一种宽输入和中高压交流输出的光伏逆变器的拓扑结构的制作方法

1.本发明涉及电力系统、中高压电网和、光伏发电系统技术领域，是一种宽输入和中高压交流输出的光伏逆变器的拓扑结构。


背景技术：

2.随着我国对于碳排放量重视程度的提高，可再生能源发电占我国年新增发电量份额不断上升。作为可再生能源的一种，太阳能具有储量丰富、取之不尽、用之不竭、不受地域限制等优点，被普遍认为是能够在未来对常规化石能源进行有效替代的新能源。目前降低光伏发电系统初期投入成本，提高光伏发电系统的运行效率是太阳能发电领域的重要研究方向。现在主流的光伏逆变器多采用最大功率点跟踪技术(mppt)来对与光伏组串直接相连的dc/dc变换器进行控制，实现对太阳能的充分利用，使得光伏组串能够最大限度的将太阳能转换为输出的电能。
3.现在的太阳能光伏发电站的光伏逆变器的输入电压一般在820v以内，输出电压多为270v或者315v的低压系统，如果想要提高光伏系统的输出功率，只能采用多套逆变器并联输出的形式。由于受限于功率器件的电压等级，光伏逆变器的输出电压难以提高，为了提高光伏发电的容量，只能通过逆变器并联的方式提高电流。从而造成大容量光伏发电系统在满功率甚至过载条件下运行时，逆变器中功率元件中流过的电流很大，导致过高的器件开关应力、电路损耗大、电磁干扰强，影响系统的稳定性。并且大电流等级将会给光伏发电站中开关设备和线缆的选择带来困难，增加开关设备和线缆上的投入成本。
4.为了提高光伏逆变器电压等级，在现有功率器件电压等级的限制条件直线，光伏逆变器电路拓扑往往采用单相h型全桥电路级联的方式来实现。但是单相h型全桥电路虽然结构简单，但是使用的功率器件较多，变相提高了光伏发电系统的投入成本，影响了级联式的电路拓扑在光伏发电系统中的应用。
5.并且，采用单相h型全桥电路级联的方式来提高逆变器的输出电压等级，虽然电路结构简单，控制相对容易，但是由于每个光伏组串之间的发电功率难以保持一致，造成光伏逆变器每一相发电功率不尽相同，从而容易在光伏逆变器的内部产生环流，影响光伏逆变器的运行效率和稳定性。


技术实现要素：

6.本发明为在现有的功率器件电压等级的限制条件之下，提高光伏逆变器的直流输入和交流输出的电压等级，降低电路和电缆线路上的功率损耗，提高了整套光伏系统的发电效率，本发明提供了一种宽输入和中高压交流输出的光伏逆变器的拓扑结构，本发明提供了以下技术方案：
7.一种宽输入和中高压交流输出的光伏逆变器的拓扑结构，所述结构包括：光伏组串、多路llc谐振多电平半桥电路和多级联h桥半桥多电平电路，所述光伏组串连接多路llc谐振多电平半桥电路，所述多路llc谐振多电平半桥电路连接多级联h桥半桥多电平电路，
所述多级联h桥半桥多电平电路分别连接a、b和c三相。
8.优选地，所述光伏组串包括第一光伏组串、第二光伏组串和第三光伏组串；所述多路llc谐振多电平半桥电路包括第一llc谐振多电平半桥电路、第二llc谐振多电平半桥电路和第三llc谐振多电平半桥电路；
9.所述第一llc谐振多电平半桥电路包括二极管d
1a
、电容c
1a
、电容c
2a
、二极管d
2a
、二极管d
3a
、电容c
3a
、开关管q
1a
、开关管q
2a
、开关管q
3a
、开关管q
4a
、二极管d
4a
、二极管d
5a
、二极管d
6a
、二极管d
7a
、电感l
ra
、电容c
ra、
电感l
ma
和互感线圈ta；
10.第一光伏组串一端连接二极管d
1a
的一端，所述二极管d
1a
的另一端分别连接电容c
1a
、开关管q
1a
和二极管d
4a
的一端，所述电容c
1a
的另一端分别连接电容c
2a
和电容c
ra
的一端，所述电容c
2a
的另一端分别连接第一光伏组串的另一端、开关管q
4a
和二极管d
7a
的一端；
11.所述开关管q
1a
和二极管d
4a
的另一端连接二极管d
2a
、电容c
3a
、开关管q
2a
和二极管d
5a
的一端，开关管q
2a
和二极管d
5a
的另一端分别连接电感l
ra
、开关管q
3a
和二极管d
6a
的一端，二极管d
2a
的另一端连接二极管d
3a
的一端，所述二极管d
3a
的另一端分别连接电容c
3a
开关管q
3a
、二极管d
6a
、开关管q
4a
和二极管d
7a
的另一端；所述电感l
