一种级联型单级双向DC-AC变流器拓扑结构制造技术

本发明专利技术公开了一种级联型单级双向DC‑AC变流器拓扑结构，该拓扑由多个相同结构的子模块结构组成，子模块拓扑结构主要包括两个部分：H桥型DC‑AC变流器和基于电力电子技术的有源电力弹簧。每一级H桥作为子模块的主变流器，其直流侧输入端口并联一个电容器，之后与输入直流电源串联；直流输入电源与电容器间的有源电力弹簧并接于正负极母线之间。本发明专利技术采用重复控制的有源电力弹簧结构可以降低或消除H桥变流器直流侧存在由功率变换导致的幅值较大的低次谐波，减小低次谐波对直流电源安全性、寿命等的影响。因此，本发明专利技术拓扑可应用于基于化学电池的大规模储能系统以及中高压大容量的光伏电站等场合，具有广阔的应用前景。

A cascaded single stage bidirectional DC-AC converter topology

The present invention discloses a cascaded single stage bidirectional DC AC converter topology, which consists of multiple submodules of the same structure. The sub module topology consists of two parts: the H bridge DC AC converter and the active power spring based on the power electronics technology. Each H bridge is a main converter of a sub module. The input port of the DC side is connected with a capacitor in series with the input DC power supply, and the active power spring between the DC input power supply and the capacitor is connected to the positive and negative bus. Using the active power spring structure of repetitive control, the invention can reduce or eliminate the low order harmonic caused by the power transformation in the DC side of the H bridge converter, and reduce the influence of the low harmonic on the safety and life of the DC power supply. Therefore, the topology of the invention can be applied to large-scale energy storage system based on chemical battery and high voltage and large capacity photovoltaic power station, and has a broad application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种级联型单级双向DC-AC变流器拓扑结构
本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种级联型单级双向DC-AC变流器拓扑结构。
技术介绍
在化石能源日益枯竭、环境问题日益突出及气候变暖的一系列问题的影响下，以风力发电、光伏等为主的可再生能源迅速发展，逐渐由低压、小容量的分布式发电单元向中高压、大功率、大容量的电站发展，但中高压、大容量的可再生能源的利用仍面临较为严峻的挑战。以光伏发电为例，受限于电力电子变流器电压等级、容量等方面的限制，单变流器所连接的光伏电池板的容量对于百兆瓦级的光伏电站容量很小，需要采用“变流+汇流+升压”或“变流+升压+汇流”的技术方案实现大规模光伏电站的建立。除变流器数量较多、占用空间较大外，变流器并联汇流将带来一定程度的环流问题，影响系统的安全性，模块化级联型变流装置成为技术关键。此外，大规模的可再生能源的功率输出具有间歇性和不确定性，使其发电功率难以保证平稳，直接接入将对电网调度调峰、优化运行以及电力系统的安全性和可靠性等造成不利影响，也因此我国主要的新能源发电地区发生了广泛的“弃风弃光”现象。有效解决途径之一为在新能源系统中配备相当的中高压、大容量的储能装置，起到平抑波动、短时削峰填谷和能量调度的作用，而受限于储能电池单体的电压、容量，中高压、大容量的储能系统的建立亟需能够实现无功功率补偿以及有功功率双向调节的统一功率变流装置。针对上述问题，目前使用较多的为基于模块化的级联型变流装置，其中以级联H桥拓扑结构为主，但在H桥拓扑在实现功率变换过程中，直流侧母线上将流过幅值较大的两倍基波频率的功率脉动；而较大幅值的脉动在降低光伏电池以及储能电池的使用寿命的同时，也将使光伏电站或储能系统的安全性、可靠性较大程度地降低，增加了系统的整体成本和安全隐患。此外，目前大多采用DC-DC+DC-AC的两级变换技术方案，前级DC-DC实现对两倍基波频率的功率脉动进行抑制，但这种方法对功率脉动的抑制效果有限，且增加了大量的功率开关管和无源器件、降低了系统的整体运行效率。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种级联型单级双向DC-AC变流器拓扑结构，能够实现单机装置的中高压/大容量化，同时消除级联H桥型拓扑结构直流侧存在的较大幅值的功率脉动，整体减小了装置的占用空间，提高了能量转换效率。一种级联型单级双向DC-AC变流器拓扑结构，为单相或三相结构且任一相均由多个结构相同的子模块级联而成；所述子模块包括一个有源电力弹簧、一个直流母线电容和一个H桥型DC-AC变流器，所述有源电力弹簧的两端以及H桥型DC-AC变流器的直流侧均与直流母线电容相并联，所述直流母线电容的正负极外接对应的直流输入电源；各子模块通过H桥型DC-AC变流器交流侧两个输出端口依次串联，串联后的一端连接滤波电感后作为该相的第一输出端，串联后的另一端作为该相的第二输出端。