基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，包括正、負直流傳輸線，還包括并聯(lián)的兩組光伏逆變器及一升壓變壓器，每組光伏逆變器包括沿直流電壓傳輸方向依次設置的Boost升壓電路、直流母線、三相橋逆變器及交流濾波器，兩組光伏逆變器的輸出端共同連接至升壓變壓器；本發(fā)明所設計的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構既能夠同時運行，也能夠單套獨立運行，加強了運行的可靠性，適用于大功率光伏逆變器，最大限度的提高光伏陣列的發(fā)電效率，拓寬了逆變器直流電壓輸入范圍，提高了光伏陣列直流電壓利用率，兩路輸出和并網(wǎng)變壓器的兩個三相繞組聯(lián)接，能夠等效提高開關頻率，并降低并網(wǎng)電流的諧波。
【專利說明】基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光伏發(fā)電領域，特別是一種基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲 結構。

【背景技術】
[0002] 太陽能作為一種可持續(xù)的清潔能源，有著巨大的開發(fā)應用潛力，我國76%的國土 光照充沛，光能資源分布較為均勻；與水電、風電、核電等相比，太陽能發(fā)電沒有任何排放和 噪聲污染，應用技術成熟，安全可靠；除大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電和離網(wǎng)應用外，太陽能還可以通過 抽水、超導、蓄電池、制氫等多種方式儲存，太陽能蓄能幾乎可以滿足中國未來穩(wěn)定的能源 需求。
[0003] 隨著世界能源格局的變更，光伏發(fā)電日益成為各國競相研究、大力發(fā)展的熱點；光 伏陣列和電網(wǎng)之間通過逆變器連接，光伏逆變器是光伏發(fā)電不可缺少的能量變換環(huán)節(jié)，其 主要作用是將光伏陣列的直流電轉換為頻率、幅值穩(wěn)定，符合電網(wǎng)要求的電能，解決了低電 壓的穿越問題，通過最大功率點追蹤技術，能夠充分的利用太陽能，進一步提高發(fā)電效率。
[0004] 現(xiàn)在光伏電站主流的光伏逆變器多為270V或315V的低壓系統(tǒng)，方陣電壓在1000V 以內(nèi)，通常以500kW為一個單元組，需要采用兩套逆變器并聯(lián)輸出到三繞變壓器；由于受到 功率器件電流等級、電站線纜投入成本的限制，逆變器的啟動電壓一般為450V或500V，難 以充分利用光伏陣列電壓；一般光伏電站采用單極式拓撲，即每路500kW的正極和負極各2 根240mm 2的電纜（以直埋土中為例）。
[0005] 單個大型光伏電站，內(nèi)有多臺逆變器，分屬于不同生產(chǎn)廠家，現(xiàn)有光伏電站的直流 系統(tǒng)拓撲大多采用單極式，以傳統(tǒng)MW級光伏逆變器系統(tǒng)拓撲為例，為了提高逆變器的功率 等級，若采用變流器并聯(lián)容易產(chǎn)生環(huán)流問題，環(huán)流在并聯(lián)的變流器之間流動，它的存在增加 了損耗，并且降低了系統(tǒng)效率，使功率器件發(fā)熱嚴重，甚至燒毀。
[0006] 目前研究中常采用兩種方式解決并聯(lián)變流器系統(tǒng)中環(huán)流問題：一是在硬件上消除 環(huán)流通道，二是采用適當?shù)目刂品椒▉硪种骗h(huán)流；通常采用硬件方式消除環(huán)流的方法為加 隔離變壓器，隔離變壓器能夠阻斷交流側的環(huán)流回路，消除環(huán)流，同時，采用不同形式的副 邊結構的隔離變壓器，可以消除特定次諧波，降低對電網(wǎng)的污染，采用適當?shù)目刂品绞揭种?