直流光伏发电变流器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种直流光伏发电变流器，包括变流电路和变流电路的控制系统，所述变流电路并联设置有第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一、第二、第三桥臂的上下桥臂均由电力开关管构成，上桥臂的上端用于连接直流母线正极，上下桥臂之间引出用于连接电源正极的电源侧电感，位于母线侧的支撑电容采用公共电容，位于电源侧的电容可以采用三个独立电容，也可以采用一个公共电容，由此可以分别实现光伏系统多路电源输出的组串式接入或集中式接入，本发明采用重化结构的变流电路结构，容量大，体积小，成本低，使用灵活，且有利于减小纹波及其谐波，改善系统的动态性能。
【专利说明】
直流光伏发电变流器
技术领域
[0001]本发明涉及一种直流光伏发电变流器，适用于太阳能光伏电池板与微电网直流母线之间的能量传递。
【背景技术】
[0002]太阳能具有储量丰富、分布范围广泛、清洁无污染等特点，随着太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，太阳能光伏发电将在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。根据光伏分布以及功率等级，可以把光伏并网系统结构分为集中式和组串式，集中式结构只采用一台并网逆变器，结构简单且逆变效率高。但光伏阵列的特性曲线出现复杂多波峰，单一的集中式结构难以实现良好的最大功率点跟踪(MPPT)，并且这种结构需要相对较高的直流母线电压，降低了系统的安全性。组串式结构每个模块均保证满足MPPT设计，最大程度地提高了系统发电效率，并且系统扩充有很大的灵活性，但逆变器数量多，系统成本大。
[0003]当前，由于组串式和集中式变流器对功率要求差别很大，所以市面上现有的光伏变流器有很多但都是针对某一种结构设计，缺少对光伏组串式和集中式结构同时支持的产品O
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种直流光伏发电变流器，本发明的变流器能够同时满足组串式和集中式光伏并网系统结构的需求，解决了【背景技术】中所指出的不足。
[0005]本发明的技术方案是:一种直流光伏发电变流器，其包括控制系统和变流电路，所述变流电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、电源侧第一电感、电源侧第二电感和电源侧第三电感，所述第一、第二和第三桥臂的上桥臂和下桥臂优选采用相同的开关单元，所述第一、第二和第三桥臂的上端相互连接，构成用于连接直流母线正极的变流电路母线侧正极连接端，可以根据实际需要设置各种适宜形式和数量的连接件或连接件组合(统称为接线端子)，所述第一、第二和第三桥臂的下端相互连接，构成用于连接直流母线负极和电源负极的变流电路公共负极连接端，可以根据实际需要设置各种适宜形式和数量的连接件，例如用于同母线负极连接的母线负极接线端子和用于同电源负极连接的一个或多个电源负极接线端子，所述变流电路母线侧正极连接端和公共负极连接端之间连接有母线侧支撑电容，所述电源侧第一电感、电源侧第二电感和电源侧第三电感的一端分别连接在所述第一、第二和第三桥臂的上桥臂和下桥臂之间的连接处，另一端分别构成用于连接电源的电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端，所述控制系统设有分别用于控制各所述开关单元状态的若干控制输出(通常可以采用控制信号线缆的形式，以将控制信号接入相应开关单元的控制端)，各所述控制输出分别接入各自对应的所述开关单元的控制端(例如所用电子开关管的控制端子)，通过控制各所述开关单元的通断状态，使所述第一、第二和第三桥臂的输出(例如电压输出或电流输出)的相位差为120°。
[0006]
通常，所述变流电路还可以设有电源侧电容，所述电源侧电容可以采用下列任意一种构造方式设置:
构造方式一:所述电源侧电容包括电源侧第一电容、第二电容和第三电容，所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端分别连接有第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子和第三电源正极接线端子，所述电源侧第一电容、第二电容和第三电容的一端分别连接所述第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子和第三电源正极接线端子，另一端均连接所述公共负极连接端；
构造方式二:所述电源侧电容为电源侧公共电容，所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端均连接公共电源正极接线端子，所述电源侧公共电容的一端连接所述公共电源正极接线端子，另一端连接所述公共负极连接端；