进一步地，所述有源电力弹簧包括两个带反并联二极管的功率开关管S1～S2、电感Les和电容Ces；其中，电感Les的一端与直流母线电容的正极相连，电感Les的另一端与功率开关管S1的集电极以及功率开关管S2的发射极相连，功率开关管S2的集电极与电容Ces的正极相连，功率开关管S1的发射极与电容Ces的负极以及直流母线电容的负极相连，功率开关管S1和S2的基极分别接外部设备提供的一对相位互补的开关信号。进一步地，当所述级联型单级双向DC-AC变流器拓扑结构为三相结构时，三相的第二输出端以Y型方式连接。进一步地，所述H桥型DC-AC变流器包括四个带反并联二极管的功率开关管S3～S6；其中，功率开关管S3的集电极与功率开关管S5的集电极以及直流母线电容的正极相连，功率开关管S3的发射极与功率开关管S4的集电极相连并作为H桥型DC-AC变流器交流侧的一个输出端口，功率开关管S5的发射极与功率开关管S6的集电极相连并作为H桥型DC-AC变流器交流侧的另一个输出端口，功率开关管S4的发射极与功率开关管S6的发射极以及直流母线电容的负极相连，四个功率开关管S3～S6的基极均接外部设备提供的开关信号，功率开关管S3和S4的开关信号相位互补，功率开关管S5和S6的开关信号相位互补。本专利技术变流器拓扑结构由级联H桥型DC-AC主功率变流器和基于电力电子技术的电力弹簧组合而成，在实现直流侧与交流侧的有功功率、无功功率的双向流动的同时，可对级联H桥型拓扑直流侧存在的两倍基波频率的功率脉动进行消除，由于仅对脉动功率进行处理，系统的整体效率相较于两级拓扑得到较大提升，可适用于大规模光伏电站、中高压大容量电池储能电站等场合，具有广阔的应用前景；具体技术优点在于包含以下几点：(1)本专利技术变流器拓扑结构具有模块化特点，可通过子模块的级联达到中高压等级(10～35kV)，无需变压装置直接接入电网；模块化结构增大了单机装置的系统容量，无变流器并联带来的环流问题。(2)本专利技术通过控制基于电力电子技术的电力弹簧可实现对级联H桥型拓扑直流侧存在的功率脉动的消除，降低功率脉动对直流侧电源使用寿命、安全性等方面的影响。(3)本专利技术变流器拓扑结构采用单级变换技术，省去现有技术中的前级DC-DC变换装置，提高了系统整体效率、降低了装置成本。附图说明图1为本专利技术级联型单级双向DC-AC变流器的单相拓扑结构示意图。图2为本专利技术级联型单级双向DC-AC变流器的三相拓扑结构示意图。图3为本专利技术变流器拓扑中的子模块结构示意图。图4为当子模块直流侧电压等级U1＝U2＝UN＝600V时级联型双向DC-AC变流器子模块直流侧电流波动示意图。图5为基于本专利技术级联型双向DC-AC变流器的10kV/10MW储能系统的输出电压波形示意图。图6为基于本专利技术级联型双向DC-AC变流器的10kV/10MW储能系统的有功功率动态波形示意图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示，本专利技术级联型单级双向DC-AC变流器拓扑结构，每相由N个结构相同的子模块级联组合而成，每一个子模块主要包括H桥型DC-AC变流拓扑结构和基于电力电子技术的有源电力弹簧ES两部分，有源电力弹簧并接于直流输入电源与电容器C1间的直流母线正负极间。有源电力弹簧拓扑结构包括第一功率开关管S1、第二功率开光管S2、工作电感器Les和工作电容器Ces；其连接方式为：工作电感Les的一端连接于直流母线正极上，另一端与功率开关器件S1的漏极以及功率开关器件S2的源极相连接；功率开关器件S1的源极连接于直流母线负极上；功率开关器件S2的漏极与工作电容器Ces的正极性端相连；工作电容器Ces的负极性端与直流母线负极相连接。级联H桥型DC-AC型变流器包括高次谐波滤除电容器C1、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6；其连接方式为：第三功率开关管S3的源极与第四功率开关管S4的漏极相连构成左桥臂；第五功率开关管S5的源极与第六功率开关管S6的漏极相连构成右桥臂；左桥臂与右桥臂均并联于高次谐波滤除电容器C1；第三功率开关管S3与第四功率开关管S4组成的左桥臂连接输出滤波电感器Lf作为级联型单级双向DC-AC变流器的一个输出端，而第五功率开关管S5和第六功率开关管S6构成的右桥臂连接到下一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种级联型单级双向DC‑AC变流器拓扑结构，为单相或三相结构；其特征在于：任一相均由多个结构相同的子模块级联而成；所述子模块包括一个有源电力弹簧、一个直流母线电容和一个H桥型DC‑AC变流器，所述有源电力弹簧的两端以及H桥型DC‑AC变流器的直流侧均与直流母线电容相并联，所述直流母线电容的正负极外接对应的直流输入电源；各子模块通过H桥型DC‑AC变流器交流侧两个输出端口依次串联，串联后的一端连接滤波电感后作为该相的第一输出端，串联后的另一端作为该相的第二输出端。

【技术特征摘要】
1.一种级联型单级双向DC-AC变流器拓扑结构，为单相或三相结构；其特征在于：任一相均由多个结构相同的子模块级联而成；所述子模块包括一个有源电力弹簧、一个直流母线电容和一个H桥型DC-AC变流器，所述有源电力弹簧的两端以及H桥型DC-AC变流器的直流侧均与直流母线电容相并联，所述直流母线电容的正负极外接对应的直流输入电源；各子模块通过H桥型DC-AC变流器交流侧两个输出端口依次串联，串联后的一端连接滤波电感后作为该相的第一输出端，串联后的另一端作为该相的第二输出端。2.根据权利要求1所述的级联型单级双向DC-AC变流器拓扑结构，其特征在于：所述有源电力弹簧包括两个带反并联二极管的功率开关管S1～S2、电感Les和电容Ces；其中，电感Les的一端与直流母线电容的正极相连，电感Les的另一端与功率开关管S1的集电极以及功率开关管S2的发射极相连，功率开关管S2的集电极与电容Ces的正极相连，功率开关管S1的发射极与电容Ces的负极以及直流母线电容的负极相连，功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国柱，李新，邵雨亭，杨苒晨，胡耀威，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33