專(zhuān)利名稱(chēng)：三電平逆變單元與光伏逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力電子領(lǐng)域，具體而言，涉及一種三電平逆變單元與光伏逆變器。
背景技術(shù)：
為了提高逆變器的逆變效率，同時(shí)降低逆變器的體積和重量，近年來(lái)，逐漸出現(xiàn)了了多種新型逆變單元結(jié)構(gòu)，利用了多種電路拓?fù)?，如直流旁路拓?fù)?，交流旁路拓?fù)?HERIC)，H5拓?fù)?，中點(diǎn)鉗位型(Neutral Point Clamping, NPC)三電平拓?fù)?，Conergy NPC三電平拓?fù)?，Active NPC三電平拓?fù)涞鹊取＿@些拓?fù)鋸脑砩洗篌w可以分為兩類(lèi):第一類(lèi)為H橋改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第二類(lèi)為多電平改進(jìn)型拓?fù)?。其中第二?lèi)三電平(NPC)改進(jìn)型拓?fù)?，以其?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和更高的效率在光伏逆變器的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。NPC三電平拓 撲電路于上世紀(jì)80年代提出，其與傳統(tǒng)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)模塊所構(gòu)成的傳統(tǒng)橋臂相比，可以額外輸出一個(gè)零電位，圖1是傳統(tǒng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管半橋逆變單元的拓?fù)潆娐穲D，圖2是傳統(tǒng)NPC逆變單元的拓?fù)鋱D。從圖中可以看出，在直流輸入電壓為Vdc時(shí)，傳統(tǒng)半橋拓?fù)潆娐烽_(kāi)關(guān)器件Sll閉合時(shí)節(jié)點(diǎn)A輸出電壓為+Vdc，在開(kāi)關(guān)器件S12閉合時(shí)，節(jié)點(diǎn)A輸出電壓為-Vdc，因此，傳統(tǒng)半橋拓?fù)潆娐分荒茌敵?Vdc，+Vdc。而NPC拓?fù)潆娐吠ㄟ^(guò)增加了兩組開(kāi)關(guān)器件，在開(kāi)關(guān)器件S21和開(kāi)關(guān)器件S24閉合，開(kāi)關(guān)器件S22和開(kāi)關(guān)器件S23斷開(kāi)時(shí)，節(jié)點(diǎn)A可以輸出O電位，從而NPC拓?fù)潆娐房梢暂敵?Vdc，0，+Vdc三個(gè)電位。因此，NPC拓?fù)涞妮敵鎏匦?，尤其是輸出紋波特性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)兩開(kāi)關(guān)器件所組成的橋臂。Conergy公司在NPC拓?fù)潆娐返幕A(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),一般稱(chēng)之為ConergyNPC拓?fù)潆娐?。圖3A是現(xiàn)有NPC拓?fù)涞碾娐?，NPC拓?fù)潆娐访總€(gè)開(kāi)關(guān)周期的工作狀態(tài)都分為兩部分:有源狀態(tài)和續(xù)流狀態(tài)，圖3B和圖3C分別示出了現(xiàn)有NPC拓?fù)湔蛴性垂ぷ鳡顟B(tài)和正向續(xù)流工作狀態(tài)，可以看出在有源狀態(tài)時(shí)，僅有開(kāi)關(guān)器件S31閉合，獨(dú)自承擔(dān)導(dǎo)通損耗；在續(xù)流狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)器件S33閉合，開(kāi)關(guān)器件S33和續(xù)流二極管D34共同承擔(dān)導(dǎo)通損耗。圖中僅僅示出了正向的工作狀態(tài)，對(duì)于輸出負(fù)向電壓的情況時(shí)，有源狀態(tài)為開(kāi)關(guān)器件S32閉合，續(xù)流狀態(tài)為開(kāi)關(guān)器件S34和續(xù)流二極管D33共同承擔(dān)導(dǎo)通損耗。在一個(gè)逆變周期內(nèi)，NPC拓?fù)淠孀冸娐芬来翁幱谡蛴性礌顟B(tài)、正向續(xù)流狀態(tài)、負(fù)向有源狀態(tài)、反向續(xù)流狀態(tài)，各開(kāi)關(guān)管和續(xù)流二極管交替工作，輸出逆變電源，在通過(guò)PWM波控制的情況下，通過(guò)控制有源狀態(tài)和續(xù)流狀態(tài)各自所占周期的比例，即可實(shí)現(xiàn)逆變器的指定電壓輸出。