高質(zhì)量光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)dc/ac變換器控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一是DC/AC變換器，通常稱(chēng)為逆變器。在上世紀(jì) 80年代第一臺(tái)光伏發(fā)電裝置問(wèn)世時(shí)，采用的是晶閘管逆變器，但自90年代以后，光伏逆變 器已經(jīng)全部采用全控型開(kāi)關(guān)器件，二十多年來(lái)關(guān)于晶閘管在光伏逆變器的應(yīng)用研究已絕跡 于科技出版物。
[0003] 目前的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器主開(kāi)關(guān)器件根據(jù)容量的不同而分別采用功率 場(chǎng)效應(yīng)管（M0SFET)、絕緣柵雙極晶體管（IGBT)、門(mén)極關(guān)斷晶閘管（GT0)、門(mén)極換向晶閘管 (IGCT)等，控制方式采用脈寬調(diào)制（PWM)等等，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用電壓源型逆變器、電流源型逆 變器。
[0004] 目前，小于6kW的小型光伏變換器種類(lèi)比較繁雜，基本上是單相系統(tǒng)，無(wú)變壓器結(jié) 構(gòu)，不同程度的存在直流電流注入、共模電壓產(chǎn)生的漏電流、諧波較大等問(wèn)題，因而入網(wǎng)困 難。6?100kW中型光伏變換器構(gòu)成方式也具有多樣化的特點(diǎn)，既有單相系統(tǒng)也有三相系 統(tǒng)，或者是由單相組合的三相系統(tǒng)；既有無(wú)變壓器結(jié)構(gòu)，也有經(jīng)變壓器輸出的系統(tǒng)；無(wú)變壓 器結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)也存在小型光伏變換器同樣的問(wèn)題，也存在入網(wǎng)困難的問(wèn)題；經(jīng)變壓器輸出 的系統(tǒng)雖然不存在入網(wǎng)隔離的問(wèn)題，但存在效率和諧波的問(wèn)題。大于100kW的大型光伏變 換器采用電壓源型或電流源型逆變器，一般均經(jīng)變壓器輸出，雖然不存在入網(wǎng)隔離的問(wèn)題， 但亦存在效率和諧波的問(wèn)題，另一方面，由于電壓源與電流源具有固有的對(duì)偶性，所以無(wú)論 采用哪一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都會(huì)存在某些不足。
[0005] 此外，目前的系統(tǒng)還普遍存在系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、成本高、整體效率低、允許的直流輸 入電壓范圍小等問(wèn)題。
[0006] 對(duì)于光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個(gè)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，歐美等國(guó)的標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)入網(wǎng)的要求比較嚴(yán)格，對(duì)輸出變壓器的設(shè)置亦是重要限制條件。對(duì)輸出變壓器沒(méi)有嚴(yán)格 限制的國(guó)家，對(duì)入網(wǎng)實(shí)際條件的限制也基本上與經(jīng)變壓器入網(wǎng)的結(jié)果相同，故無(wú)變壓器的 結(jié)構(gòu)需要更為復(fù)雜的解決方案，這意味著不用輸出變壓器隔離的方案需要付出其它方面的 代價(jià)。因此，入網(wǎng)問(wèn)題是光伏產(chǎn)品制造商和電力部門(mén)都感到困擾的問(wèn)題。
[0007] 綜上所述，現(xiàn)存的光伏發(fā)電并網(wǎng)變換器存在不同程度的問(wèn)題，隨著光伏發(fā)電技術(shù) 的迅速發(fā)展和光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用，改善光伏發(fā)電并網(wǎng)變換器的技術(shù)方案也在不斷涌現(xiàn)， 但迄今為止還未見(jiàn)到創(chuàng)新性的研究成果出現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明研究的對(duì)象是用于光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的12脈波DC/AC變換器，這是DC/AC 變換器的典型結(jié)構(gòu)，這樣結(jié)構(gòu)的DC/AC變換器其移相變壓器繞組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，出線(xiàn)容易，而且 繞組利用率高，適合光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)各種功率的應(yīng)用，是解決并網(wǎng)隔離的良好途徑。
