大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置及控制方法制造方法及圖紙

本發明專利技術提出一種適合于光伏電站直流輸電的大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置及其控制方法，所述大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置包括N路光伏發電單元以及與之對應的N路boost變換單元、大功率三相方波逆變器、模塊化高頻三相升壓變壓器單元和模塊化三相二極管整流橋單元。該變流器裝置調制采用開環方波PAM(脈沖幅值調制)，通過光伏發電單元與boost變換單元進行脈沖幅值的控制，控制簡單高效。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種光伏發電設備直流匯聚的電力電子設備，具體為一種大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置及控制方法。
技術介紹
2015年底，我國光伏裝機容量達4318萬千瓦，居世界第一，其中75％為分布在“三北”地區的集中式光伏。預計2020年我國光伏總容量將超過1.5億千瓦，受太陽能和土地資源約束，2/3以上的光伏將在“三北”地區集中開發、遠距離輸送。“十三五”期間，光伏電站容量將繼續向大型化方向發展。單個光伏電站容量將達到GW級，包含500kW逆變器2000臺、35kV交流電纜近200公里。大量逆變器與長距離電纜相互耦合，電壓越限和寬頻域振蕩問題制約光伏電站送出能力，交流線路損耗大影響系統整體效率。隨著電力電子和直流輸電技術的發展和成熟，光伏電站采用直流升壓匯集送出成為可能。直流匯集系統穩定性更高、無需無功補償，且同樣電壓等級下輸送能力更強、損耗更小。光伏電站直流升壓匯集技術，有望成為解決目前光伏電站穩定問題和整體效率低下的有效途徑。直流升壓變流技術是構建直流光伏電站的核心，目前關于直流升壓變流技術主要集中于中低壓小功率場合。傳統直流升壓變流器因為占空比越大，二極管的損耗越大，反向恢復時間的要求越短，所以電壓增益較小，一般僅為2-4，高效高壓的大容量直流升壓變流器多為多模塊級聯模式，然而多個模塊的串并聯給系統的控制帶來了很大的挑戰。對于數百千瓦級的大容量單體研究尚處于實驗室研究階段，且成本較高。2016年，清華大學的ZhaoB等在《IEEETransactionsonPowerElectronics》中發表的《High-Frequency-LinkDCTransformerBasedonSwitchedCapacitorforMedium-VoltageDCPowerDistributionApplication》(《中壓配電網中基于開關電容的高頻直流變壓器》)中研究了應用于中壓直流配電系統的DAB串并聯直流變壓器，研制了3個模塊的試驗樣機，升壓比為2，電壓等級200V-400V，額定功率為1kW，開關頻率為20kHz，最高效率96％。升壓比、電壓等級、功率等級和整體效率均較低，未解決工程化應用難題。大功率高壓直流升壓變流器裝置的在光伏系統中的應用潛力巨大，但是現有的大功率高壓直流升壓變流器裝置存在如下的特點：1)：單體容量較小、升壓比低、效率較低。2)：成本較高，高壓下的開關管選型困難。3)：結構與控制復雜，工程化實現較為困難。
技術實現思路
本專利技術針對傳統大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置控制復雜、成本高效、率較低、難以工程化實現的現狀，提出了一種針對光伏發電直流傳輸的控制簡單、易于工程實現的大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置及其控制方法。本專利技術的目的是這樣實現的。