環(huán)流通常會使控制和測量系統(tǒng)復雜；多套直接并聯(lián)方式中如果有一套出現(xiàn)短路故障，其它 并聯(lián)支路必須保護，從而降低了系統(tǒng)的可靠性；此外逆變器的容量較大，而交流和直流電壓 等級都較低，所需的直流或者交流傳輸電纜或母排增多，線路損耗和成本也會隨之加大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術問題是，克服現(xiàn)有技術的缺點，提供一種基于雙極式直流 傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，既能夠同時運行，也能夠單套獨立運行，加強了運行的可靠 性，適用于大功率光伏逆變器，最大限度的提高光伏陣列的發(fā)電效率，拓寬了逆變器直流電 壓輸入范圍，提高了光伏陣列直流電壓利用率，兩路輸出和并網(wǎng)變壓器的兩個三相繞組聯(lián) 接，能夠等效提1?開關頻率，并降低并網(wǎng)電流的諧波。
[0008] 為了解決以上技術問題，本發(fā)明提供一種基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓 撲結構，包括正、負直流傳輸線，還包括并聯(lián)的兩組光伏逆變器及一升壓變壓器，每組光伏 逆變器包括沿直流電壓傳輸方向依次設置的Boost升壓電路、直流母線、三相橋逆變器及 交流濾波器，兩組光伏逆變器的輸出端共同連接至升壓變壓器。
[0009] 技術效果：本發(fā)明采用雙極結構，在直流線路發(fā)生單極直流故障時，故障極不會產(chǎn) 生直流故障的過電流，不影響非故障極的正常運行，此時系統(tǒng)由正常運行模式切換到單極 運行模式；在直流線路發(fā)生雙極直流故障時，逆變器全部閉鎖，此時直流所連接的光伏陣列 與交流電網(wǎng)不再有能量交換。
[0010] 本發(fā)明進一步限定的技術方案是： 進一步的，前述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，每組光伏逆變器中 均包括一普通電容、一電感、一普通二極管、一快恢復二極管、一功率開關管、一直流支撐電 容及一放電電阻，其中； 第一光伏逆變器的具體結構為：第一 Boost升壓電路正輸入端的一頭接正直流傳輸 線，另一頭串聯(lián)有一電感且經(jīng)過該電感后分別連接一快恢復二極管的陽極及一功率開關管 的集電極，第一 Boost升壓電路負輸入端連接該功率開關管的發(fā)射極，正、負輸入端之間設 置有一充放電電容，直流母線中正、負母線的一端分別連接快恢復二極管的陰極及功率開 關管的發(fā)射極，一直流支撐電容及一放電電阻并聯(lián)設置在正、負母線之間，正、負母線的另 一端接三相橋逆變器，旁路二極管的陽極接光伏陣列的正極且陰極接快恢復二極管的陰 極； 第二光伏逆變器的具體結構為：第二Boost升壓電路正輸入端串聯(lián)有一電感且經(jīng)過該 電感后分別連接一快恢復二極管的陽極及一功率開關管的集電極，第二Boost升壓電路負 輸入端一頭連接負直流傳輸線，另一頭連接功率開關管的發(fā)射極，正、負輸入端之間設置有 一充放電電容，直流母線中正、負母線的一端分別連接快恢復二極管的陰極及功率開關管 的發(fā)射極，一直流支撐電容及一放電電阻并聯(lián)設置在正、負母線之間，正、負母線的另一端 接三相橋逆變器，旁路二極管的陽極接光伏陣列的正極且陰極接快恢復二極管的陰極； 第一 Boost升壓電路的負輸入端與第二Boost升壓電路的正輸入端共同接地。
[0011] 前述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，交流濾波器為LC型濾波 器，其三條線路上各串聯(lián)一電感作為輸入端，其輸出端上，三條線路中的任意兩條分別串聯(lián) 一電容。
[0012] 前述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，交流濾波器為LC型濾波 器，其三條線路上各串聯(lián)一電感作為輸入端，其輸出端上，三條線路分別各連接一電容的一 端，三個電容的另一端連在一起。
[0013] 前述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，交流濾波器為LCL型濾波 器，其三條線路上各串聯(lián)有兩個電感，即分別作為輸入端和輸出端，位于輸入、輸出端之間 的三條線路中的任意兩條分別分別串聯(lián)一電容。