這種電路結(jié)構(gòu)，在續(xù)流狀態(tài)下，需要對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件S33和S34分別正向和負(fù)向續(xù)流控制，使用的開(kāi)關(guān)器件較多，同時(shí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件S33和S34沒(méi)有共地節(jié)點(diǎn)，需要分別引入驅(qū)動(dòng)裝置，增加了設(shè)備成本。另外，在續(xù)流狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)器件的反并聯(lián)寄生二極管特性從很大程度上影響了逆變效率。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中NPC拓?fù)淠孀儐卧褂玫拈_(kāi)關(guān)器件較多，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜的問(wèn)題，目前尚未提出有效的解決方案。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型旨在提供一種三電平逆變單元與光伏逆變器，以解決現(xiàn)有技術(shù)中NPC拓?fù)淠孀儐卧褂玫拈_(kāi)關(guān)器件較多，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種三電平逆變單元。該逆變單元，用于將直流側(cè)的直流電能轉(zhuǎn)換為交流側(cè)的交流電能，其中直流側(cè)的第一端連接直流輸入的正向電壓端，直流側(cè)的第二端連接直流輸入的負(fù)向電壓端，交流側(cè)通過(guò)第一交流輸出端和第二交流輸出端輸出交流電能，包括:第一開(kāi)關(guān)模塊，設(shè)置在直流側(cè)的第一端與第一交流輸出端之間；第二開(kāi)關(guān)模塊，設(shè)置在直流側(cè)的第二端與第一交流輸出端之間；第一電容，設(shè)置在直流側(cè)的第一端與第二交流輸出端之間；第二電容，設(shè)置在直流側(cè)的第二端與第二交流輸出端之間；續(xù)流模塊，設(shè)置在第一交流輸出端和第二交流輸出端之間，續(xù)流模塊包括第三開(kāi)關(guān)模塊和多個(gè)續(xù)流二極管，其中，多個(gè)續(xù)流二極管包括:第四二極管、第五二極管、第六二極管以及第七二極管，第五二極管的陽(yáng)極端與第七二極管的陽(yáng)極端連接于第二節(jié)點(diǎn)，第四二極管的陰極端與第六二極管的陰極端連接于第一節(jié)點(diǎn)，第四二極管的陽(yáng)極端與第五二極管的陰極端連接于第二交流輸出端，第六二極管的陽(yáng)極端與第七二極管的陰極端連接于第一交流輸出端，第三開(kāi)關(guān)模塊設(shè)置在第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間。進(jìn)一步地，第三二極管、第四二極管、第五二極管、第六二極管以及第七二極管均為碳化娃肖特基二極管。進(jìn)一步地，第一開(kāi)關(guān)模塊包括并聯(lián)連接的第一開(kāi)關(guān)器件和第一二極管，其中第一二極管的陽(yáng)極端連接第一交流輸出端，第一二極管的陰極端連接直流側(cè)的第一端；第二開(kāi)關(guān)模塊包括并聯(lián)連接的第二開(kāi)關(guān)器件和第二二極管，其中第二二極管的陽(yáng)極端連接直流側(cè)的第二端，第二二極管的陰極端連接第一交流輸出端；第三開(kāi)關(guān)模塊包括并聯(lián)連接的第三開(kāi)關(guān)器件和第三二極管，其中第三二極管的陽(yáng)極端連接第二節(jié)點(diǎn)，第三二極管的陰極端連接第一節(jié)點(diǎn)。進(jìn)一步 地，第一開(kāi)關(guān)器件、第二開(kāi)關(guān)器件、第三開(kāi)關(guān)器件均為絕緣柵雙極型晶體 管。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型提供的三電平逆變單元用于將光伏陣列輸出的直流電能轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的交流電能，其中，直流側(cè)的第一端連接光伏陣列的正向電壓端，直流側(cè)的第二端連接光伏陣列的負(fù)向電壓端，第一交流輸出端和第二交流輸出端與交流電網(wǎng)連接。