[0009] 本發(fā)明的目的是深入研究DC/AC變換器的變換機(jī)理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制技術(shù)，在綜 合現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種高質(zhì)量的、適合并網(wǎng)運(yùn)行的DC/AC變換器。
[0010] 本發(fā)明的要點(diǎn)是在DC/AC變換器的諧波抑制、晶閘管應(yīng)用、提高綜合效率、直流輸 入電壓電流大范圍控制、適合并網(wǎng)運(yùn)行方面取得了突破性的進(jìn)展。
[0011] 本發(fā)明高質(zhì)量光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)DC/AC變換器控制方法的特征是采取移相變壓 器并網(wǎng)連接方式，移相變壓器輸出側(cè)為Y形繞組[7]，與電網(wǎng)[8]相連接，輸入側(cè)分別為Y和 A形兩個(gè)繞組[5]和[6]，分別連接兩個(gè)完全相同的晶閘管三相變流橋[3]和[4]，形成12 脈波DC/AC變換器，多電平直流電流控制及分配單元[2]按等增量臺(tái)階形三角波多電平合 成技術(shù)，依據(jù)（1)式和（2)式的特定變換規(guī)律對(duì)三相變流橋[3]和[4]進(jìn)行電流分配和控 制，實(shí)現(xiàn)了晶閘管可控化，[32]是采用等增量臺(tái)階形三角波電流波形的多電平合成的Y三 相變流橋輸入電流波形，[33]是A三相變流橋輸入的電流波形，[34]是移相變壓器輸入側(cè) Y繞組電流波形，[35]是移相變壓器輸入側(cè)A繞組電流波形，[36]是移相變壓器輸出側(cè)得 到的合成電流波形，為接近正弦波波形，實(shí)現(xiàn)了低諧波控制，通過(guò)對(duì)Y三相變流橋和A三相 變流橋電流幅值[32]和[33]的直接控制和對(duì)等增量臺(tái)階形三角波電流的相位控制，實(shí)現(xiàn) 了功率因數(shù)可超前滯后連續(xù)調(diào)節(jié)、直流電流在〇?額定值范圍自由調(diào)控的功能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 本發(fā)明高質(zhì)量光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)DC/AC變換器控制方法的特征是采取移相變壓器 并網(wǎng)連接方式，移相變壓器輸出側(cè)為Y形繞組[7]，與電網(wǎng)[8]相連接，輸入側(cè)分別為Y和A 形兩個(gè)繞組[5]和[6]，分別連接兩個(gè)完全相同的晶閘管三相變流橋[3]和[4]，形成12脈 波DC/AC變換器，多電平直流電流控制及分配單元[2]按等增量臺(tái)階形三角波多電平合成 技術(shù)，依據(jù)（1)式和（2)式的特定變換規(guī)律對(duì)三相變流橋[3]和[4]進(jìn)行電流分配和控制， 實(shí)現(xiàn)了晶閘管可控化，[32]是采用等增量臺(tái)階形三角波電流波形的多電平合成的Y三相變 流橋輸入電流波形，[33]是A三相變流橋輸入的電流波形，[34]是移相變壓器輸入側(cè)Y繞 組電流波形，[35]是移相變壓器輸入側(cè)A繞組電流波形，[36]是移相變壓器輸出側(cè)得到的 合成電流波形，為接近正弦波波形，實(shí)現(xiàn)了低諧波控制，通過(guò)對(duì)Y三相變流橋和A三相變流 橋電流幅值[32]和[33]的直接控制和對(duì)等增量臺(tái)階形三角波電流的相位控制，實(shí)現(xiàn)了功 率因數(shù)可超前滯后連續(xù)調(diào)節(jié)、直流電流在〇?額定值范圍自由調(diào)控的功能。
式中： IBY :Y橋直流電流 IBA :A橋直流電流 Id。：太陽(yáng)能極板電流 k=l,2,…
2. 按照權(quán)利要求1所述的多電平直流電流控制及分配單元[2]完成下述功能： (1) 將直流電流均等分配為m個(gè)支路，每個(gè)支路連接到兩個(gè)可控開(kāi)關(guān)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)互補(bǔ)動(dòng) 作，構(gòu)成互補(bǔ)開(kāi)關(guān)對(duì)，分別連接到Y(jié)三相變流橋和A三相變流橋； (2) 每隔30° /m切換一個(gè)互補(bǔ)開(kāi)關(guān)對(duì)，使流入Y三相變流橋的電流增加一個(gè)支路量， 同時(shí)也使流入A三相變流橋的電流減少一個(gè)支路量，經(jīng)過(guò)m個(gè)30° /m區(qū)間，當(dāng)所有支路電 流都流入Y三相變流橋后，再使流入Y三相變流橋的電流每隔30° /m減少一個(gè)支路量， 同時(shí)也使流入A三相變流橋的電流增加一個(gè)支路量，直到流入Y三相變流橋的電流減少到 零，重復(fù)以上過(guò)程，就可以將直流電流按等增量臺(tái)階形三角波的規(guī)律分配給Y三相變流橋 和A三相變流橋。