ra
的另一端分别连接电感l
ma
和互感线圈ta的原边线圈的一端，电感l
ma
和互感线圈ta的原边线圈的另一端连接电容c
ra
的另一端。
12.优选地，所述第一llc谐振多电平半桥电路、第二llc谐振多电平半桥电路和第三llc谐振多电平半桥电路结构相同,第二光伏组串和第三光伏组串分别与第二llc谐振多电平半桥电路和第三llc谐振多电平半桥电路的连接方式，同第一光伏组串与第一llc谐振多电平半桥电路的连接方式相同。
13.优选地，所述多级联h桥半桥多电平电路包括第一级联h桥半桥多电平电路、第二级联h桥半桥多电平电路和第三级联h桥半桥多电平电路；
14.所述第一级联h桥半桥多电平电路包括：二极管d
8a
、二极管d
9a
、电容c
4a
、开关管q
5a
、开关管q
6a
、开关管q
7a
、开关管q
8a
、开关管q
9a
、开关管q
10a
、开关管q
11a
、开关管q
12a
、开关管q
13a
、开关管q
14a
、开关管q
15a
、开关管q
16a
、开关管q
17a
、开关管q
18a
、开关管q
19a
、开关管q
20a
、二极管d
10a
、二极管d
11a
、二极管d
12a
、二极管d
13a
、二极管d
14a
、二极管d
15a
、二极管d
16a
、二极管d
17a
、二极管d
18a
、二极管d
19a
、二极管d
20a
、二极管d
21a
、二极管d
22a
、二极管d
23a
、二极管d
24a
、二极管d
25a
、二极管d
26a
、二极管d
27a
、二极管d
28a
、二极管d
29a
、二极管d
30a
、二极管d
31a
、电容c
5a
和电容c
6a
；
15.互感线圈ta的副边线圈的一端连接开关管q
6a
和开关管q
7a
的一端，互感线圈ta的副边线圈的另一端连接二极管d
8a
、二极管d
9a
、电容c
6a
、二极管d
15a
、二极管d
18a
和二极管d
24a
的一端；
16.二极管d
8a
的另一端分别连接电容c
4a
、开关管q
6a
和开关管q
5a
的一端，所述电容c
4a
的另一端连接二极管d
9a
和开关管q
7a
的另一端，开关管q
7a
的另一端连接开关管q
8a
的一端；
17.所述开关管q
5a
的另一端连接开关管q
9a
、电容c
5a
、开关管q
13a
和开关管q
17a
的一端，电容c
5a
的另一端连接电容c
6a
的一端，开关管q
9a
的另一端连接开关管q
10a
和二极管d
14a
的一端，所述二极管d
14a
的另一端连接二极管d
15a
的一端，开关管q
10a
的另一端连接开关管q
11a
的一端；
18.开关管q
13a
的另一端连接二极管d
20a
和开关管q
14a
的一端，二极管d
20a
的另一端连接
二极管d
21a
的一端，开关管q
14a
的另一端连接开关管q
15a
的一端；
19.开关管q
17a
的另一端连接二极管d
26a
和开关管q
18a
的一端，二极管d
26a
另一端连接二极管d
27a
的一端，开关管q
18a
的另一端连接开关管q
19a
一端；
20.所述开关管q
8a
的另一端连接开关管q
12a
、开关管q
16a
和开关管q
20a
的一端；开关管q
12a
的另一端连接二极管d
15a
和开关管q
11a
的另一端，开关管q
16a
的另一端连接二极管d
21a
和开关管q
15a
的另一端，开关管q
20a
的另一端连接二极管d
27a
和开关管q
19a
的另一端；
21.开关管q
10a
的另一端连接a相电感la。
22.优选地，二极管d
10a
、二极管d
11a
、二极管d
12a
、二极管d
13a
、二极管d
16a
、二极管d
17a
、二极管d
18a
、二极管d
19a
、二极管d
22a
、二极管d
23a
、二极管d
24a
、二极管d
25a
、二极管d
28a
、二极管d
29a
、二极管d
30a
和二极管d
31a
，分别是开关管q
5a
、开关管q
6a
、开关管q
7a
、开关管q
8a
、开关管q
9a
、开关管q
10a
、开关管q
11a
、开关管q
12a
、开关管q
13a
、开关管q
14a
、开关管q
15a
、开关管q
16a
、开关管q
17a
、开关管q