進(jìn)一步地，第一交流輸出端通過(guò)濾波裝置與交流電網(wǎng)連接。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型提供的逆變單元還包括第三電容，設(shè)置直流側(cè)的第二端與地之間。根據(jù)本申請(qǐng)的另一個(gè)方面，還提供了一種光伏逆變器。該光伏逆變器包括逆變單元，該逆變單元為上述介紹的任意一種三電平逆變單元。進(jìn)一步地，上述光伏逆變器包括三個(gè)三電平逆變單元，該三個(gè)光伏逆變單元的直流側(cè)相互并聯(lián)連接，每個(gè)三電平逆變單元用于逆變出一相交流電能。應(yīng)用本實(shí)用新型的技術(shù)方案，利用一個(gè)續(xù)流模塊同時(shí)作為正向續(xù)流通路和負(fù)向續(xù)流通路，比現(xiàn)有的NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變單元少使用了一個(gè)續(xù)流模塊，從而節(jié)省了開(kāi)關(guān)器件的使用數(shù)量，相應(yīng)簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)裝置，減小了設(shè)備成本，控制驅(qū)動(dòng)方法簡(jiǎn)單。
構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。在附圖中:圖1是傳統(tǒng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管半橋逆變單元的拓?fù)潆娐穲D；圖2是傳統(tǒng)NPC三電平逆變單元的拓?fù)鋱D；圖3A是現(xiàn)有NPC三電平逆變單元拓?fù)涞碾娐穲D；圖3B是現(xiàn)有NPC三電平逆變單元拓?fù)涞恼蛴性垂ぷ鳡顟B(tài)的電流流向示意圖；圖3C是現(xiàn)有NPC三電平逆變單元拓?fù)涞恼蚶m(xù)流工作狀態(tài)的電流流向示意圖；圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例的三電平逆變單元示意圖；圖5A是根據(jù)本實(shí)用實(shí)施例的三電平逆變單元正向續(xù)流工作狀態(tài)的示意圖；圖5B是根據(jù)本實(shí)用實(shí)施例的三電平逆變單元反向續(xù)流工作狀態(tài)的示意圖；圖6是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的三電平逆變單元的調(diào)制信號(hào)波形圖；圖7是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的三電平逆變單元作為光伏逆變單元的連接圖。
具體實(shí)施方式
需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型。
本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種三電平逆變單元，該三電平逆變單元用于將直流側(cè)的直流電能轉(zhuǎn)換為交流側(cè)的交流電能。圖4是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的逆變單元的示意圖，如圖4所示，該逆變單元直流側(cè)的第一端連接直流輸入的正向電壓端，直流側(cè)的第二端連接直流輸入的負(fù)向電壓端，交流側(cè)通過(guò)第一交流輸出端A和第二交流輸出端B輸出交流電能，除此之外該逆變單元還包括:第一開(kāi)關(guān)模塊，設(shè)置在直流側(cè)的第一端與第一交流輸出端A之間；第二開(kāi)關(guān)模塊，設(shè)置在直流側(cè)的第二端與第一交流輸出端A之間；第一電容Cl，設(shè)置在直流側(cè)的第一端與第二交流輸出端B之間；第二電容C2，設(shè)置在直流側(cè)的第二端與第二交流輸出端B之間；續(xù)流模塊，設(shè)置在第一交流輸出端A和第二交流輸出端B之間，續(xù)流模塊包括第三開(kāi)關(guān)模塊和多個(gè)續(xù)流二極管，其中，多個(gè)續(xù)流二極管包括:第四二極管D44、第五二極管D45、第六二極管D46以及第七二極管D47，第五二極管D45的陽(yáng)極端與第七二極管D47的陽(yáng)極端連接于第二節(jié)點(diǎn)D，第四二極管D42的陰極端與第六二極管D46的陰極端連接于第一節(jié)點(diǎn)C，第四二極管D44的陽(yáng)極端與第五二極管D45的陰極端連接于第二交流輸出端B，第六二極管D46的陽(yáng)極端與第七二極管D47的陰極端連接于第一交流輸出端A，第三開(kāi)關(guān)模塊設(shè)置在第一節(jié)點(diǎn)C和第二節(jié)點(diǎn)D之間。