[发明专利]一种模块化三相光伏逆变器及其拓扑系统

说明书

本发明公开了一种模块化三相光伏逆变器及其拓扑系统，属于电力电子电能变换技术领域。本发明的模块单元包括：前级多端口隔离型DC/DC变换器和后级3个独立H桥逆变器。前级DC/DC变换器采用多绕组高频变压器进行隔离，有三个整流输出端，后级3个H桥逆变器分别连接到DC/DC变换器的三个整流输出端，组成3个输出H桥。多个模块单元的3个输出H桥通过级联方式连接到三相电网，组成完整的光伏发电系统。通过模块化级联，提高了等效开关频率，使得各模块单元的输出滤波电感大大减小，而且该拓扑可以通过控制模块内部的相间功率分配，从而避免由于各光伏模块发电不均导致的逆变器相间功率不平衡的现象，使得控制系统的设计更加简单。

技术领域

本发明涉及一种新型模块化拓扑结构，特别涉及一种用于三相光伏发电系统的三相级联H桥逆变器直流侧电压波动抑制的模块化拓扑结构，属于电力电子电能变换技术领域。

背景技术

随着全球应对气候变化要求日益提升及能源短缺、能源供给安全形势日趋严峻，以分布式可再生能源和微电网为重点的多元电力供应系统将逐渐改变传统配电网的形态。光伏发电由于清洁、可再生、无噪声污染等优点而广受关注，无论是光伏集中发电并网还是分布式发电并网，光伏逆变器都是这些光伏发电系统中不可缺少的核心部件，它将太阳能电池产生的直流电通过电力电子变换技术转换为能够直接并入交流电网或负载的交流能量。

光伏发电系统根据配置的不同，主要有3种，中央集中型，如图1a所示,串联型，如图1b所示和微逆变器型，如图1c所示。中央集中型也称电站型，为得到足够高的电压，很多光伏板要被串并联在一起接到中央逆变器，这种配置结构尽管很简单，但是部分阴影遮挡、灰尘和光伏板之间的失配会导致发电量严重下降，一个光伏板出现故障，会导致整个系统受影响；在串联型配置结构中，每一个光伏板串都接到一个单独的逆变器，也就是串逆变器，串逆变器可以对每一个光伏板串进行最大功率跟踪，一个光伏板有阴影遮挡或者故障不会导致整个系统不能发电，但是无法对每一个光伏板进行最大功率跟踪，不能最优化系统能量产出；光伏微逆变器型的配置结构中，微逆变器安装在每一块光伏板背面，对每一块电池板进行最大功率跟踪，系统总体效率更高，但是微逆变器由于功率较小，通常接入到单相交流电网，因而不可避免地需要较大的储能电容进行交直流功率解耦，同时逆变器需要较大的滤波电感提高输出电流质量。

级联型H桥多电平逆变器拓扑可以采用低耐压半导体器件实现高压变换，输出电压多电平，电压变化率小，电磁干扰小，同时提高了等效开关频率，提升输出电压电流质量，因此，在中高压大容量光伏逆变器系统中应用较为广泛。级联型H桥逆变拓扑的各模块直流侧相互独立，在三相结构中，每相都由多个单相H桥逆变器级联而成。在光伏并网逆变系统中，传输至电网的有功功率会含有2倍工频的功率脉动，而光伏组件通常采用MPPT算法，控制输出为恒定的最大功率，这会导致逆变器的直流侧与交流侧之间的瞬时功率会存在不平衡，有功功率的2倍频脉动会导致各H桥模块直流侧电压出现2倍频电压波动。

为了解决这一问题，通常会在级联型H桥逆变器的直流侧并联较大容量的电解电容进行功率解耦，吸收2倍频波动能量，平缓逆变器输入电压，平衡逆变器的瞬时输入、输出功率，而且所需储能电容容量无法通过提高开关频率来减小。较大容量电容，使逆变器体积较大，不利于逆变系统的小型化、轻型化，而且电解电容的寿命有限，远远低于光伏组件的寿命要求，进而也会影响整个光伏并网系统的使用寿命。

综上所述，现有技术的主要问题是：微逆变器通常需要容量体积较大的电解电容进行交直流功率解耦，输出滤波电感较大，成本较高，也无法适应中高压应用场景；中央逆变器和串逆变器无法对每个光伏板进行最大功率跟踪，系统效率较低，常用的级联型H桥逆变器拓扑，每个H桥逆变模块单元输入直流、输出单相交流，因而同样不可避免地存在着需要较大容量储能电解电容进行交直流功率解耦的问题，影响光伏发电系统的寿命和可靠性。