[0014] 前述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，交流濾波器為LCL型濾波 器，其三條線路上各串聯(lián)有兩個電感，即分別作為輸入端和輸出端，位于輸入、輸出端之間 的三條線路分別各連接一電容的一端，三個電容的另一端連在一起。
[0015] 前述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，升壓變壓器為三相三繞組 并網(wǎng)變壓器。
[0016] 技術效果：每路光伏逆變器前級增加 Boost并聯(lián)二極管電路，拓寬了逆變器直流 電壓輸入范圍，提高了光伏陣列直流電壓利用率；逆變器的兩路輸出和并網(wǎng)變壓器的兩個 三相繞組聯(lián)接，通過PWM移相控制策略，能夠等效提高開關頻率，并降低并網(wǎng)電流的諧波。
[0017] 本發(fā)明還設計了一種基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構的應用方法， 選取兩個光伏陣列，具體操作類型如下： (1) 將第一光伏陣列的負極與第二光伏陣列的正極共同接地，第一 Boost升壓電路的 負輸入端與第二Boost升壓電路的正輸入端共同接地，即第一、第二光伏陣列及第一、第二 Boost升壓電路分別串聯(lián)接地； (2) 將第一光伏陣列的負極、第二光伏陣列的正極、第一 Boost升壓電路的負輸入端及 第二Boost升壓電路的正輸入端用電纜相互連接，則只需將第一、第二光伏陣列串聯(lián)接地 或僅將第一、第二Boost升壓電路串聯(lián)接地。
[0018] 有益效果：本發(fā)明中逆變器為雙極性結構，光伏陣列直流回路通過中點串聯(lián)且接 地，逆變器的直流回路通過串聯(lián)；如果光伏陣列和逆變器之間沒有電纜連接，則逆變器串聯(lián) 接地，如果有電纜連接，則逆變器無需接地，從而無需提高光伏陣列、逆變器及整個系統(tǒng)的 絕緣電壓等級，直流回路電壓為土Ud ; 本發(fā)明中兩個串聯(lián)直流中點之間可以采用電纜連接或者不用電纜連接，有電纜連接 時，單極運行時沒有地電流，不會引起地電位的變化，沒有電纜連接時，單極運行時有地電 流產(chǎn)生； 本發(fā)明中逆變器采用兩路逆變回路組成時，增大了逆變?nèi)萘?，而且上下兩組并聯(lián)的回 路可以互為冗余，一個回路發(fā)生故障時，不影響其他回路正常運行； 本發(fā)明中并網(wǎng)變壓器采用三相三繞組變壓器，逆變器輸出經(jīng)濾波器后分別接原邊的兩 個繞組，經(jīng)電磁隔離后并聯(lián)輸出，從而減少了逆變器輸出直接并聯(lián)的數(shù)量，降低了環(huán)流； 當夜間光伏陣列無電壓時，本發(fā)明中第一、第二Boost升壓電路導通，即將光伏陣列的 正負短路，這樣可有效防治由于電位誘發(fā)衰減（PID)而引起的陣列輸出功率下降； 本發(fā)明采用雙極性單點接地的直流傳輸技術，相比于傳統(tǒng)的單極直流傳輸可節(jié)省25% 左右的電纜，若采用中性點兩點接地的雙極式結構，直流傳輸電纜能夠節(jié)省50%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明所設計的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構原理圖； 圖2為普通單級式光伏逆變器； 圖3為帶Boost電路的雙級式光伏逆變器； 圖4為帶旁路二極管式Boost電路的雙級光伏逆變器； 圖5為本發(fā)明中串聯(lián)點分別接地的示意圖； 圖6為本發(fā)明中串聯(lián)點電纜連接的示意圖； 圖7為本發(fā)明中串聯(lián)點電纜連接的示意圖； 圖8為本發(fā)明中LC濾波器電容星型聯(lián)結示意圖； 圖9為本發(fā)明中LC濾波器電容角型聯(lián)結示意圖； 圖10為本發(fā)明中LCL濾波器電容星型聯(lián)結示意圖； 圖11為本發(fā)明中LCL濾波器電容角型聯(lián)結示意圖； 圖12為本發(fā)明中的變壓器結構形式1 ; 圖13為本發(fā)明中的變壓器結構形式2。

【具體實施方式】
