用于光伏并网发电的三相四桥臂逆变器及光伏并网发电系统的制作方法

专利名称：用于光伏并网发电的三相四桥臂逆变器及光伏并网发电系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于太阳能发电技术领域，具体涉及一种三相四桥 臂逆变器及包含该逆变器的光伏并网发电系统。.
背景技术：
由于能源危机、环境污染的日益严峻等因素使越来越多的国家 卩始意识到加快可再生能源的开放利用才是应对日益严重的能源和 环境问题、实现可持续发展的必由之路。太阳能因其清洁、高效和永 不衰竭的特点成为可再生能源中最具活力的绿色能源。太阳能并网发 电技术将太阳能通过并网逆变装置直接馈入电网，因其具有无需储 能、结构简单等独特优势，使其很快成为世界各国专家研究的热点。 太阳能并网运行方式也迅速成为光伏应用的一种主要方式。
光伏并网逆变器是太阳能发电与电网连接的桥梁，是光伏并网 发电系统的核心。在大功率并网电站i卞'均采川三相并网输出方式，而 三相并网逆变器性能的优劣是决定整个电站能否稳定安全运行的关 键。三相光伏并网逆变器一般采用三个桥臂的结构或者三个单相全桥 构成的组合式三相逆变结构，前者拓扑结构由于没有中线，所以适用 于三相电网平衡的情况。但在电网质量较差的地区，三相电网电压往 往不均衡，波形畸变较大，此时，三相并网逆变器就会出现并网电流 谐波含量增加，系统效率降低，运行不稳定，甚至不能正常工作等问 题。后者拓扑结构虽然可以对三相不平衡电网正常输送电能，但其线 路复杂，体积庞大，成本较高。

实用新型内容
本实用新型所要解决的问题是针对现有的光伏逆变器存在的上 述不足，提供一种高效率、高可靠性、对电网不平衡有很强适应能力并使并网电流谐波含量极小的三相四桥臂逆变器及包含该逆变器的 光伏并网发电系统。
解决上述技术问题所采用的技术方案是该三相四桥臂逆变器， 其输入端与光伏阵列相连，输出端与三相电网相连，包括三个并联的
桥臂(a、 b、 c)，每个桥臂包括串联的两个开关管(S,、 S4/S3、 S6/S5、 S2)，串联在一起的两开关管的连接点为各桥臂的输出端，该逆变器 还包括有与所述三个桥臂的两端并联的中性桥臂n，所述中性桥臂包 括串联的两开关管(S7、 S8)，所述两开关管(S7、 S8)的连接点构 成中性桥臂的输出端，中性桥臂的输出端与三相电网的中性线相连。 优选的是，该三相四桥臂逆变器还包括有储能电容C，所述储能 电容c并联于三个桥锷的输入端，用于储能、维持直流电压的稳定以
及滤波。.在光伏阵列和储能电容C之间还可串接有防反冲二极管D。 .进一步优选的是，该三相四桥臂逆变器还包括有三个滤波电感 (La、丄b、 L。)和中性线滤波电感Ln，所述三个滤波电感(La、 Lb、 Lc) 分别接于三个桥臂(a、 b、 c)的输出端和三相电网的输入端之伺， 所述中性线滤波电感L接在中性桥臂n的输出端与三相电网的中性 线之间。
其中，中性线滤波电感^可以改善整个三相四桥臂逆变器的整 体滤波效果，抑制中线电流开关纹波，减小三相输出电压的总谐波失 真(THD)值。中性桥臂(也可叫做公用桥臂)可直接控制中性点电 压，从而得到3个独立电压，具有固有的不平衡处理能力，中性桥臂 为不平衡电流和零序电流提供了通路，在电网不平衡条件下充分发挥 调节三相输出不平衡的作用。
中性桥臂n以及中性线滤波电感^进行调节的调节原理如下 图1中的电路方程分别为式(1) 、(2)，表示为
<formula>formula see original document page 5</formula>
(2)
式(1)为电压回路方程，式(2)为电感电流回路方程。 其中f/。、 "、 R为三相四桥臂逆变器的输出电压，Za、 ！6、〈为三相输出电流，e。、 ^、 e,为三相电网电压，"为中性线电感电流， L为三相滤波电感；"为中性线滤波电感；
如果三相电网不平衡，则[6。
& "含有正序、负序和零序分量， 如式(3)，
