预组装分站房的控制 方法，所述方法包括W下步骤：
[0027] (1)建立五相光伏逆变器的开关方程:S = [Sa，Sb，Sc，Sd，Se]，其中，Sk= 1表示光伏 逆变器a相桥臂上开关导通，下开关关断；Sa = 0表示上开关关断，下开关导通，k = a、b、c、d 或e;
[002引 （2)建立五相光伏逆变器的极电压方程:化日=S山d-Ud/2;
[0029] (3)建立五相光伏逆变器的电压矢量方程
[0030] (4)求出五相光伏逆变器的32个电压矢量，该32个电压矢量包括大矢量化i，i为>1 且。0的整数，中矢量Umj，j为Μ且。0的整数，小矢量Usn，n为Μ且。0的整数，W及两 个零矢量化，其中该32个电压矢量分布成10个扇区，每一个扇区包括两个大矢量、两个中矢 量、两个小矢量W及一个零矢量；
[00川 （5)合成参考电压Uref:设参考电压Uref位于第k个扇区，选择UL(k+l)、UMk、UM(k+2瓜及 一个零矢量化来合成参考电压Uref ;
[00创 （6)求出电压UL(k+l)、UMk、UM(k+2瓜及Uo的作用时间。
[00削较佳地，通过W下步骤求出电压化(k+l)、UMk、UM(k+2瓜及化的作用时间：
[0034] 设在一个开关周期Ts内第k个矢量的作用时间为化，建立第k个扇区内矢量平衡方 程：
[0035]
[0036] 从而求出 TL(k+l)、T(M+2)k、TMk 和 To。
[0037] 较佳地，电压化化+1)、1^、机扣2诚及1]日的作用顺序为：1^一化化+1)一机化+2)一1]〇一 UM(k+2) 一 化化+。一 UMk。
[003引较佳地，当所述Uref位于第一个扇区时，电压UMi、UL2、UM3和Uo的作用顺序为UMl (10000) 一 UL2(11000) 一 醒3(01000) 一 Uo(OOOOO) 一 UM3(01000) 一 UL2(11000) 一 UMi(lOOOO)。
[0039] 本实用新型的五相光伏逆变器具备如下优点：
[0040] (1)五相控制系统比传统Ξ相系统的调制指数大，因此五相光伏逆变器的线性调 制范围更大，直流电源利用率更高；
[0041] (2)五相光伏逆变器输出电压及电流中的谐波分量降低；
[0042] (3)当五相中的一相或几相发生故障时，通过适当的控制，光伏逆变器仍可W将功 率启动和运行，系统可靠性高；
[0043] (4)最大限度地提高光伏逆变器的转化效率和并网容量。
【附图说明】
[0044] 图1是本实用新型五相光伏逆变器预组装分站房的拓扑结构图；
[0045] 图2是本实用新型五相光伏逆变器预组装分站房的侧面示意图；
[0046] 图3是本实用新型五相光伏逆变器预组装分站房的平面示意图；
[0047] 图4是本实用新型五相光伏逆变器的拓扑结构图；
[0048] 图5是本实用新型五相光伏逆变器的空间电压矢量图，其中小电压矢量未示出；W 及
[0049] 图6是通过本实用新型的五相光伏逆变器控制方法得到的第一扇区的PWM波形图。
【具体实施方式】
[0050] W下将结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细说明，W便更清楚理解本实 用新型的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本实用新型范围的限 审IJ，而只是为了说明本实用新型技术方案的实质精神。
[0化1] 术语说明
[0052] 分站房:将光伏逆变器和箱式变电站集成为一体的电气设备，该系统将光伏方阵 产生的直流电转化为交流电，并完成一次升压供给电网使用。
[0053] 光伏逆变器:逆变器是通过电力电子器件(M0SFET、IGBT等)连接电阻电容，W脉冲 宽度调制的方式控制器件的通断，把汇流箱传输来的直流电转变成交流电，同时完成光伏 组件的最大功率点跟踪(MPPT)，保证智能控制及反孤岛效应等。
[0054] DC/DC变换器:实现对光伏阵列的升压，同时完成对光伏阵列输出最大功率的跟踪 (MPPT)o
[0055] 逆变桥:采用全桥结构，将直流电转换成工频交流电。
