一种大功率可再生能源的应用现状设计和实现

2.3带有前端控制的光伏并网逆变器

在此介绍一种兆瓦级光伏装置的功率转换方案(见图5)，包括太阳能电池板、紧接电池板的对称升压变换器前端控制、连接到逆变器的直流传输线、工业化的并网变换器、正弦滤波器以及标准中压线电压的变压器。

图5 升压变换器和并网逆变器

逆变器输入电压优化至交流变压器的输入电压，调制比M约为1。

美国应用实例：图5所示电路，光伏输出电压在200V-600V的范围内;升压输出/传输电压800V直流电压;最后输出3×480V交流电到变压器上。前端控制的硅器件为600V,逆变器中为1200V.当光伏电压为400V时，直流输电线上损耗只占1/4.要求电池板输出的纹波电流相对小，可以增加电池板和前端控制间的电感，同时也需要提高开关频率。连接电缆的电感对于减小电流纹波有帮助。100m的连接电缆电感值超过0.1mH.

欧盟应用实例：光伏电压变化范围在400-900V间，前端升压变换器产生650V电压，输出3×400V交流电;或者产生800V电压，输出3×480V交流电。当光伏电压高于650V或者800V时，升压变换器停止工作，GTI的输入电压即为光伏电压。

前端升压变换器交替输出正二分之一和负二分之一的输出电压，当上部和下部的IGBT都只导通一半的开关时间，即180度电角度，则作为倍压变换器运行。这种运行方式有很大优势，太阳能电池板输出电流恒定，不需要再增加额外的大电感作为L1和L2,使用50-100m的连接电缆即可。

这个优势导致该方案如图6所示。

图6 倍压变换器，第二个旁路或升压变换器，两个使用多重化PWM的GTI

光伏电压总是可以翻倍，即在800~1800V范围内。对于GTI中使用的低压硅器件，1800V是一个过高的电压，我们可以使用中压风机中使用的方法，将两个单元串联。旁路电路可以安装在靠近倍压变换器的地方，它为两个串联的逆变器调整需要的直流电压。通过这种方法，直流传输线上的电压最高将会比光伏输出电压提高4倍。

例1：光伏电压为400-900V;倍压后为800-1800V;第二个升压输出/直流传输线电压/逆变器电压为1600-1800V，最后向变压器提供2份3向480V交流电，高于1600V后不再有升压效果。所有开关为1200V。

例2：光伏电压为400-900V;倍压后为800-1800V;第二个升压输出/直流传输线电压/逆变器电压为2200V=2×1100V，最后向变压器提供2份3向690V交流电。倍压变换器硅器件电压等级为1200V，剩下的IGBT和二极管为1700V。如果载波开关频率低于4kHz，使用1700V硅器件的逆变器效率高于1200V。

当使用2200V传输电压时，传输线损耗比传统的直接与550V光伏电压相连的情况减小了16倍(使用相同的连接电缆)。

两个功率和相电流大小都相同的并网逆变器与电绝缘绕组相连。这样可以很容易的使用多重化PWM。对于两个逆变器的并联运行，使用多重化PWM时，会有1/2开关周期即180度角度的相移。

使用这种方法，正弦滤波器的体积大大减小，且只有一个电感值L。图8中的仿真结果显示了1号和2号逆变器的电流，此时开关载波频率只有1 kHz，THD=19%，两个逆变器的电流和即为并网电流，THD很小只有3.8%。

图7 上端逆变器相电流;下端逆变器相电流，THD=19%,并网电流THD=3.8%;滤波器电感 L_total=12%;Fsw=1kHz

使用多重化PWM优点明显。只需使用一个电感构成的低通滤波器与变压器的漏电感共同作用即可。变压器漏电感对应于变压器uk=4%时的短路电流。L_total=12%.

一个并网逆变器的正弦滤波器，电感标幺值为12%,电流THD需要小于4%,开关载波频率高于6kHz.

3结论

风机中电力电子器件只使用1700V的IGBT和二极管。基于双馈感应电机的风机结构已经不再流行。使用两个背靠背逆变器的全功率结构成为主要研究方向。发展中的风机功率等级为3-5MW.运用2个、3个甚至6个3相发电机绕组，使用同样数量的独立驱动装置，独立控制装置，可以提供很高的模块化功率，也可以在有故障发生时，提供冗余的运行方式。

风机的新型设计方案为一个中压发电机与中压并网逆变器相连，中压并网逆变器通过一串可以旁路的低压并网逆变器单元实现，低压并网逆变器接到中压变压器独立绕组上。

太阳能应用基于1MW的并网逆变器，可以直接与太阳能电池板相连。

太阳能应用中，主要针对于获得更高的系统效率。由一个倍压变换器和两个串联的逆变器单元构成。直流传输电压提高了4倍，逆变器调制比为1,使用多重化PWM进行控制，大大简化了输出滤波器。