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明中+Ud側逆變器和_Ud側逆變器可分別使用不同功率等級逆 變電路的并聯(lián)，從而實現(xiàn)不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)拓撲結構，各種電路拓撲結構基本原理相似， 只是在逆變回路上有所差別，電路都由以下部分組成：串并聯(lián)使用的光伏陣列、直流傳輸線 路、光伏逆變器、交流濾波器和并網(wǎng)變壓器； 如圖2所示，逆變器為單級式光伏逆變器，根據(jù)啟動電壓的不同，可實現(xiàn)交流輸出270V 或315V或380V，此類型的逆變器效率高，能達到98. 5%以上，但不能實現(xiàn)寬范圍直流輸入以 提高光伏陣列的直流電壓利用率，所以并不是理想選擇； 如圖3所示，帶Boost升壓電路的雙級式光伏逆變器，能夠實現(xiàn)寬范圍直流輸入，提高 了光伏陣列的直流電壓利用率，根據(jù)電站需求，可輸出不同等級的交流電壓，如270V，315V 或380V。此類型的逆變器中，Boost電路中的電抗器L1和快恢復二極管D1 -直處于工作 狀態(tài)，損耗較大，逆變器整機效率較單級式有所降低，也難以達到本發(fā)明的要求； 如圖4所示，為Boost-旁路二極管的雙級式光伏逆變器，當陣列電壓較高時Boost切 出運行，由二極管進行旁路，此結構不僅能夠實現(xiàn)寬范圍直流輸入，提高了光伏陣列的直流 電壓利用率，而且降低了高輸入電壓時的系統(tǒng)損耗，高電壓時逆變器的整機效率與單級式 逆變器一樣高；低電壓時能夠持續(xù)并網(wǎng)發(fā)電，大大提高電站的經(jīng)濟效益。
[0021] 本發(fā)明所設計的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構中，光伏陣列經(jīng)過 串并聯(lián)后形成兩組，兩組間串聯(lián)使用，串聯(lián)節(jié)點G1接地，輸出母線直流電壓正負兩極；光 伏逆變器將陣列輸出的雙極性直流電壓逆變成兩路三相交流電壓，該部分包括兩路逆變回 路，每個逆變回路由直流電容、直流濾波器、Boost升壓器、PWM逆變器、交流濾波器組成；逆 變器的直流側串中性點G2接地，交流側通過濾波器輸出兩路三相電流，接三繞組并網(wǎng)變壓 器原邊的兩個繞組。并網(wǎng)變壓器將逆變出的三相交流電壓升壓到10kV或35kV并入大電 網(wǎng)； 逆變器直流側為雙極性結構，光伏陣列直流回路通過G1點串聯(lián)，且G1點接地，逆變器 的直流回路通過G2點串聯(lián)，如果G1點和G2之間沒有電纜連接，則G2點接地，如圖5所示； 如果有電纜連接，則G2點無需接地，如圖6和圖7所示；從而無需提高光伏陣列、逆變器及 整個系統(tǒng)的絕緣電壓等級，直流回路電壓為土Ud。
[0022] 兩種拓撲結構形式中，交流濾波器的方案圖如圖8至圖11所示，該濾波器可以采 用LC結構濾波，也可以采用LCL結構濾波，兩種濾波電路結構中，電容C都能夠角型連接或 星型連接；并網(wǎng)變壓器低壓側采用雙繞組，接逆變器輸出的兩路三相交流電壓，如圖12和 圖13,變壓器能夠采用Y，Y，d接線方式，也能夠采用D，D，y接線方式。
[0023] 以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是 按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍 之內(nèi)。
【權利要求】