18a
、开关管q
19a
和开关管q
20a
的晶体管。
23.优选地，所述第一级联h桥半桥多电平电路、第二级联h桥半桥多电平电路和第三级联h桥半桥多电平电路结构连接方式相同。
24.优选地，所述第一级联h桥半桥多电平电路中的开关管q
14a
的另一端连接第二级联h桥半桥多电平电路中的开关管q
10b
的另一端；第二级联h桥半桥多电平电路中的开关管q
18b
的另一端连接第二级联h桥半桥多电平电路中的开关管q
14c
的另一端。
25.本发明具有以下有益效果：
26.本发明可以在现有的功率器件电压等级的限制条件之下，提高光伏逆变器的直流输入和交流输出的电压等级，降低电路和电缆线路上的功率损耗，提高了整套光伏系统的发电效率；减少了一半的电路中功率器件数量，降低了光伏逆变器功率器件上的投入成本；降低了直流传输电流、交流输出电流和电站线缆的截面积，减少了光伏电站开关设备和传输线缆上的成本。从而有效提高了光伏电站的运行效率，减小了光伏电站的前期投入成本。并且采用三相多电平电路级联的形式有效的实现光伏逆变器三相之间的功率平衡，提高了光伏逆变器运行的稳定性和可靠性。
27.本发明采用llc谐振多电平半桥电路有效的提高了输入侧光伏组串的输入电压范围，在使用当前光伏电站常规使用的1200v功率器件时，最高可以承受1600v的直流电压输入，有效的提高了光伏逆变器的输入电压范围。并且通过llc谐振多电平半桥电路将不稳定的光伏组串输出电压变换为稳定的直流母线电压，供给后级的多电平三相半桥电路。后级的多级联h桥半桥多电平电路将llc谐振多电平半桥电路转换出的稳定直流电压逆变成交流电压。后级的多电平三相半桥电路通过级联的方式，提高光伏逆变器的输出电压等级。在使用当前光伏电站常规使用的1200v功率器件时，最高可以实现3400v的交流电压输出。
28.由于在本专利提出的llc谐振多电平半桥电路中使用的是半桥结构的llc谐振软开关多电平电路和三相半桥多电平电路，因此相比于传统的全桥电路的光伏逆变器拓扑结构，可以节省一半的功率器件的数量，显著的减小光伏逆变器的成本。
29.并且由于a相、b相和c相三相的三相半桥多电平电路通过级联的方式连接在一起，每一相的输出的电能均是有三相的光伏组串共同提供的，从而实现了光伏逆变器三相之间的功率平衡，消除了逆变器三相输出之间由于光伏组串功率不平衡造成的环流，提高了光伏逆变器的可靠性。
30.本专利在现有的功率器件耐压等级的限制条件下，显著的提高了光伏发电系统的输入电压等级和输出电压等级，从在相同的光伏发电功率下，降低了从汇流箱到逆变器之间的直流传输电流等级，光伏逆变器的交流输出电流等级，减小了光伏电站开关设备上的成本。由于电站内线缆传输电流的降低，减小了电站线缆的截面积，从而减小了传输线缆上的成本和损耗。进而通过采用本专利方案可以显著的降低光伏发电站的前期投入成本，提高光伏发电站的发电效率。
附图说明
31.图1为宽输入和中高压交流输出的低成本光伏逆变器的拓扑结构框图。
具体实施方式
32.以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
33.具体实施例一：
34.根据图1所示，本发明提供一种宽输入和中高压交流输出的光伏逆变器的拓扑结构，所述结构包括：光伏组串、多路llc谐振多电平半桥电路和多级联h桥半桥多电平电路，所述光伏组串连接多路llc谐振多电平半桥电路，所述多路llc谐振多电平半桥电路连接多级联h桥半桥多电平电路，所述多级联h桥半桥多电平电路分别连接a、b和c三相。
35.所述光伏组串包括第一光伏组串、第二光伏组串和第三光伏组串；所述多路llc谐振多电平半桥电路包括第一llc谐振多电平半桥电路、第二llc谐振多电平半桥电路和第三llc谐振多电平半桥电路；
36.所述第一llc谐振多电平半桥电路包括二极管d
1a
、电容c
1a
、电容c
2a
、二极管d
2a
、二极管d
3a
、电容c
3a
、开关管q
1a
、开关管q
2a
、开关管q
3a
、开关管q
4a
、二极管d
4a
、二极管d
5a
、二极管d
6a
、二极管d
7a
、电感l
ra
、电容c
ra、
电感l
ma
和互感线圈ta；
37.第一光伏组串一端连接二极管d
1a
的一端，所述二极管d
1a
的另一端分别连接电容c