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中K、《、巧是正序、负序、零序分量的幅值；"p、""、"。是 正序、负序、零序分量的相位值。
三个桥臂'a、 b、 c控制三相输出电压正序分量["。p ^ ~]和负
序分量[l K yj，以跟随不平衡电网电压的正序和负序分量。中
性桥臂n控制三相输出i乜压的零序分景["""(7"。""']',以跟随不平衡
电网电压的零序分量。其中，["叩^ "w]为三个桥臂a、 b、 c分别
与中性桥臂n之间的正序电压；["。""J'为三个桥臂a、 b、c分别
与中性桥臂n之间的负序电压；["。。^。
"^'为三个桥臂a、 b、 c分别
与中性桥臂n之间的零序电压。
即式(4)，
<formula>formula see original document page 6</formula>利用本实用新型二相四桥臂逆变器进行光伏发电的过程如下 太阳能光伏电池阵列将太阳光能转化为电能，通过防反冲二极管D 将电能存储在储能电容C中，储能电容C放电释放能量通过本实用新
型三相四桥臂逆变器逆变后输出交流电能，再经滤波电感并入电网。 一种光伏并网发电系统，包括光伏并网逆变器，所述光伏并网 逆变器采用本实用新型上述的三相四桥臂逆变器。
该光伏并网发电系统还包括控制器、用于测量光伏阵列输出电 压和电流的直流采样及调理电路、用于测量三相四桥臂逆变器输出电 流的交流电流采样及调理电路、对三相电网频率和相位进行检测的过 零检测电路、用于测量三相电网电压的交流电压采样及调理电路、以 及三相四桥臂逆变器的驱动电路，所述直流采样及调理电路、交流电 流采样及调理电路、过零检测电路、交流电压采样及调理电路分别与所述控制器的输入端相连，控制器的输出端通过驱动电路与三相四桥 臂逆变器相连。
本实用新型光伏并网发电系统结构简单，只有一个能量变换环 节，提高了效率及系统可靠性，更加有利于调试和维护；如果电网电 压三相不平衡，并网电流的每一相均能快速跟踪电网电压的频率、相 位和幅值的变化，对电网不平衡的情况有很强的适应性，且对谐波也 有一定的抑制作用。
本实用新型光伏并网发电系统将电网作为储能系统，向其供电， 改善了电网的电能来源结构，且由于其包含有三相四桥臂逆变器，对 电网不平衡有很好的适应性，可靠性高。同时，由于充分利用太阳能
这一洁洁能源，可减少环境污染。

图1是本实用新型三相四桥臂逆变器的电路结构图 图2是本实用新型光伏并网发电系统的结构示意图 图中C-储能电容 D-防反冲二极管S「-S8-开关管La、 U、 U-滤波电感 中性线滤波电感a、b、c-桥臂rr-中性桥臂ea 、
e,,、 三相电网电压 o-中性点 M—逆变主电路1---直流采样及调 理电路 2-交流电流釆样及调理电路 3-交流电压采样及调理电路 4--过零检测电路5-驱动电路6-三相四桥臂逆变器 7-控制器
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细描述。
以下实施例为本实用新型的非限定性实施例。
图1是本实用新型三相四桥臂逆变器的电路结构图。该三相四 桥臂逆变器在传统的三相三桥臂逆变器的基础上增加一个中性桥臂 (公用桥臂)而形成的。如图l所示，本实用新型三相四桥臂逆变器 包括防反冲二极管D、储能电容C、逆变主电路M、三个滤波电感La、 U、 L。、中性线滤波电感；。
如图1所示，逆变主电路M由八个开关管S,-S8组成，每个开关管由一个IGBT与一个二极管反并联构成，采用四组2单元封装组成 的IGBT模块构成逆变主电路M，其中IGBT模块可采用市售的三菱 CM150DX-24A，英飞凌FF100R12YT3，赛米控SKM100GB12T4等。
逆变主电路M中三个桥臂a、 b、 c的组成如下开关管Si、 S4 串联组成A相桥臂a，开关管S3、 S6串联组成B相桥臂b，开关管Ss、 S2串联组成C相桥臂c。开关管S" S8串联组成中性桥臂n，中性桥 臂也称为公用桥臂。每个桥臂中，串联的两个开关管的连接点为桥臂 的输出端。A相桥臂a、 B相桥臂b、 C相桥臂c分别与中性桥臂n组 成A相全桥逆变器、B相全桥逆变器、C相全桥逆变器。三个桥臂a、 b、 c的输出端分别连接有滤波电感La、 Lb、 L。， A相桥臂a、 B相桥 锊b、 C相桥臂c通过滤波电感L。、 Lb、 L。分别与-三相电网的A、 B、 C: 三相连接，公用桥臂n通过中性线滤波电感Ln与三相电网的中性点o 连接_。