3. 按照權(quán)利要求1所述的高質(zhì)量光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)DC/AC變換器控制方法其電流諧波 含量隨m增大而減小，變換器輸出交流電流THD與m的關(guān)系不于表1 ; 表1.THD與m的關(guān)系表
根據(jù)表1，當(dāng)m> 6時(shí)，變換器的諧波值被限制在國(guó)標(biāo)允許的范圍內(nèi)，變換器輸出側(cè)不必 設(shè)置濾波裝置即可以滿(mǎn)足入網(wǎng)要求。
4. 按照權(quán)利要求1所述的高質(zhì)量光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)DC/AC變換器控制方法按等增量 臺(tái)階形三角波電流施加給Y三相變流橋和A三相變流橋，導(dǎo)致了Y三相變流橋和A三相變 流橋內(nèi)開(kāi)關(guān)器件的電流按設(shè)定的等增量臺(tái)階形三角波電流規(guī)律變化，當(dāng)構(gòu)成Y三相變流橋 和A三相變流橋的開(kāi)關(guān)器件為晶閘管時(shí)，施加等增量臺(tái)階形三角波電流開(kāi)始時(shí)給晶閘管門(mén) 極觸發(fā)信號(hào)，晶閘管開(kāi)通，在等增量臺(tái)階形三角波電流為零期間，晶閘管電流為零被強(qiáng)迫關(guān) 斷，即晶閘管開(kāi)通受門(mén)極控制，電流為零關(guān)斷控制由等增量臺(tái)階形三角波電流提供，兩者的 結(jié)合使晶閘管可以作為全控開(kāi)關(guān)使用，晶閘管的全控化使觸發(fā)角移相范圍變?yōu)?180°? 180°，功率因數(shù)可超前、滯后連續(xù)調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為" 1"的控制，運(yùn)用軟開(kāi)關(guān)理念，在 流入Y三相變流橋的電流為零的區(qū)間內(nèi)，令Y三相變流橋的晶閘管換相，在流入A三相變流 橋的電流為零的區(qū)間，令A(yù)二相變流橋的晶閘管換相，Y二相變流橋和A二相變流橋的晶閘 管在電流為零的條件下?lián)Q相，晶閘管在電流為零時(shí)關(guān)斷，在電壓為零時(shí)開(kāi)通，無(wú)開(kāi)關(guān)損耗， 晶閘管工作頻率50Hz，開(kāi)關(guān)頻率低，因而總效率高。
5. 按照權(quán)利要求1所述的高質(zhì)量光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)DC/AC變換器控制方法直流電流的 控制由多電平直流電流控制及分配單元[2]實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)三相變流橋[32]和[33]電流 的幅值，可對(duì)直流電流進(jìn)行〇?額定值的大范圍調(diào)節(jié)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明高質(zhì)量光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)DC/AC變換器控制方法屬于光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)，目的是研發(fā)一種高質(zhì)量的、適合并網(wǎng)運(yùn)行的DC/AC變換器，其特征采取移相變壓器并網(wǎng)連接方式，依據(jù)(1)式和(2)式的特定變換規(guī)律對(duì)三相變流橋[3]和[4]進(jìn)行電流分配和控制，實(shí)現(xiàn)了晶閘管可控化，采用等增量臺(tái)階形三角波電流波形的多電平合成技術(shù)，在移相變壓器輸出側(cè)得到接近正弦波的電流波形，實(shí)現(xiàn)了低諧波控制、功率因數(shù)可超前滯后連續(xù)調(diào)節(jié)、直流電流在0～額定值范圍自由調(diào)控的功能，適合應(yīng)用于各種容量的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。
【IPC分類(lèi)】H02M1-12, H02M7-515, H02M1-42, H02J3-38
【公開(kāi)號(hào)】CN104578873
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310479836
【發(fā)明人】高毅夫, 陳琳琳, 劉昆
【申請(qǐng)人】高毅夫
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2013年10月15日