[0056] 图1是本实用新型五相光伏逆变器预组装分站房的系统示意图，图2本实用新型五 相光伏逆变器预组装分站房的侧面示意图。图3是本实用新型五相光伏逆变器预组装分站 房的平面示意图。如图1~3所示，五相光伏逆变器预组装分站房包括两台光伏逆变器100、 变压器200,逆变器室100A、变压器室9和高压室11，其中两台光伏逆变器100通过导线与变 压器200电连接。
[0057] 五相光伏逆变器100设置于逆变器室100A内，变压器200设置于变压器室9内，W及 避雷器、避雷计数器和检测变压器内部故障的继电器（图未示)设置于高压室11内。从光伏 组件传来的直流电经过五相光逆变器100后变成交流电输送给变压器200,在变压器200内 进行升压后传输到高压室11内，并在高压室11内通过端子与连接到电网的导线连接，从而 将经过逆变器100进行换相后的电流并入电网。
[005引如图2~3所示，逆变器室100A包括直流汇线柜1、逆变桥室4、滤波器室5W及交流 汇线柜7,其中直流断路器10设置于直流汇线柜1内、DC/DC转换器20和五相逆变桥30设置于 逆变桥室4内、五相滤波器40设置于滤波器室5内W及交流断路器50设置于交流汇线柜7内。
[0059] 直流汇线柜1开设有窗口 1A，逆变桥室4开设有窗口 4A，滤波器室5开设有窗口 5A， 交流汇线柜7开设有窗口 7A，高压室11开设有窗口 11A，通过窗口 1A、4A、5A和7A能够分别对 直流断路器l〇、DC/DC转换器20、五相逆变桥30、五相滤波器40W及交流断路器50进行操作。
[0060] 在直流汇线柜1内设有散热装置1B，在逆变桥室4内设有散热装置4B，在滤波器室5 内设有散热装置5B，W及在交流汇线柜7内设有散热装置7B。通过散热装置1B、4B、5B和7B的 作用，能够防止直流汇线柜1、逆变桥室4、滤波器室5W及交流汇线柜7的溫度过高。
[0061] 如图4所示，本实用新型的五相光伏逆变器100通常包括直流断路器10、DC/DC转换 器20、五相逆变桥30、五相滤波器40W及交流断路器50,其中，直流断路器10的输出端与DC/ DC转换器20的输入端电连接，DC/DC转换器20的输出端与五相逆变桥30的输入端电连接，五 相逆变桥30的输出端与五相滤波器40的输入端电连接，五相滤波器40的输出端与交流断路 器50的输入端电连接，其中，DC/DC变换器实现对光伏阵列输出电压的提高，完成最大功率 点的跟踪(MPPT)。
[0062] 五相逆变桥30包括10个IGBT开关管：Si~SiG，五相滤波器40采用RLC型滤波器，R代 表滤波器的内阻和由每相桥臂上、下互锁死区所造成的电压损失，L代表并网滤波器。
[0063] 如图4所示，本实用新型的五相光伏逆变器100还包括SPWM模块60和PMU模块70， SPmi模块60通过控制线61分别与五相逆变桥20的10个IGBT开关管Si~Sio连接，从而通过 SP歷模块60能够控制IGBT管Si~SiQ的导通和断开，PMU模块70通过信号线71与SP歷模块60 连接，从而可W向SPWM模块60发送指令。
[0064] SPWM模块60和PMU模块70都分别通过导线与电源连接，而箭头62、63分别表示信号 波和载波，信号波指的是把希望得到的波形按比例缩小作为调制信号，在本实用新型中该 调制信号为正弦波，载波指的是接受调制的信号。
[0065] 运行时，PMU模块70发送指令给SPWM模块60，SPWM模块60控制五相逆变桥的IGBT管 通断，从而得到期望的电压信号。
[0066] 当载波信号传至SP歷模块60时，SP歷模块60通过信号线将该载波信号传至PMU模 块70，PMU模块70发出指令给SP丽模块60，SP歷模块60执行计算比较功能，并通过控制线控 制五相逆变桥20的10个IGBT管管Si~Sio的通断，从而得到期望的电压信号。
[0067] 在本实用新型的另一实施例中，五相光伏逆变器100还包括直流EMC滤波器，直流 EMC滤波器设置在直流断路器10与DC/DC变换器之间，直流EMC滤波器的输入端与直流断路 器10的输出端电连接，直流EMC滤波器的输出端与DC/DC变换器的输入端电连接，直流EMC滤 波器实现滤除电磁谐波的作用。
