多相光伏逆变器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多相光伏逆变器，该多相光伏逆变器包括直流断路器、DC/DC变换器、五相逆变桥、多相滤波器以及交流断路器，其中，该直流断路器的输出端与该DC/DC变换器的输入端电连接，该DC/DC变换器的输出端与该五相逆变桥的输入端电连接，该多相逆变桥的输出端与该多相滤波器电连接，以及该多相滤波器与该交流断路器电连接。本实用新型的多相光伏逆变器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】
多相光伏逆变器
技术领域
[0001] 本实用新型设及光伏发电领域，具体设及一种多相光伏逆变器。
【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。由于光伏产业的规模化发展，因此=相光伏逆变器容量小、转换效率低等 缺陷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=相供电相数的限制，多相系统(相数多于=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。
[0003] 因此，现有的=相光伏逆变器具有W下缺陷：
[0004] 第一，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；
[0005] 第二，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】
[0006] 本实用新型的目的是提供一种多相光伏逆变器，从而解决现有的=相光伏逆变器 将直流电转换为工频交流电时，谐波含量高，转换效率低，W及=相光伏逆变器的容量小， 不适于大规模、大容量的光伏阵列的问题。
[0007] 为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，提供了一种多相光伏逆变器，所 述多相光伏逆变器包括直流断路器、DC/DC变换器、多相逆变桥、多相滤波器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 的输出端与所述多相逆变桥的输入端电连接，所述多相逆变桥的输出端与所述多相滤波器 电连接，W及所述多相滤波器与所述交流断路器电连接。
[000引较佳地，所述多相逆变桥为五相逆变桥，所述多相滤波器为五相滤波器，W及所述 多相光伏逆变器还包括SPWM模块、PMU模块、MPPT模块W及计算模块，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，所述MPPT 模块通过信号线与所述PMU模块连接，W及所述计算模块与所述MPPT模块电连接；
[0009] 运行时，所述MPPT模块通过控制DC/DC模块中IGBT管的通断来实现所述多相光伏 逆变器最大功率点的跟踪，所述PMU模块发送指令给所述SPWM模块，所述SPWM模块通过控制 所述五相逆变桥的IGBT管通断，从而得到期望的电压信号。
[0010] 较佳地，所述多相光伏逆变器具有1/4工作方式和2/3工作方式;其中
[0011] 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
[0012] 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=相导通，或所述五相逆变桥的上桥臂有=相导通，下桥臂有两相导通。
[0013] 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，W及下桥臂 导通的相相邻。
[0014] 较佳地，所述PMU模块和SPWM模块与电源电连接。
[0015] 较佳地，所述SPWM模块设有执行W下过程的电路：
[0016] ( 1 )建立多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 = O表示上开关关断、下开关导通，其中k = a，b， c，d，或e;
[0017 ] (2)建立多相光伏逆变器的极电压方程:化日=S山d-Ud/2;
[0018] (3)建立多相光伏逆变器的电压矢量方程：
[0019] (4)求出多相光伏逆变器的32个电压矢量，该32个电压矢量包括大矢量化i，i为 且《10的整数，中矢量1^〇为>1且《10的整数，小矢量Usn，n为且《10的整数，W及两 个零矢量Uo,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；
[0020] (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。 （6)求出电压UL(k+l)、UMk、UM(k+2瓜及Uo的作用时间。
[0022] 较佳地，所述多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。
[0023] 较佳地，所述多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 所述多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多相滤 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。
[0024] 根据本实用新型的另一方面，还提供了一种上述多相光伏逆变器的控制方法，所 述方法包括W下步骤：
[0025] (1)控制所述DC/DC模块中的IGBT管的通断来实现所述多相光伏逆变器最大功率 点的跟踪；
[00%] ( 2 )建立多相光伏逆变器的开关方程:S = [ Sa，Sb，Sc，Sd，Se]，其中，孔二1表示光伏 逆变器a相桥臂上开关导通，下开关关断；Sa = O表示上开关关断，下开关导通，k = a、b、c、d 或e;
[0027] (3)建立多相光伏逆变器的极电压方程:化日=S山d-Ud/2;
[00%] (4)建立多相光伏逆变器的电压矢量方程：
[0029] (5)求出多相光伏逆变器的32个电压矢量，该32个电压矢量包括大矢量化i，i为 且《10的整数，中矢量齡^'为且《10的整数，小矢量Usn，n为且《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W及一个零矢量；
[0030] (6)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川 （7)求出电压UL(k+l)、UMk、UM(k+2瓜及Uo的作用时间。