构造方式三:所述电源侧电容包括电源侧公共电容、第一电容、第二电容和第三电容，所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端通过模式切换系统分别连接公共电源正极接线端子和第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子或第三电源正极接线端子，即所述电源侧第一电感电源连接端通过模式切换系统连接公共电源正极接线端子和第一电源正极接线端子，所述电源侧第二电感电源连接端通过模式切换系统连接公共电源正极接线端子和第二电源正极接线端子，所述电源侧第三电感电源连接端通过模式切换系统连接公共电源正极接线端子和第三电源正极接线端子，所述电源侧公共电容、第一电容、第二电容和第三电容的一端分别通过所述模式切换系统连接所述公共电源正极接线端子、第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子和第三电源正极接线端子，另一端均连接所述公共负极连接端，所述模式切换系统可以采用任意能够实现所需切换的现有技术或其他其他技术，例如包括设置在相关连接线路上的若干独立且相互联动的切换开关，或采用能够实现所需切换的单一的多路切换装置。
[0007]通常，所述模式切换系统至少具有下列两种切换模式:
切换模式一:所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端分别连接所述第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子和第三电源正极接线端子且均不连接所述公共电源正极连接端子，所述电源侧第一电容、第二电容和第三电容的相应端(即用于连接电源正极的一端)分别连接所述第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子和第三电源正极接线端子，所述电源侧公共电容的相应端(即用于连接电源正极的一端)不连接任何电源正极接线端子；
切换模式二:所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端均连接所述公共电源正极接线端子且均不连接所述第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子和第三电源正极接线端子，所述电源侧公共电容的相应端(即用于连接电源正极的一端)连接所述公共电源正极接线端子，所述电源侧第一电容、第二电容和第三电容的相应端(即用于连接电源正极的一端)均不连接任何电源正极接线端子。
[0008]所述开关单元可以采用全控型电力开关管(泛指电力开关器件)或采用由若干全控型电力开关管组相互串联而成的全控型电力开关管组件。
[0009]所述开关单元优选为并联有续流二极管(反向二极管)的IGBT，所述IGBT的基极构成所述开关单元的控制端子，同一桥臂中用作上桥臂的上IGBT的发射极连接用作下桥臂的下IGBT的集电极，用作上桥臂的上IGBT的集电极构成所述桥臂的上端，用作下桥臂的下IGBT的发射极构成所述桥臂的下端。
[0010]所述侧第一电感、电源侧第二电感和电源侧第三电感通常可以采用相同的电感，所述电源侧第一电容、第二电容和第三电容通常可以采用相同的电容。
[0011]可以采用下列任意一种电源接入方式接入光伏系统:
接入方式一:为组串式接入方式，适于构造方式一和构造方式三中的切换模式一，将光伏系统的三路电源输出的正极分别接入所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端，负极均连接所述变流电路的公共负极连接端。
[0012]在上述接入方式下，当变流电路中某一桥臂失效(例如，当该桥臂的开关单元故障或该桥臂其他电路故障)时，优选通过控制相关各所述开关单元的通断状态，使保持有效的两个桥臂的输出的相位差为180° ；
接入方式二:为集中式接入方式，适于构造方式二和构造方式三中的切换模式二，光伏系统的单路电源输出或多路电源输出的正极接入所述电源侧公共电感电源连接端，负极连接所述变流电路的公共负极连接端；
接入方式三:组合式接入方式，适于构造方式三，将以组串式接入的光伏系统的三路电源输出的正极分别接入所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端，负极均连接所述变流电路的公共负极连接端，将以集中式接入的光伏系统的单路电源输出或多路电源输出的正极接入所述电源侧公共电感电源连接端，负极连接所述变流电路的公共负极连接端，所述以组串式接入的光伏系统的三路电源输出与所述以集中式接入的光伏系统的单路电源输出或多路电源输出相同、仅部分相同或全部不相同。
[0013]在上述接入方式下，当采用切换模式一且变流电路中某一桥臂失效(例如，当该桥臂的开关单元故障或该桥臂其他电路故障)时，通过控制相关各所述开关单元的通断状态，使保持有效的两个桥臂的输出的相位差为180°。