第二交流輸出端B可以連接接地點(diǎn)N0本實(shí)用新型實(shí)施例的三電平逆變單元利用一個(gè)續(xù)流模塊同時(shí)作為正向續(xù)流通路和負(fù)向續(xù)流通路，比現(xiàn)有的NPC三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變單元少使用了一個(gè)續(xù)流模塊，從而節(jié)省了開(kāi)關(guān)器件的使用數(shù)量，相應(yīng)簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)裝置，減小了設(shè)備成本，控制驅(qū)動(dòng)方法簡(jiǎn)單。圖5A是根據(jù)本實(shí)用實(shí)施例的三電平逆變單元正向續(xù)流工作狀態(tài)的示意圖，此時(shí)電流經(jīng)過(guò)第四二極管D44、第三開(kāi)關(guān)模塊、第七二極管D47完成續(xù)流，圖5B是根據(jù)本實(shí)用實(shí)施例的三電平逆變單元反向續(xù)流工作狀態(tài)的示意圖，此時(shí)電流經(jīng)過(guò)第六二極管D46、第三開(kāi)關(guān)模塊、第五二極管D45完成續(xù)流，也就是第三開(kāi)關(guān)模塊在正向續(xù)流和反向續(xù)流中均起到續(xù)流作用，在續(xù)流時(shí)，電流需經(jīng)過(guò)三個(gè)器件，但其中兩個(gè)器件為導(dǎo)向壓降很低的二極管。相比于現(xiàn)有NPC三電平電路結(jié)構(gòu)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的寄生效應(yīng)效率更高。進(jìn)一步地，上述第三二極管D43、第四二極管D44、第五二極管D45、第六二極管D46以及第七二極管D47均可以使用碳化硅肖特基二極管，該器件的導(dǎo)通損耗更低，反向恢復(fù)更快，從而進(jìn)一步提高了逆變器效率。同時(shí)，本實(shí)用新型也可以使用其它種類(lèi)的導(dǎo)通損耗低的續(xù)流二極管。上述第一開(kāi)關(guān)模塊、第二開(kāi)關(guān)模塊、第三開(kāi)關(guān)模塊均可以采用開(kāi)關(guān)器件與二極管并聯(lián)的方式，具體地，第一開(kāi)關(guān)模塊包括并聯(lián)連接的第一開(kāi)關(guān)器件S41和第一二極管D41，其中第一二極管D41的陽(yáng)極端連接第一交流輸出端A，第一二極管D41的陰極端連接直流側(cè)的第一端；第二開(kāi)關(guān)模塊包括并聯(lián)連接的第二開(kāi)關(guān)器件S42和第二二極管D42，其中第二二極管D42的陽(yáng)極端連接直流側(cè)的第二端，第二二極管D42的陰極端連接第一交流輸出端A ;第三開(kāi)關(guān)模塊包括并聯(lián)連接的第三開(kāi)關(guān)器件S43和第三二極管D43，其中第三二極管D43的陽(yáng)極端連接第二節(jié)點(diǎn)D，第三二極管D43的陰極端連接第一節(jié)點(diǎn)C。
從而在正向有源狀態(tài)和反向有源狀態(tài)下，第一開(kāi)關(guān)模塊和第二開(kāi)關(guān)模塊分別開(kāi)通，與NPC逆變拓?fù)涞臓顟B(tài)相同。第一開(kāi)關(guān)器件S41、第二開(kāi)關(guān)器件S42、第三開(kāi)關(guān)器件S43均可以使用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，其控制端與逆變單元的控制器連接。表I是本實(shí)施例三電平逆變單元中開(kāi)關(guān)器件在各回路狀態(tài)下的邏輯真值表，在表中，“O”代表斷開(kāi)；“I”代表閉合。表1、三電平逆變單元中開(kāi)關(guān)器件在各回路狀態(tài)下的邏輯真值表