1a
、开关管q
1a
和二极管d
4a
的一端，所述电容c
1a
的另一端分别连接电容c
2a
和电容c
ra
的一端，所述电容c
2a
的另一端分别连接第一光伏组串的另一端、开关管q
4a
和二极管d
7a
的一端；
38.所述开关管q
1a
和二极管d
4a
的另一端连接二极管d
2a
、电容c
3a
、开关管q
2a
和二极管d
5a
的一端，开关管q
2a
和二极管d
5a
的另一端分别连接电感l
ra
、开关管q
3a
和二极管d
6a
的一端，二极管d
2a
的另一端连接二极管d
3a
的一端，所述二极管d
3a
的另一端分别连接电容c
3a
开关管q
3a
、二极管d
6a
、开关管q
4a
和二极管d
7a
的另一端；所述电感l
ra
的另一端分别连接电感l
ma
和互感线圈ta的原边线圈的一端，电感l
ma
和互感线圈ta的原边线圈的另一端连接电容c
ra
的另一端。
39.所述第一llc谐振多电平半桥电路、第二llc谐振多电平半桥电路和第三llc谐振多电平半桥电路结构相同,第二光伏组串和第三光伏组串分别与第二llc谐振多电平半桥电路和第三llc谐振多电平半桥电路的连接方式，同第一光伏组串与第一llc谐振多电平半桥电路的连接方式相同。
40.所述多级联h桥半桥多电平电路包括第一级联h桥半桥多电平电路、第二级联h桥半桥多电平电路和第三级联h桥半桥多电平电路；
41.所述第一级联h桥半桥多电平电路包括：二极管d
8a
、二极管d
9a
、电容c
4a
、开关管q
5a
、
开关管q
6a
、开关管q
7a
、开关管q
8a
、开关管q
9a
、开关管q
10a
、开关管q
11a
、开关管q
12a
、开关管q
13a
、开关管q
14a
、开关管q
15a
、开关管q
16a
、开关管q
17a
、开关管q
18a
、开关管q
19a
、开关管q
20a
、二极管d
10a
、二极管d
11a
、二极管d
12a
、二极管d
13a
、二极管d
14a
、二极管d
15a
、二极管d
16a
、二极管d
17a
、二极管d
18a
、二极管d
19a
、二极管d
20a
、二极管d
21a
、二极管d
22a
、二极管d
23a
、二极管d
24a
、二极管d
25a
、二极管d
26a
、二极管d
27a
、二极管d
28a
、二极管d
29a
、二极管d
30a
、二极管d
31a
、电容c
5a
和电容c
6a
；
42.互感线圈ta的副边线圈的一端连接开关管q
6a
和开关管q
7a
的一端，互感线圈ta的副边线圈的另一端连接二极管d
8a
、二极管d
9a
、电容c
6a
、二极管d
15a
、二极管d
18a
和二极管d
24a
的一端；
43.二极管d
8a
的另一端分别连接电容c
4a
、开关管q
6a
和开关管q
5a
的一端，所述电容c
4a
的另一端连接二极管d
9a
和开关管q
7a
的另一端，开关管q
7a
的另一端连接开关管q
8a
的一端；
44.所述开关管q
5a
的另一端连接开关管q
9a
、电容c
5a
、开关管q
13a
和开关管q
17a
的一端，电容c
5a
的另一端连接电容c
6a
的一端，开关管q
9a
的另一端连接开关管q
10a
和二极管d
14a
的一端，所述二极管d
14a
的另一端连接二极管d
15a
的一端，开关管q
10a
的另一端连接开关管q
11a
的一端；
45.开关管q
13a
的另一端连接二极管d
20a
和开关管q
14a
的一端，二极管d
20a
的另一端连接二极管d
21a
的一端，开关管q
14a
的另一端连接开关管q
15a
的一端；
46.开关管q
17a
的另一端连接二极管d
26a
和开关管q
18a
的一端，二极管d
26a
另一端连接二极管d
27a
的一端，开关管q
18a
的另一端连接开关管q
19a
一端；
47.所述开关管q
8a
的另一端连接开关管q
12a
、开关管q
16a
和开关管q
20a
的一端；开关管q
12a
的另一端连接二极管d
15a
和开关管q
11a
的另一端，开关管q
16a
的另一端连接二极管d
21a
和开关管q
15a
的另一端，开关管q
20a
的另一端连接二极管d
27a
和开关管q
19a
的另一端；
48.开关管q