[0014]当采用接入方式三接入光伏系统时，可以通过模式切换系统使切换模式处于所需的切换模式。
[0015]当所述以组串式接入的光伏系统的三路电源输出与所述以集中式接入的光伏系统的单路电源输出或多路电源仅部分相同或全部不相同时，可以通过切换模式的改变实现其中不相同的电源输出的投切。
[0016]当投切后只有两路有效电源输出时，优选通过控制相关各所述开关单元的通断状态，使这两路电源输出经过变流电路中相关两个桥臂的输出的相位差为180°。
[0017]所述控制系统可以通过PWM(Pulse Width Modulat1n，脉冲宽度调制)方式对各所述开关单元进行控制，并可以使三个桥臂涉及的三角载波相互交错120°。
[0018]优选采用MPPT(Maximum Power Point Tracking)电路进行最大功率点跟踪，依据跟踪获得的信号计算和调整最佳控制参数。
[0019]当采用接入方式一时或采用接入方式三和切换模式一时，对接入所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端的三路电源输出进行单独的最大功率点跟踪和相关控制参数的计算和调整。
[0020]当采用接入方式二且同时接入多路电源输出时或采用接入方式三和切换模式二且同时接入多路电源输出时，可以对接入所述电源侧公共电感电源连接端的多路电源进行单独的最大功率点跟踪并计算能够获得最大总功率输出的控制参数，依据最大总功率输出下的控制参数进行控制。
[0021]所述控制系统可以设有处理器，所述处理器的芯片优选为工业级DSP芯片。
[0022]所述控制系统优选设有能够与远程控制中心通信的远程通信单元和/或能够接入计算机网络的网络接入单元，通过所述远程通信单元与远程控制中心通信连接，通过所述网络接入单元与远端服务器通信连接，由此允许所述远程控制中心和/或远端服务器实时监控变流器的运行状态并可以根据需要发出主动调控指令。
[0023]由于本发明的变流电路采用桥臂相互并联的多重化结构设计，相对于传统DC-DC变流器，产生了多方面的优势:(I)多重化结构可拆分独立控制，可以同时接几路不同的光伏阵列。多重化变流器的各个单元变换电路还有互为备用的功能，一个单元电路发生故障后其余单元还可继续工作，这又提高了变换器总体可靠性；(2)在大功率电力电子装置中，通过并联多个电力电子开关管来承担大电流，增大其功率来解决目前单个电力电子器件的电流定额远不能满足大功率DC-DC变流器要求的矛盾；(3)类似电感、变压器、滤波器等组成元件占据电能变换装置很大一部分体积和重量，而滤波器设计和电流有很大关系，多重化可减小电流纹波及其谐波，从而减小滤波器体积和重量，最终达到减小变换装置体积和重量的目的；(4)提高了等效开关频率，改善系统的动态性能。
【附图说明】
[0024]图1是本发明一个实施例的电路图；
图2是本发明另一个实施例的电路图。
【具体实施方式】
[0025]参见图1至图2，本发明公开了一种直流光伏发电变流器，包括控制系统和变流电路，所述变流电路包括并联设置的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一、第二、第三桥臂的上下桥臂分别由开关管Tl和T4、T3和T6、T5和T2构成，各开关管上分别反向并联有续流二极管01、04、03、06、05和02，所述第一、第二、第三桥臂的上端与直流母线的正极相连，下端与直流母线负极和光伏序列的负极输出相连，上下桥臂之间分别引出电源侧第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3，并通过电源侧第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3的另一端连接光伏阵列的正极输出，所述控制系统与各所述开关管的控制端子通过相应的控制线缆连接，控制各所述功率开关管的开闭时间，以使经第一、第二、第三桥臂输出的电压或电流相位差为120°，当采用PWM方式控制时，相应的三角载波波型相互交错120°，从而降低总电流纹波幅值相对于总电流直流分量的比值，增大总电流的纹波频率。
[0026]依据电源的接入方式选择电源侧电容的设置方式，图1和图2分别显示了组串式接入方式和集中式接入方式下的电路构造。在图1显示的实施例中，以每一个桥臂和相应的电源侧电感和电容组成一个独立的变流支路，光伏系统的三路输出分别接入每个变流支路，图1中的电容C4、C3和C2分别对应于经第一、第二、第三桥臂，与第一、第二、第三桥臂以及电感L1、L2、L3分别组成一条变流支路，涉及母线侧支撑电容共用电容Cl，三条变流支路均可以独立调节，并针对各自对应的光伏电源进行最大功率点追踪，以最大程度地提高系统发电效率。
