[发明专利]一种级联型单级双向DC-AC变流器拓扑结构

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种级联型单级双向DC-AC变流器拓扑结构。

背景技术

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。

发明内容

鉴于上述，本发明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L_es和电容C_es；其中，电感L_es的一端与直流母线电容的正极相连，电感L_es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C_es的正极相连，功率开关管S₁的发射极与电容C_es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。