[0068] 在本实用新型的另一实施例中，五相光伏逆变器100还包括交流EMC滤波器，交流 EMC滤波器设置于五相滤波器40和交流断路器50之间，交流EMC滤波器的输入端与五相滤波 器40的输出端电连接，交流EMC滤波器的输出端与交流断路器50的输入端电连接，交流EMC 滤波器实现滤除电磁谐波的作用。
[0069] 本实用新型的五相光伏逆变器拓扑结构简单，具有不受容量大小限制的优点。但 是控制方式也相对复杂，下文详细介绍本实用新型五相光伏逆变器的控制方法。
[0070] 设五相光伏逆变器的开关函数为
[0071] S=[Sa，Sb，Sc，Sd，Se] (1)
[0072] 如果Sa=l，则表示光伏逆变器a相桥臂上开关导通，下开关关断，输出点对电源中 屯、点0的电压(极电压)是Ud/2;
[0073] 如果Sa = 0,则a相桥臂上开关关断，下开关导通，输出极电压为-山/2,其他各开关 函数与之相同。
[0074] 此时，多相逆变器输出极电压用开关函数表示为
[0075] uk〇 = S 山d-Ud/2 (2)
[0076] 五相光伏逆变器输出线电压可W表示为
[0077]
[0078] 五相光伏逆变器输出相电压可W表示为
[0084]根据上述定义，经过计算可W共得到32个不同的电压矢量。大、中、小矢量各10个， 另外有2个零矢量，空间电压矢量图如图5所示。它们把空间分成10个扇区。其中，大、中矢量 幅值表达式如式(7)式(8)所示。
[0087] 图中每个电压矢量所对应的5位二进制是该矢量的开关函数。其中，大、中、小3种 幅值的有效矢量分别对应五相光伏逆变器的不同工作状态，即1/4工作方式、2/3工作方式 和伪2/^3工作方式。所谓2作工作方式是指在某一时刻，光伏逆变器上桥臂有两相导通，下桥 臂有Ξ相导通或反之，并且上桥臂(或下桥臂)导通的相相邻，会使得合成的电压矢量最大。 1/4工作方式与之类似。伪2Λ工作方式由于其上桥臂（或下桥臂）同时导通的Ξ相不都相 邻，中间存在不导通的相，为防止造成相与相间的励磁干扰，因此应避免使用。
[0088] 本实用新型采用2/^3工作方式和1/4工作方式综合控制，从而使得输出的波形较为 平稳。在运种控制方法下，采用一个大矢量、两个中矢量和一个零矢量对扇区中的参考电压 进行合成。
[0089] 下面W第一个扇区为例来进行说明，选择面1(10000)、化2(11000)、面3(01000)和 Uo(OOOOO)矢量对参考电压Uref进行合成。在第一扇区的作用顺序为UMi(lOOOO)一UL2 (11000) 一 UM3(01000) 一 Uo(OOOOO) 一 UM3(01000) 一 UL2(11000) 一 UMi(lOOOO)。
[0090] 设在一个开关周期Ts内第k个矢量的作用时间为化，则在每个扇区内矢量平衡方程 为：
[0091]
[0092] 根据式（1)，可W得到时间变量TL(k+i)、T(M+2)k、TMk和To的值，其中，该方式下的PWM波 形见图6。
[0093] 通过W上的分析可知，本实用新型的本实用新型五相光伏逆变器的控制方法主要 包括W下步骤：
[0094] (1)建立五相光伏逆变器的开关方程:5=权，乱，5。，5<1，56]，其中，51^=1表示光伏 逆变器a相桥臂上开关导通，下开关关断；Sa = 0表示上开关关断，下开关导通，k = a、b、c、d 或e;
[OOM ] (2)建立五相光伏逆变器的极电压方程:Uko = S山d-Ud/2;
[0096] (3)建立五相光伏逆变器的电压矢量方程：
[0097] (4)求出五相光伏逆变器的32个电压矢量。
[0098] 如图2所示，该32个电压矢量包括大矢量ULi，i为Μ且。0的整数，中矢量UMj, j为 >1且含10的整数，小矢量化n(图未示），n为含1且含10的整数，W及两个零矢量化，其中该32 个电压矢量分布成10个扇区，每一个扇区包括两个大矢量、两个中矢量、两个小矢量（图未 示）W及一个零矢量；
[0099] (5)合成参考电压Uref:设参考电压Uref位于第k个扇区，选择UL(k+l)、UMk、UM(k+2瓜及 一个零矢量化来合成参考电压Uref ;
[0100] (6)求出电压UL(k+l)、UMk、UM(k+2瓜及Uo的作用时间：
