一種大功率可再生能源的應(yīng)用現(xiàn)狀設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.3帶有前端控制的光伏并網(wǎng)逆變器

在此介紹一種兆瓦級(jí)光伏裝置的功率轉(zhuǎn)換方案(見圖5)，包括太陽(yáng)能電池板、緊接電池板的對(duì)稱升壓變換器前端控制、連接到逆變器的直流傳輸線、工業(yè)化的并網(wǎng)變換器、正弦濾波器以及標(biāo)準(zhǔn)中壓線電壓的變壓器。

圖5 升壓變換器和并網(wǎng)逆變器

逆變器輸入電壓優(yōu)化至交流變壓器的輸入電壓，調(diào)制比M約為1。

美國(guó)應(yīng)用實(shí)例：圖5所示電路，光伏輸出電壓在200V-600V的范圍內(nèi);升壓輸出/傳輸電壓800V直流電壓;最后輸出3×480V交流電到變壓器上。前端控制的硅器件為600V,逆變器中為1200V.當(dāng)光伏電壓為400V時(shí)，直流輸電線上損耗只占1/4.要求電池板輸出的紋波電流相對(duì)小，可以增加電池板和前端控制間的電感，同時(shí)也需要提高開關(guān)頻率。連接電纜的電感對(duì)于減小電流紋波有幫助。100m的連接電纜電感值超過0.1mH.

歐盟應(yīng)用實(shí)例：光伏電壓變化范圍在400-900V間，前端升壓變換器產(chǎn)生650V電壓，輸出3×400V交流電;或者產(chǎn)生800V電壓，輸出3×480V交流電。當(dāng)光伏電壓高于650V或者800V時(shí)，升壓變換器停止工作，GTI的輸入電壓即為光伏電壓。

前端升壓變換器交替輸出正二分之一和負(fù)二分之一的輸出電壓，當(dāng)上部和下部的IGBT都只導(dǎo)通一半的開關(guān)時(shí)間，即180度電角度，則作為倍壓變換器運(yùn)行。這種運(yùn)行方式有很大優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能電池板輸出電流恒定，不需要再增加額外的大電感作為L(zhǎng)1和L2,使用50-100m的連接電纜即可。

這個(gè)優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致該方案如圖6所示。

圖6 倍壓變換器，第二個(gè)旁路或升壓變換器，兩個(gè)使用多重化PWM的GTI

光伏電壓總是可以翻倍，即在800~1800V范圍內(nèi)。對(duì)于GTI中使用的低壓硅器件，1800V是一個(gè)過高的電壓，我們可以使用中壓風(fēng)機(jī)中使用的方法，將兩個(gè)單元串聯(lián)。旁路電路可以安裝在靠近倍壓變換器的地方，它為兩個(gè)串聯(lián)的逆變器調(diào)整需要的直流電壓。通過這種方法，直流傳輸線上的電壓最高將會(huì)比光伏輸出電壓提高4倍。

例1：光伏電壓為400-900V;倍壓后為800-1800V;第二個(gè)升壓輸出/直流傳輸線電壓/逆變器電壓為1600-1800V，最后向變壓器提供2份3向480V交流電，高于1600V后不再有升壓效果。所有開關(guān)為1200V。

例2：光伏電壓為400-900V;倍壓后為800-1800V;第二個(gè)升壓輸出/直流傳輸線電壓/逆變器電壓為2200V=2×1100V，最后向變壓器提供2份3向690V交流電。倍壓變換器硅器件電壓等級(jí)為1200V，剩下的IGBT和二極管為1700V。如果載波開關(guān)頻率低于4kHz，使用1700V硅器件的逆變器效率高于1200V。

當(dāng)使用2200V傳輸電壓時(shí)，傳輸線損耗比傳統(tǒng)的直接與550V光伏電壓相連的情況減小了16倍(使用相同的連接電纜)。

兩個(gè)功率和相電流大小都相同的并網(wǎng)逆變器與電絕緣繞組相連。這樣可以很容易的使用多重化PWM。對(duì)于兩個(gè)逆變器的并聯(lián)運(yùn)行，使用多重化PWM時(shí)，會(huì)有1/2開關(guān)周期即180度角度的相移。

使用這種方法，正弦濾波器的體積大大減小，且只有一個(gè)電感值L。圖8中的仿真結(jié)果顯示了1號(hào)和2號(hào)逆變器的電流，此時(shí)開關(guān)載波頻率只有1 kHz，THD=19%，兩個(gè)逆變器的電流和即為并網(wǎng)電流，THD很小只有3.8%。

圖7 上端逆變器相電流;下端逆變器相電流，THD=19%,并網(wǎng)電流THD=3.8%;濾波器電感 L_total=12%;Fsw=1kHz

使用多重化PWM優(yōu)點(diǎn)明顯。只需使用一個(gè)電感構(gòu)成的低通濾波器與變壓器的漏電感共同作用即可。變壓器漏電感對(duì)應(yīng)于變壓器uk=4%時(shí)的短路電流。L_total=12%.

一個(gè)并網(wǎng)逆變器的正弦濾波器，電感標(biāo)幺值為12%,電流THD需要小于4%,開關(guān)載波頻率高于6kHz.

3結(jié)論

風(fēng)機(jī)中電力電子器件只使用1700V的IGBT和二極管?；陔p饋感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再流行。使用兩個(gè)背靠背逆變器的全功率結(jié)構(gòu)成為主要研究方向。發(fā)展中的風(fēng)機(jī)功率等級(jí)為3-5MW.運(yùn)用2個(gè)、3個(gè)甚至6個(gè)3相發(fā)電機(jī)繞組，使用同樣數(shù)量的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置，獨(dú)立控制裝置，可以提供很高的模塊化功率，也可以在有故障發(fā)生時(shí)，提供冗余的運(yùn)行方式。

風(fēng)機(jī)的新型設(shè)計(jì)方案為一個(gè)中壓發(fā)電機(jī)與中壓并網(wǎng)逆變器相連，中壓并網(wǎng)逆變器通過一串可以旁路的低壓并網(wǎng)逆變器單元實(shí)現(xiàn)，低壓并網(wǎng)逆變器接到中壓變壓器獨(dú)立繞組上。

太陽(yáng)能應(yīng)用基于1MW的并網(wǎng)逆變器，可以直接與太陽(yáng)能電池板相連。

太陽(yáng)能應(yīng)用中，主要針對(duì)于獲得更高的系統(tǒng)效率。由一個(gè)倍壓變換器和兩個(gè)串聯(lián)的逆變器單元構(gòu)成。直流傳輸電壓提高了4倍，逆變器調(diào)制比為1,使用多重化PWM進(jìn)行控制，大大簡(jiǎn)化了輸出濾波器。