[0027]在图2显示的实施例中，光伏系统的输出集中接入变流电路，电源侧只设置一个公共电容C2，连接不同桥臂的电感L1、L2、L3电感均连接该公共电容C2，由于三条变流支路相互并联，使输送到直流母线上的工作电流可扩展到单个支路的三倍，即设备容量也同时扩大了三倍。
[0028]通过控制系统使三路变流支路的开关时间相互交错120°(输出相位差为120°)，可以使等效开关频率扩大到原来的三倍，通过三路锯齿波交错叠加，使总的电流纹波幅值相对于总电流直流分量的比值大大降低，并且纹波频率也增大到原来的三倍从而更好滤除，从而降低了对三路电感的要求，使同等容量下电感所占的体积大大减小。
[0029]除此之外，每条变流支路上的电力电子管的开关频率也无需太高，从而降低了开关损耗，对于采用基于数字信号处理方式进行控制的换流器，等效开关频率的提高也可以提高设备的响应速度。
[0030]三条变流支路还有互为备用的功能，一个单元电路发生故障后，其余单元还可继续工作，由此提高了变换器总体可靠性。
[0031]可以将图1和图2组合起来，通过设置模式切换系统进行相关线路之间的切换，以方便使用。
[0032]本发明用于光伏发电系统，可以很好的弥补传统光伏变流器设计单一性的不足，可同时支持组串式和集中式光伏并网系统结构，每一路桥臂均能实现最大功率点追踪，最大程度地提高了系统发电效率，同时又大幅度的降低系统的成本。
【主权项】
1.一种直流光伏发电变流器，其特征在于包括控制系统和变流电路，所述变流电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、电源侧第一电感、电源侧第二电感和电源侧第三电感，所述第一、第二和第三桥臂的上桥臂和下桥臂采用相同的开关单元，所述第一、第二和第三桥臂的上端相互连接，构成用于连接直流母线正极的变流电路母线侧正极连接端，所述第一、第二和第三桥臂的下端相互连接，构成用于连接直流母线负极和电源负极的变流电路公共负极连接端，所述变流电路母线侧正极连接端和公共负极连接端之间连接有母线侧支撑电容，所述电源侧第一电感、电源侧第二电感和电源侧第三电感的一端分别连接在所述第一、第二和第三桥臂的上桥臂和下桥臂之间的连接处，另一端分别构成用于连接电源的电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端，所述控制系统设有分别用于控制各所述开关单元状态的若干控制输出，各所述控制输出分别接入各自对应的所述开关单元的控制端，通过控制各所述开关单元的通断状态，使所述第一、第二和第三桥臂的输出的相位差为120°。2.如权利要求1所述的直流光伏发电变流器，其特征在于所述变流电路还设有电源侧电容，所述电源侧电容采用下列任意一种构造方式设置: 构造方式一:所述电源侧电容包括电源侧第一电容、第二电容和第三电容，所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端分别连接有第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子和第三电源正极接线端子，所述电源侧第一电容、第二电容和第三电容的一端分别连接所述第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子和第三电源正极接线端子，另一端均连接所述公共负极连接端； 构造方式二:所述电源侧电容为电源侧公共电容，所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端均连接公共电源正极接线端子，所述电源侧公共电容的一端连接所述公共电源正极接线端子，另一端连接所述公共负极连接端； 构造方式三:所述电源侧电容包括电源侧公共电容、第一电容、第二电容和第三电容，所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端通过模式切换系统分别连接公共电源正极接线端子和第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子或第三电源正极接线端子，所述电源侧公共电容、第一电容、第二电容和第三电容的一端分别通过所述模式切换系统连接所述公共电源正极接线端子、第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子和第三电源正极接线端子，另一端均连接所述公共负极连接端， 所述模式切换系统至少具有下列两种切换模式: 切换模式一:所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端分别连接所述第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子和第三电源正极接线端子且均不连接所述公共电源正极连接端子，所述电源侧第一电容、第二电容和第三电容的相应端分别连接所述第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子和第三电源正极接线端子，所述电源侧公共电容的相应端不连接任何电源正极接线端子； 切换模式二:所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端均连接所述公共电源正极接线端子且均不连接所述第一电源正极接线端子、第二电源正极接线端子和第三电源正极接线端子，所述电源侧公共电容的相应端连接所述公共电源正极接线端子，所述电源侧第一电容、第二电容和第三电容的相应端均不连接任何电源正极接线端子。