[00创较佳地，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：
[0033] 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：
[0034]
[0035] 从而求出 和 To。
[0036] 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 UMko
[0037] 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UMs(O1000 )一UL2( 11000)一UMi(1000 O)。
[0038] 本实用新型的多相光伏逆变器具备如下优点：
[0039] (1)多相控制系统比传统S相系统的调制指数大，因此多相光伏逆变器的线性调 制范围更大，直流电源利用率更高；
[0040] (2)多相光伏逆变器输出电压及电流中的谐波分量降低；
[0041] (3)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】
[0042] 图1是本实用新型多相光伏逆变器的拓扑结构图；
[0043] 图2是本实用新型多相光伏逆变器的另一拓扑结构图；
[0044] 图3是本实用新型多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
[0045] 图4是通过本实用新型的多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】
[0046] 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。
[0047] 术语说明
[0048] 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。
[0049] 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
[0050] 逆变桥:采用全桥结构，将直流电转换成工频交流电。
[0051] 图I为本实用新型的多相光伏逆变器的拓扑结构图。如图I所示，本实用新型的多 相光伏逆变器通常包括直流断路器l〇A、DC/DC变换器20、多相逆变桥30A、多相滤波器40AW 及交流断路器50A，其中，直流断路器IOA的输出端与DC/DC变换器20的输入端电连接，DC/DC 变换器1OA的输出端与多相逆变桥30A的输入端电连接，多相逆变桥30A的输出端与多相滤 波器40A电连接，W及多相滤波器40A与交流断路器50A电连接，其中DC/DC变换器20用于实 现对光伏阵列输出电压的提高。
[0052] 在本实用新型的一实施例中，多相光伏逆变器还包括SPWM模块60和PMU模块70，其 中SPWM模块60通过控制线与多相逆变桥30A连接，PMU模块70通过信号线与SPWM模块60连 接，运行时，PMU模块70发送指令给SPWM模块60，SPWM模块60通过控制多相逆变桥30A的IGBT 管通断，从而得到期望的电压信号。
[0053] 在本实用新型的另一实施例中，多相光伏逆变器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。
[0054] 在本实用新型的另一实施例中，多相光伏逆变器100还包括交流EMC滤波器，交流 EMC滤波器设置于五相滤波器30和交流断路器40之间，交流EMC滤波器的输入端与多相滤 波器30的输出端电连接，交流EMC滤波器的输出端与交流断路器30的输入端电连接，交流 EMC滤波器实现滤除电磁谐波的作用。
[0055] 本实用新型的多相光伏逆变器的相数可W是大于=相的任意相，比如4相、5相、6 相、7相等。为了简便起见，下文W五相光伏逆变器为例来进行说明。
[0056] 图2为本实用新型的五相光伏逆变器的拓扑结构图。如图2所示，五相光伏逆变器 100包括直流断路器l〇、DC/DC变换器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变换器20的输入端电连接，DC/DC变换器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电连接，W及五 相滤波器40与交流断路器50电连接，其中DC/DC变换器用于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)。
[0057] 五相逆变桥的20包括10个IGBT开关管:Si~Sio,五相滤波器30采用化C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。
[0化引如图2所示，本实用新型的五相光伏逆变器100还包括SPWM模块60、PMU模块70、 MPPT模块80 W及计算模块90,其中SPWM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SPWM模块60能够控制IGBT管Si~Sio的导通和断开，PMU模 块70通过信号线71与SPWM模块60连接，从而可W向SPWM模块60发送指令。
[0059] 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。
[0060] MPPT模块80-方面通过控制线81与DC/DC变换器的IGBT管连接，另一方面通过信 号线82与PMU模块电连接，此外，MPPT模块80还与计算模块90信号连通。
[OOW] 在图2中，Udc是DC/DC模块20的电容电压，加是电压变化量，Udc+加是变化后的电压 量。
[00创运行时，Udc+加的值通过信号线传递到MPPT模块80，MPPT模块80调整IGBT管的占空 比完成功率点的跟踪，其中，当调整后的功率与调整前的功率差值A P〉0时，下一步的电压 调整仍为增步长调整，而当调整后的功率与调整前的功率差值A P<0时，下一步的电压调 整仍为减步长调整。增步长调整指的是将功率调大，减步长调整指的是将功率调小。
[0063] 本实用新型通过MPPT模块最大功率点跟踪，从而实现光伏系统中太阳电池始终输 出最大功率。
[0064] 在MPPT模块80实现最大功率点跟踪的同时，SPmi模块60和PMU模块70实现五相光 伏逆变器输出电压的控制。具体为当载波信号传至SPWM模块60时，SPWM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SPmi模块60，SPmi模块60执行计算比 较功能，并通过控制线控制多相逆变桥20的10个IGBT管管Si~Sio的通断，从而得到期望的 电压信号。