在逆变主电路M中，三个桥臂a、 b、 c以及中性桥臂n的上下 端点分别连接在一起，形成三相四桥臂逆变器的直流母线，上端母线 为正极母线，下端母线为负极母线。储能电容C设置在光伏阵列与逆 变主电路M之间，储能电容C的正极与正极母线连接，其负极与负极 母线连接。为防止电网对光伏阵列反充电，在光伏阵列与储能电容C 之间还设置有防反冲二极管D，其正极与光伏阵列连接，负极与储能 电容C的正极连接。
本实用新型三相四桥臂逆变器的工作过程如下太阳能光伏阵 列将太阳光能转化为电能，经防反冲二极管D将电能存储在储能电容 C中，储能电容C放电释放的能量经逆变主电路M逆变输出交流电能 后经滤波电感La、 Lb、 L。并入三相电网。
本实施例中，中性线滤波电感Ln可以改善整体滤波效果，抑制 中线电流开关纹波，减小三相输出电压的总谐波失真(THD)值。公 用桥臂n可直接控制中性点电压，从而得到3个独立电压，具有固有 的不平衡处理能力，公用桥臂n为不平衡电流和零序电流提供了通 路，充分发挥在电网不平衡条件下调节三相输出不平衡的作用。
图2是本实用新型光伏并网发电系统的结构示意图。如图2所示，本实施例中，光伏并网发电系统包括三相四桥臂逆变器6、控制
器7、直流采样及调理电路1、交流电流釆样及调理电路2、过零检 测电路4、交流电压采样及调理电路3、驱动电路5。其中，控制器7 采用高速数字信号处理器DSP TMS320F2812。
光伏阵列通过储能电容C与三相四桥臂逆变器6的输入端相连， 三相四桥臂逆变器6的输出端通过滤波电感La、 Lb、 L。和中性线滤波 电感L分别与三相电网的A、 B、 C三相以及中性点连接。直流采样及 调理电路1设在光伏阵列的输出端，用以测量光伏阵列输出的电压和 电流信号，并将所获的电信号传送给控制器7进行处理，以实现对光 伏阵列最大功率跟踪控制。交流电流采样及调理电路2设置在三相四 桥ff逆变器6的输出端，用以测荒三相四桥臂逆变器6输出的三相电 流和中性线滤波电感电流，并将所获得的电信号传送给控制器7进行 处理，以对三相四桥臂逆变器6的输出波形进行控制。交流电压采样 及调理电路3和过零检测电路4设置在滤波电感La、 U、 L。以及中性 线滤波电感L与三相电网之间，交流电压采样及调理电路3用以测量 三相电网电压，并将测得的信号传送给控制器7进行处理，以实现对 输入电网波形的控制。过零检测电路4对三相电网的频率和相位进行 检测，并将检测信号传送给控制器7进行处理，以实现锁相并网功能。 控制器7将直流采样及调理电路1、交流电流采样及调理电路2、交 流电压采样及调理电路3和过零检测电路4采集的信号经运算处理后 产生控制信号并将该控制信号传送给驱动电路5，由驱动电路5驱动 三相四桥臂逆变器6中的逆变主电路M，使每一相都能独立快速跟踪 电网电压的频率、相位和幅值的变化。
控制器7实现光伏阵列最大功率跟踪调节的方式是(1)当增 加本实用新型逆变器的输出功率(即加大并网电流)时，瞬态下储能 电容C的电压保持不变，太阳能电池板的输出电压暂时不变，光伏阵 列的输出电压与储能电容C的电压 一 致，太阳能电池板的输出功率也 暂时不变。此时逆变器的输出功率大于输入功率，储能电容C放电， 太阳能电池板的输出电压减小，太阳能电池板的输出功率发生变化。 将此时太阳能电池板的输出功率与调节前的输出功率进行比较，如果输出功率增加，则表明输出功率随着输出电压的减小而增加，工作点 位于最大功率点的右边，调节方向正确，可继续增加并网电流。若太 阳能电池板的输出功率较调节前的小，则表明输出功率随着输出电压 的减小而减小，工作点位于最大功率点的左边，调节方向错误，此时 太阳能电池板的输出功率比调节前小，而逆变器的输出功率却比调节 前大，这是储能电容C放电引起的，因此需减小并网电流。