1. 一種基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，包括正、負直流傳輸線，其特征 在于，還包括并聯(lián)的兩組光伏逆變器及一升壓變壓器，每組光伏逆變器包括沿直流電壓傳 輸方向依次設置的Boost升壓電路、直流母線、三相橋逆變器及交流濾波器，兩組光伏逆變 器的輸出端共同連接至升壓變壓器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，其特征在 于，每組光伏逆變器中均包括一普通電容、一電感、一普通二極管、一快恢復二極管、一功率 開關管、一直流支撐電容及一放電電阻，其中； 第一光伏逆變器的具體結構為：第一 Boost升壓電路正輸入端的一頭接正直流傳輸 線，另一頭串聯(lián)有一電感且經(jīng)過該電感后分別連接一快恢復二極管的陽極及一功率開關管 的集電極，第一 Boost升壓電路負輸入端連接該功率開關管的發(fā)射極，正、負輸入端之間設 置有一充放電電容，所述直流母線中正、負母線的一端分別連接所述快恢復二極管的陰極 及功率開關管的發(fā)射極，一直流支撐電容及一放電電阻并聯(lián)設置在正、負母線之間，所述 正、負母線的另一端接三相橋逆變器，所述旁路二極管的陽極接光伏陣列的正極且陰極接 所述快恢復二極管的陰極； 第二光伏逆變器的具體結構為：第二Boost升壓電路正輸入端串聯(lián)有一電感且經(jīng)過該 電感后分別連接一快恢復二極管的陽極及一功率開關管的集電極，第二Boost升壓電路負 輸入端一頭連接負直流傳輸線，另一頭連接功率開關管的發(fā)射極，正、負輸入端之間設置有 一充放電電容，所述直流母線中正、負母線的一端分別連接所述快恢復二極管的陰極及功 率開關管的發(fā)射極，一直流支撐電容及一放電電阻并聯(lián)設置在正、負母線之間，所述正、負 母線的另一端接三相橋逆變器，所述旁路二極管的陽極接光伏陣列的正極且陰極接所述快 恢復二極管的陰極； 第一 Boost升壓電路的負輸入端與第二Boost升壓電路的正輸入端共同接地。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，其特征 在于，所述交流濾波器為LC型濾波器，其三條線路上各串聯(lián)一電感作為輸入端，其輸出端 上，三條線路中的任意兩條分別串聯(lián)一電容。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，其特征 在于，所述交流濾波器為LC型濾波器，其三條線路上各串聯(lián)一電感作為輸入端，其輸出端 上，三條線路分別各連接一電容的一端，三個電容的另一端連在一起。
5. 根據(jù)權利要求1或2所述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，其特征 在于，所述交流濾波器為LCL型濾波器，其三條線路上各串聯(lián)有兩個電感，即分別作為輸入 端和輸出端，位于輸入、輸出端之間的三條線路中的任意兩條分別串聯(lián)一電容。
6. 根據(jù)權利要求1或2所述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，其特征 在于，所述交流濾波器為LCL型濾波器，其三條線路上各串聯(lián)有兩個電感，即分別作為輸入 端和輸出端，位于輸入、輸出端之間的三條線路分別各連接一電容的一端，三個電容的另一 端連在一起。
7. 根據(jù)權利要求1所述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)拓撲結構，其特征在 于，所述升壓變壓器為三相三繞組并網(wǎng)變壓器。
8. 基于權利要求2至7中任意一項權利要求所述的基于雙極式直流傳輸?shù)墓夥娬鞠?統(tǒng)拓撲結構的應用方法，其特征在于，選取兩個光伏陣列，具體操作類型如下： (1) 將第一光伏陣列的負極與第二光伏陣列的正極共同接地，第一 Boost升壓電路的 負輸入端與第二Boost升壓電路的正輸入端共同接地，即第一、第二光伏陣列及第一、第二 Boost升壓電路分別串聯(lián)接地； (2) 將第一光伏陣列的負極、第二光伏陣列的正極、第一 Boost升壓電路的負輸入端及 第二Boost升壓電路的正輸入端用電纜相互連接，則只需將第一、第二光伏陣列串聯(lián)接地 或僅將第一、第二Boost升壓電路串聯(lián)接地。
【文檔編號】H02M1/12GK104218609SQ201410485785
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月22日 優(yōu)先權日:2014年9月22日
【發(fā)明者】周細文, 周金博, 張偉 申請人:周細文