[0065] 本实用新型的多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W五相光伏逆变器为例具体介绍本实用新型多相光伏逆变器 的控制方法。该控制方法通过SPWM模块和PMU模块来实现。
[0066] 设多相逆变器的开关函数为
[0067] S=[Sa，Sb，...，Sn] (1)
[0068] 如果Sa=I,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;如果Sa = O,则a相桥臂上开关关断，下开关导通，输出极电压 为-Ud/2，其他各开关函数与之相同。
[0069] 此时，多相逆变器输出极电压用开关函数表示为
[0070] uk〇 = SWd-Ud/2 (2)
[0071] 多相光伏逆变器输出线电压可W表示为
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] 因此，电压空间矢量方程为
[0076]
[0077]
[007引
[0079]根据上述定义，经过计算可W共得到2"个电压矢量。其中，运些矢量依据不同幅值 分成不同组别，另外还包括0矢量。不同幅值的有效矢量对应着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2/3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=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2/3工作方式由于其上桥臂 (或下桥臂）同时导通的S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。
[0080]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。
[0081 ] 下面W第一个扇区为例来进行说明，选择UMi(10000)、UL2(11000)、UM3(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 (10000)一UL2 (11000)一UMs(O1000 )一Uo(OOOOO)一UMs(O1000 )一UL2( 11000)一UMi(1000 O)。
[0082] 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：
[0083]
[0084] 根据式（1)，可W得到时间变量化(k+i)、T(M+2)k、TMk和To的值，其中，该方式下的PWM波 形见图4。
[0085] 通过W上的分析可知，本实用新型的本实用新型多相光伏逆变器的控制方法主要 包括W下步骤：
[0086] (1)建立多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 = O表示上开关关断，下开关导通，k = a、b、c、d 或e;
[0087] (2)建立多相光伏逆变器的极电压方程:化日=S山d-Ud/2;
[00881 活fr笔姑弈仲诚亦毀的由店告县市稍.
[0089] (4)求出多相光伏逆变器的32个电压矢量。
[0090] 图3是根据本实用新型的多相光伏逆变器控制方法得到的第一扇区的PWM波形图。 如图3所不，该32个电压矢量包括大矢量化i，i为> 1且《10的整数，中矢量UMj, j为>1且《 10的整数，小矢量化n(图未示），n为且《10的整数，W及两个零矢量Uo,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；
[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 ;
[OOW] (6)求出电压UL(k+l)、UMk、UM(k+2瓜及Uo的作用时间：
[0093]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：
[0094；
[009引从而求出化化+1)、T(M+2)k、TMk和To。
[0096] 本实用新型的多相光伏逆变器具有W下优点：
[0097] (1)多相控制系统比传统S相系统的调制指数大，因此多相光伏逆变器的线性调 制范围更大，直流电源利用率更高；
[0098] (2)多相光伏逆变器输出电压及电流中的谐波分量降低；
[0099] (3)当多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；
[0100] (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。
[0101] 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. 一种多相光伏逆变器，其特征在于，所述多相光伏逆变器包括直流断路器、DC/DC变 换器、多相逆变桥、多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多相逆变桥的输入端电连接， 所述多相逆变桥的输出端与所述多相滤波器电连接，以及所述多相滤波器与所述交流断路 器电连接。2. 根据权利要求1所述的多相光伏逆变器，其特征在于，所述多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。3. 根据权利要求1所述的多相光伏逆变器，其特征在于，所述多相光伏逆变器还包括交 流EMC滤波器，所述交流EMC滤波器设置于所述多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多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】H02M1/32GK205681327SQ201620228675
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年3月23日 公开号201620228675.6, CN 201620228675, CN 205681327 U, CN 205681327U, CN-U-205681327, CN201620228675, CN201620228675.6, CN205681327 U, CN205681327U
【发明人】王振中, 刘志刚, 胡益, 闫飞朝, 孙东海, 郭剑, 洪熊祥
【申请人】中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司