(2)当 减小逆变器的输出功率(即减小并网电流)时，瞬态下储能电容C的 电压不变，太阳能电池板的输出电压暂时不变，太阳能电池板的输出 功率也暂时不变。此时逆变器输出功率小于逆变器输入功率，储能电 容C充电，电池板的输出电压增大，将此时电池板的输出功率与调节 前的输出功率比较，如果增加，则表明电池板输出功率随着输出电压 的增大而增加，工作点位于最大功率点的左边，调节方向正确，继续 减小并网电流，此时逆变器的输出功率比调节前小，.而太阳能电池板 的输出功率却比调节前大，这是因为电容充电引起的。如果太阳能电 池板的输出功率较调节前的输出功率小，贝Ij表明输出功率随着输出电 压的增大而减小，工作点位于最大功率点的右边，调节方向错误，需 增大并网电流。如此反复不停的调节，可以使太阳能电池板输出在最 大功率点。
权利要求1.一种用于光伏并网发电的三相四桥臂逆变器，其输入端与光伏阵列相连，输出端与三相电网相连，包括三个并联的桥臂(a、b、c)，每个桥臂包括串联的两开关管(S1、S4/S3、S6/S5、S2)，串联在一起的两开关管的连接点为各桥臂的输出端，其特征在于该逆变器还包括有与所述三个桥臂(a、b、c)的两端并联的中性桥臂(n)，所述中性桥臂包括串联的两开关管(S7、S8)，所述两开关管(S7、S8)的连接点构成中性桥臂的输出端，中性桥臂的输出端与三相电网的中性线相连。
2. 根据权利要求1所述的三相四桥臂逆变器，其特征在于该三 相四桥臂逆变器还包括有三个滤波电感(La、 Lb、 L。)和中性线滤波 电感(L,,),所述三个滤波电感(La、 U、 分别接于三个桥臂(a、 b、 c)的输出端和三相电网的输入端之间，所述中性线滤波电感(L ) 接在中性桥臂(n)的输出端与三相电网的中性线之间。
3. 根据权利要求1所述的三相四桥臂逆变器，其特征在于该三 相四桥臂逆变器还包括有储能电容(C)，所述储能电容(C)并联于 三个桥臂(a、 b、 c)的输入端。
4. 根据权利要求3所述的三相四桥臂逆变器，其特征在于在光 伏阵列和储能电容(C)之间还串联有防反冲二极管(D)。
5. —种光伏并网发电系统，包括光伏并网逆变器，其特征在于 所述光伏并网逆变器采用权利要求l一4之一所述的三相四桥臂逆变 器。
6. 根据权利要求5所述的光伏并网发电系统，其特征在于该光 伏并网发电系统还包括有控制器(7)、用于测量光伏阵列输出电压和电流的直流采样及调理电路(1)、用于测量三相四桥臂逆变器输 出电流的交流电流采样及调理电路(2)、对三相电网频率和相位进 行检测的过零检测电路(4)、用于测量三相电网电压的交流电压采样及调理电路(3)、以及三相四桥臂逆变器的驱动电路(5)，所述 直流采样及调理电路(1)、交流电流采样及调理电路(2)、过零检 测电路(4)、交流电压采样及调理电路(3)分别与所述控制器(7) 的输入端相连，控制器的输出端通过驱动电路(5)与三相四桥臂逆 变器(6)相连。
7.根据权利要求6所述的光伏并网发电系统，其特征在于所述 控制器(7)采jf:U)SP TMS32〔體]2。
专利摘要一种用于光伏并网发电的三相四桥臂逆变器，其输入端与光伏阵列相连，输出端与三相电网相连，包括三个并联的桥臂(a、b、c)，每个桥臂包括串联的两开关管(S₁、S₄/S₃、S₆/S₅、S₂)，串联在一起的两开关管的连接点为各桥臂的输出端，还包括有与所述三个桥臂的两端并联的中性桥臂(n)，所述中性桥臂包括串联的两开关管(S₇、S₈)，所述两开关管(S₇、S₈)的连接点构成中性桥臂的输出端，中性桥臂的输出端与三相电网的中性线相连。一种包含有上述逆变器的光伏并网发电系统。该发电系统对电网不平衡情况有很强的适应性，并网电流谐波含量极小。
文档编号H02N6/00GK201435690SQ20092014899
公开日2010年3月31日 申请日期2009年4月28日 优先权日2009年4月28日
发明者刘伟增, 周洪伟, 阮少华 申请人:新疆新能源股份有限公司