本專利技術提供了一種大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置，所述的大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置包括：N路光伏發電單元以及與之對應的N路boost變換單元、大功率三相方波逆變器、模塊化高頻三相升壓變壓器單元和模塊化三相二極管整流橋單元，其中：每一路光伏發電單元的輸出端串聯一路boost變換單元的輸入端，N路光伏發電單元中的的輸出端串聯對應的N路boost變換單元的輸入端，N路boost變換單元的輸出端之間相互并聯后與大功率三相方波逆變器的輸入端相串聯；大功率三相方波逆變器包括6個開關管，即開關管Si，i＝1,2……6，其中,開關管S1與開關管S4串聯、開關管S3與開關管S6串聯、開關管S5與開關管S2串聯并分別構成大功率三相方波逆變器的三相橋臂，三相橋臂間并聯作為大功率三相方波逆變器的輸入端；開關管S1與開關管S4的串聯連接點、開關管S3與開關管S6的串聯連接點、開關管S5與開關管S2的串聯連接點分別引出作為大功率三相方波逆變器的輸出端，大功率三相方波逆變器的輸出端與模塊化高頻三相升壓變壓器單元的輸入端串聯；模塊化高頻三相升壓變壓器單元由M個高頻三相升壓變壓器模塊構成,M為偶數，取值范圍為2-10，每一個高頻三相升壓變壓器模塊的低壓繞組均為星型連接、高壓繞組均為三角形連接，M個高頻三相升壓變壓器模塊的低壓輸入端之間相互并聯作為模塊化高頻三相升壓變壓器單元的輸入端；模塊化三相二極管整流橋單元包括M個三相二極管整流橋模塊，每一個高頻三相升壓變壓器模塊的高壓輸出端串聯一個對應的三相二極管整流橋模塊，每一個三相二極管整流橋模塊的輸出端均并聯一個濾波電容,M個三相二極管整流橋模塊的輸出端之間相互串聯作為模塊化三相二極管整流橋單元的輸出端接入高壓直流電網，其中模塊化三相二極管整流橋單元的第M/2個與第1+M/2個二極管整流橋模塊之間通過導線引出接地。優選地，N為正整數，取值范圍為4-14。本專利技術還提供了一種大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置的控制方法，主要步驟如下：步驟1：采樣第n路光伏發電單元的輸出電壓Un_pv、輸出電流In_pv,經過最大功率點跟蹤環節得到第n路占空比偏差量信號ΔDn,其中n＝1、2…N,最大功率點跟蹤環節的表達式為：ΔDn=(dIn_pvdUn_pv+In_pvUn_pv)×(Kn_MPPTS)]]>式中dIn_pv為第n路光伏發電單元輸出電流In_pv的微分，dUn_pv為第n路光伏發電單元輸出電流Un_pv的微分，Kn_MPPT為第n路boost變換單元的比例增益，S為拉普拉斯算子；步驟2：給定第n路光伏發電單元的功率指令Pn_ref，第n路光伏發電單元的額定功率Pn，第n路占空比額定參考信號步驟3：將步驟1中的第n路占空比偏差量信號ΔDn與步驟2中的第n路占空比額定參考信號相加得到第n路boost變換單元的占空比控制信號Dn，Dn經過PWM環節生成第n路boost變換單元的驅動控制信號PWMn_boost，控制產生第n路boost變換單元的輸入電壓波動量ΔUn_pv,則第n路boost變換單元的輸出電壓波動量ΔUn＝Kn_MPPT×ΔUn_pv，其中Kn_MPPT為第n路boost變換單元的比例增益,則N路boost變換單元的總的輸出電壓波動量ΔU為：ΔU=Σn=1NΔUn;]]>步驟4：N路boost變換單元的輸出電壓波動量ΔU與大功率三相方波逆變器輸入電壓設定值U*相加得到大功率三相方波逆變器的輸入電壓，即U＝U*+ΔU；步驟5：給定大功率三相方波逆變器開關管S1、開關管S2、開關管S3、開關管S4、開關管S5、開關管S6的驅動信號為固定占空比50％、同一橋臂的兩個開關管互補、不同橋臂間開關管互相移相120°的脈沖信號，由步驟4中大功率三相方波逆變器的輸入電壓U作為大功率三相方波逆變器開環脈沖幅值調制的幅值控制信號，開環控制大功率三相方波逆變器的輸出信號，完成對大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置能量傳輸的控制。與現有技術相比，本專利技術的優點在于：1)基于大功率三相方波逆變器與模塊化高頻三相升壓變壓器的大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置，可以利用變壓器漏感實現ZVS軟開關，和LLC，LCC等諧振變換電路相比減少了一個諧振腔，有助于效率的提升。