[0101] 设在一个开关周期Ts内第k个矢量的作用时间为化，建立第k个扇区内矢量平衡方 程：
[0102]
[01 03]从阳求出 TL(kU)、T(M+2)k、I'Mk和To。
[0104] 本实用新型的五相光伏逆变器具有W下优点：
[0105] (1)五相控制系统比传统Ξ相系统的调制指数大，因此五相光伏逆变器的线性调 制范围更大，直流电源利用率更高；
[0106] (2)五相光伏逆变器输出电压及电流中的谐波分量降低；
[0107] (3)当五相中的一相或几相发生故障时，通过适当的控制，光伏逆变器仍可W将功 率启动和运行，系统可靠性高；
[0108] (4)最大限度地提高了光伏逆变器的转化效率和并网容量，同时输出波形较为平 稳。
[0109] W上已详细描述了本实用新型的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本实用新型 的上述讲授内容之后，本领域技术人员可W对本实用新型作各种改动或修改。运些等价形 式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1. 一种五相光伏逆变器预组装分站房，其特征在于，所述五相光伏逆变器预组装分站 房包括五项光伏逆变器、变压器、逆变器室以及变压器室，其中 所述光伏逆变器设置于所述逆变器室内，所述变压器设置于所述变压器室内，以及所 述逆变器室和所述变压器室之间通过铜排连接；以及 所述五相光伏逆变器包括直流断路器、DC/DC变换器、五相逆变桥、五相滤波器以及交 流断路器，其中，所述直流断路器的输出端与所述DC/DC变换器的输入端电连接，所述DC/DC 变换器的输出端与所述五相逆变桥的输入端电连接，所述五相逆变桥的输出端与所述五相 滤波器电连接，以及所述五相滤波器与所述交流断路器电连接。2. 根据权利要求1所述的五相光伏逆变器预组装分站房，其特征在于，所述五相光伏逆 变器具有1/4工作方式和2/3工作方式;其中 所述1/4工作方式是指在某一时刻，所述五相逆变桥的上桥臂有一相导通，下桥臂有四 相导通，或所述五相逆变桥的上桥臂有四相导通，下桥臂有一相导通；以及 所述2/3工作方式是指在某一时刻，所述五相逆变桥的上桥臂有两相导通，下桥臂有三 相导通，或所述五相逆变桥的上桥臂有三相导通，下桥臂有两相导通。3. 根据权利要求2所述的五相光伏逆变器预组装分站房，其特征在于，在所述1/4工作 方式和2/3工作方式中，上桥臂导通的相相邻，以及下桥臂导通的相相邻。4. 根据权利要求1所述的五相光伏逆变器预组装分站房，其特征在于，所述五相光伏逆 变器还包括SPWM模块和PMU模块，其中所述SPWM模块通过控制线与所述五相逆变桥连接，所 述PMU模块通过信号线与所述SPWM模块连接，运行时，所述PMU模块发送指令给所述SPWM模 块，所述SPWM模块控制五相逆变桥的IGBT管通断，从而得到期望的电压信号。5. 根据权利要求4所述的五相光伏逆变器预组装分站房，其特征在于，较佳地，所述PMU 模块和SPWM模块与电源电连接。6. 根据权利要求1所述的五相光伏逆变器预组装分站房，其特征在于，所述五相光伏逆 变器还包括直流EMC滤波器，所述直流EMC滤波器设置在所述直流断路器与所述DC/DC变换 器之间，其中所述直流EMC滤波器的输入端与所述直流断路器的输出端电连接，以及所述直 流EMC滤波器的输出端与所述DC/DC变换器的输入端电连接。7. 根据权利要求1所述的五相光伏逆变器预组装分站房，其特征在于，所述五相光伏逆 变器还包括交流EMC滤波器，所述交流EMC滤波器设置于所述五相滤波器和所述交流断路器 之间，其中所述交流EMC滤波器的输入端与所述五相滤波器的输出端电连接，以及所述交流 EMC滤波器的输出端与所述交流断路器的输入端电连接。
【文档编号】H02J3/38GK205429763SQ201620228672
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】刘志刚, 王振中, 郭剑, 胡益, 闫飞朝, 孙东海
【申请人】中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司