10a
的另一端连接a相电感la。
49.二极管d
10a
、二极管d
11a
、二极管d
12a
、二极管d
13a
、二极管d
16a
、二极管d
17a
、二极管d
18a
、二极管d
19a
、二极管d
22a
、二极管d
23a
、二极管d
24a
、二极管d
25a
、二极管d
28a
、二极管d
29a
、二极管d
30a
和二极管d
31a
，分别是开关管q
5a
、开关管q
6a
、开关管q
7a
、开关管q
8a
、开关管q
9a
、开关管q
10a
、开关管q
11a
、开关管q
12a
、开关管q
13a
、开关管q
14a
、开关管q
15a
、开关管q
16a
、开关管q
17a
、开关管q
18a
、开关管q
19a
和开关管q
20a
的晶体管。
50.所述第一级联h桥半桥多电平电路、第二级联h桥半桥多电平电路和第三级联h桥半桥多电平电路结构连接方式相同。
51.所述第一级联h桥半桥多电平电路中的开关管q
14a
的另一端连接第二级联h桥半桥多电平电路中的开关管q
10b
的另一端；第二级联h桥半桥多电平电路中的开关管q
18b
的另一端连接第二级联h桥半桥多电平电路中的开关管q
14c
的另一端。
52.采用本电路拓扑，在目前光伏发电站常规选择使用1200v功率器件的条件下，可以实现最高1600v的光伏组串电压输入，最高3000v的交流电压等级输出。有效的提高了光伏逆变器的输入电压范围和输出电压等级。光伏逆变器的前级直接与光伏组串相连接，光伏阵列通过串并联提高光伏组串的输出电压和功率等级。光伏组串的输出电压直接与光伏逆变器相连接，
53.三组光伏组件分别与a相、b相和c相的第一桥臂相连，a相、b相和c相三相中每一相
的第一桥臂、电感l
ra
、l
ma
，电容c
ra
，llc谐振多电平半桥电路。通过llc谐振多电平半桥电路将不稳定、随着光照强度和光照角度波动的光伏电压转换成稳定的直流电压，在使用1200v功率器件下最高可以实现1600v的稳定直流电压。其中a相、b相和c相中的llc谐振多电平半桥电路并不唯一，每一相可以接多个光伏组串，每一个光伏组串接一个llc谐振多电平半桥电路，多个llc谐振多电平半桥电路的输出直流端并联与后级的三相半桥多电平电路的直流侧相连接。a相、b相和c相三相中每一相的第三桥臂、第四桥臂和第五桥臂组成三相半桥多电平电路。每一相的三相半桥多电平电路均将llc谐振多电平半桥电路转换出来的直流电变换成稳定的交流电。a相、b相和c相三相的三相半桥多电平电路通过级联的方式连接在一起，提高光伏逆变器的输出电压等级，并且每一相的输出的电能均是有三相的光伏组串共同提供的，从而实现光伏逆变器三相之间的功率平衡。其中，a相的第四桥臂与b相的第三桥臂连接在一起；a相的第五桥臂与c相的第三桥臂连接在一起；b相的第五桥臂与c相的第四桥臂连接在一起。
54.在使用1200v功率器件的条件下，最高可以实现3400v的交流电压输出，有效的提高了光伏逆变器的输出电压等级。
55.具体实施例二：
56.在光伏电站中，每一个光伏组串的输出电压最大为1500v，最大输出功率为26kw。在本专利方案提出的光伏逆变器中，每一个光伏组串接一个llc谐振多电平半桥电路进行电压变换和mppt控制，将光伏发电输出电压稳定到1500v的直流电压。每4个光伏组串和其对应的llc谐振多电平半桥电路并联在一起，接到一个三相半桥多电平电路上。三个三相半桥多电平电路级联在一起，实现3000v交流电压，300kw的交流电压的输出。
57.在本方案中，绘制出的电路拓扑中，llc谐振多电平半桥电路和三相半桥多电平电路均是采用三电平电路，实际为了进一步的提高输入和输出电压等级，可以采用五电平、七电平甚至更多电平的电路。
58.并且为了提高光伏逆变器的容量，可以采用多个光伏组串并联输入的形式，在本专利提供的示例中，每一相采用的是4个光伏串和其对应的半桥llc谐振软开关多电平变换器并联输入的形式，如果需要，可以进一步的提高光伏组串的并联输入数量。
59.以上所述仅是一种宽输入和中高压交流输出的光伏逆变器的拓扑结构的优选实施方式，一种宽输入和中高压交流输出的光伏逆变器的拓扑结构的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。