2)大功率三相方波逆變器和單相方波逆變器相比可以減小輸入輸出電流脈動，降低了功率器件電流有效值，集中式單臺逆變可以降低系統成本本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置，其特征在于，所述的大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置包括：N路光伏發電單元以及與之對應的N路boost變換單元、大功率三相方波逆變器、模塊化高頻三相升壓變壓器單元和模塊化三相二極管整流橋單元，其中：每一路光伏發電單元的輸出端串聯一路boost變換單元的輸入端，N路光伏發電單元中的輸出端串聯對應的N路boost變換單元的輸入端，N路boost變換單元的輸出端之間相互并聯后與大功率三相方波逆變器的輸入端相串聯；大功率三相方波逆變器包括6個開關管，即開關管Si，i＝1,2……6，其中,開關管S1與開關管S4串聯、開關管S3與開關管S6串聯、開關管S5與開關管S2串聯并分別構成大功率三相方波逆變器的三相橋臂，三相橋臂間并聯作為大功率三相方波逆變器的輸入端；開關管S1與開關管S4的串聯連接點、開關管S3與開關管S6的串聯連接點、開關管S5與開關管S2的串聯連接點分別引出作為大功率三相方波逆變器的輸出端，大功率三相方波逆變器的輸出端與模塊化高頻三相升壓變壓器單元的輸入端串聯；模塊化高頻三相升壓變壓器單元由M個高頻三相升壓變壓器模塊構成,M為偶數，且取值范圍為2?10；每一個高頻三相升壓變壓器模塊的低壓繞組均為星型連接，高壓繞組均為三角形連接，M個高頻三相升壓變壓器模塊的低壓輸入端之間相互并聯作為模塊化高頻三相升壓變壓器單元的輸入端；模塊化三相二極管整流橋單元包括M個三相二極管整流橋模塊，每一個高頻三相升壓變壓器模塊的高壓輸出端串聯一個對應的三相二極管整流橋模塊，每一個三相二極管整流橋模塊的輸出端均并聯一個濾波電容,M個三相二極管整流橋模塊的輸出端之間相互串聯作為模塊化三相二極管整流橋單元的輸出端接入高壓直流電網，其中模塊化三相二極管整流橋單元的第M/2個與第1+M/2個二極管整流橋模塊之間通過導線引出接地。...

【技術特征摘要】
1.一種大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置，其特征在于，所述的大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置包括：N路光伏發電單元以及與之對應的N路boost變換單元、大功率三相方波逆變器、模塊化高頻三相升壓變壓器單元和模塊化三相二極管整流橋單元，其中：每一路光伏發電單元的輸出端串聯一路boost變換單元的輸入端，N路光伏發電單元中的輸出端串聯對應的N路boost變換單元的輸入端，N路boost變換單元的輸出端之間相互并聯后與大功率三相方波逆變器的輸入端相串聯；大功率三相方波逆變器包括6個開關管，即開關管Si，i＝1,2……6，其中,開關管S1與開關管S4串聯、開關管S3與開關管S6串聯、開關管S5與開關管S2串聯并分別構成大功率三相方波逆變器的三相橋臂，三相橋臂間并聯作為大功率三相方波逆變器的輸入端；開關管S1與開關管S4的串聯連接點、開關管S3與開關管S6的串聯連接點、開關管S5與開關管S2的串聯連接點分別引出作為大功率三相方波逆變器的輸出端，大功率三相方波逆變器的輸出端與模塊化高頻三相升壓變壓器單元的輸入端串聯；模塊化高頻三相升壓變壓器單元由M個高頻三相升壓變壓器模塊構成,M為偶數，且取值范圍為2-10；每一個高頻三相升壓變壓器模塊的低壓繞組均為星型連接，高壓繞組均為三角形連接，M個高頻三相升壓變壓器模塊的低壓輸入端之間相互并聯作為模塊化高頻三相升壓變壓器單元的輸入端；模塊化三相二極管整流橋單元包括M個三相二極管整流橋模塊，每一個高頻三相升壓變壓器模塊的高壓輸出端串聯一個對應的三相二極管整流橋模塊，每一個三相二極管整流橋模塊的輸出端均并聯一個濾波電容,M個三相二極管整流橋模塊的輸出端之間相互串聯作為模塊化三相二極管整流橋單元的輸出端接入高壓直流電網，其中模塊化三相二極管整流橋單元的第M/2個與第1+M/2個二極管整流橋模塊之間通過導線引出接地。2.根據權利要求1所述的一種大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置，其特征在于，所述的N為正整數，取值范圍為4-14。3.一種大功率高壓光伏直流升壓變流...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張興，趙文廣，劉芳，
申請(專利權)人：合肥工業大學，
類型：發明
國別省市：安徽;34