3.如权利要求1或2所述的直流光伏发电变流器，其特征在于所述开关单元采用全控型电力开关管或采用由若干全控型电力开关管组相互串联而成的全控型电力开关管组件。4.如权利要求1或2所述的直流光伏发电变流器，其特征在于所述开关单元为并联有续流二极管的IGBT，所述IGBT的基极构成所述开关单元的控制端子，同一桥臂中用作上桥臂的上IGBT的发射极连接用作下桥臂的下IGBT的集电极，用作上桥臂的上IGBT的集电极构成所述桥臂的上端，用作下桥臂的下IGBT的发射极构成所述桥臂的下端。5.如权利要求2所述的直流光伏发电变流器，其特征在于所述侧第一电感、电源侧第二电感和电源侧第三电感采用相同的电感，所述电源侧第一电容、第二电容和第三电容采用相同的电容。6.如权利要求5所述的直流光伏发电变流器，其特征在于采用下列任意一种电源接入方式接入光伏系统: 接入方式一:为组串式接入方式，适于构造方式一和构造方式三中的切换模式一，将光伏系统的三路电源输出的正极分别接入所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端，负极均连接所述变流电路的公共负极连接端，当变流电路中某一桥臂失效时，通过控制相关各所述开关单元的通断状态，使保持有效的两个桥臂的输出的相位差为180° ； 接入方式二:为集中式接入方式，适于构造方式二和构造方式三中的切换模式二，光伏系统的单路电源输出或多路电源输出的正极接入所述电源侧公共电感电源连接端，负极连接所述变流电路的公共负极连接端； 接入方式三:组合式接入方式，适于构造方式三，将以组串式接入的光伏系统的三路电源输出的正极分别接入所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端，负极均连接所述变流电路的公共负极连接端，将以集中式接入的光伏系统的单路电源输出或多路电源输出的正极接入所述电源侧公共电感电源连接端，负极连接所述变流电路的公共负极连接端，所述以组串式接入的光伏系统的三路电源输出与所述以集中式接入的光伏系统的单路电源输出或多路电源输出相同、仅部分相同或全部不相同，当采用切换模式一且变流电路中某一桥臂失效时，通过控制相关各所述开关单元的通断状态，使保持有效的两个桥臂的输出的相位差为180°。7.如权利要求6所述的直流光伏发电变流器，其特征在于在采用接入方式三接入光伏系统时，通过模式切换系统使切换模式处于所需的切换模式，当所述以组串式接入的光伏系统的三路电源输出与所述以集中式接入的光伏系统的单路电源输出或多路电源仅部分相同或全部不相同时，通过切换模式的改变实现其中不相同的电源输出的投切，当投切后只有两路有效电源输出时，通过控制相关各所述开关单元的通断状态，使这两路电源输出经过变流电路中相关两个桥臂的输出的相位差为180°。8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的直流光伏发电变流器，其特征在于所述控制系统通过PWM方式对各所述开关单元进行控制，并采用MPPT电路进行最大功率点跟踪，依据跟踪获得的信号计算和调整最佳控制参数，当采用接入方式一时或采用接入方式三和切换模式一时，对接入所述电源侧第一电感电源连接端、第二电感电源连接端和第三电感电源连接端的三路电源输出进行单独的最大功率点跟踪和相关控制参数的计算和调整，当采用接入方式二且同时接入多路电源输出时或采用接入方式三和切换模式二且同时接入多路电源输出时，对接入所述电源侧公共电感电源连接端的多路电源进行单独的最大功率点跟踪并计算能够获得最大总功率输出的控制参数，依据最大总功率输出下的控制参数进行控制。9.如权利要求8所述的直流光伏发电变流器，其特征在于所述控制系统设有处理器，所述处理器的芯片优选为工业级DSP芯片。10.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的直流光伏发电变流器，其特征在于所述控制系统设有能够与远程控制中心通信的远程通信单元和/或能够接入计算机网络的网络接入单元，通过所述远程通信单元与远程控制中心通信连接，通过所述网络接入单元与远端服务器通信连接。
【文档编号】H02M3/156GK105958819SQ201610283126
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】庞先标, 孔启翔, 彭以光, 王建强, 杜宏
【申请人】北京北变微电网技术有限公司