權(quán)利要求1.一種三電平逆變單元，用于將直流側(cè)的直流電能轉(zhuǎn)換為交流側(cè)的交流電能，其中所述直流側(cè)的第一端連接所述直流輸入的正向電壓端，所述直流側(cè)的第二端連接所述直流輸入的負(fù)向電壓端，所述交流側(cè)通過(guò)第一交流輸出端和第二交流輸出端輸出交流電能，其特征在于，包括: 第一開(kāi)關(guān)模塊，設(shè)置在所述直流側(cè)的第一端與所述第一交流輸出端之間； 第二開(kāi)關(guān)模塊，設(shè)置在所述直流側(cè)的第二端與所述第一交流輸出端之間； 第一電容，設(shè)置在所述直流側(cè)的第一端與所述第二交流輸出端之間； 第二電容，設(shè)置在所述直流側(cè)的第二端與所述第二交流輸出端之間； 續(xù)流模塊，設(shè)置在所述第一交流輸出端和第二交流輸出端之間，所述續(xù)流模塊包括第三開(kāi)關(guān)模塊和多個(gè)續(xù)流二極管，其中，所述多個(gè)續(xù)流二極管包括:第四二極管、第五二極管、第六二極管以及第七二極管，所述第五二極管的陽(yáng)極端與所述第七二極管的陽(yáng)極端連接于第二節(jié)點(diǎn)，所述第四二極管的陰極端與所述第六二極管的陰極端連接于第一節(jié)點(diǎn)，所述第四二極管的陽(yáng)極端與所述第五二極管的陰極端連接于所述第二交流輸出端，所述第六二極管的陽(yáng)極端與所述第七二極管的陰極端連接于所述第一交流輸出端，所述第三開(kāi)關(guān)模塊設(shè)置在所述第一節(jié)點(diǎn)和所述第二節(jié)點(diǎn)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三電平逆變單元，其特征在于，所述第三二極管、第四二極管、第五二極管、第六二極管以及第七二極管均為碳化硅肖特基二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三電平逆變單元，其特征在于， 所述第一開(kāi)關(guān)模塊包括并聯(lián)連接的第一開(kāi)關(guān)器件和第一二極管，其中所述第一二極管的陽(yáng)極端連接所述第一交流輸出端，所述第一二極管的陰極端連接所述直流側(cè)的第一端； 所述第二開(kāi)關(guān)模塊包括并聯(lián)連接的第二開(kāi)關(guān)器件和第二二極管，其中所述第二二極管的陽(yáng)極端連接所述 直流側(cè)的第二端，所述第二二極管的陰極端連接所述第一交流輸出端； 所述第三開(kāi)關(guān)模塊包括并聯(lián)連接的第三開(kāi)關(guān)器件和第三二極管，其中第三二極管的陽(yáng)極端連接所述第二節(jié)點(diǎn)，所述第三二極管的陰極端連接所述第一節(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三電平逆變單元，其特征在于，所述第一開(kāi)關(guān)器件、所述第二開(kāi)關(guān)器件、所述第三開(kāi)關(guān)器件均為絕緣柵雙極型晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的三電平逆變單元，其特征在于，用于將光伏陣列輸出的直流電能轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的交流電能，其中，所述直流側(cè)的第一端連接所述光伏陣列的正向電壓端，所述直流側(cè)的第二端連接所述光伏陣列的負(fù)向電壓端，所述第一交流輸出端和所述第二交流輸出端與交流電網(wǎng)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三電平逆變單元，其特征在于，所述第一交流輸出端通過(guò)濾波裝置與所述交流電網(wǎng)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的三電平逆變單元，其特征在于，還包括第三電容，設(shè)置所述直流側(cè)的第二端與地之間。
8.一種光伏逆變器，包括逆變單元，其特征在于，所述逆變單元為根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求7中任一項(xiàng)所述的三電平逆變單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光伏逆變器，用于三相逆變，其特征在于，包括三個(gè)所述三電平逆變單元，該三個(gè)逆變單元的直流側(cè)相互并聯(lián)連接，每個(gè)所述三電平逆變單元用于逆變出一相交流電能。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種三電平逆變單元與光伏逆變器。該三電平逆變單元包括第一開(kāi)關(guān)模塊，設(shè)置在直流側(cè)的第一端與第一交流輸出端之間；第二開(kāi)關(guān)模塊，設(shè)置在直流側(cè)的第二端與第一交流輸出端之間；續(xù)流模塊，設(shè)置在第一交流輸出端和第二交流輸出端之間，包括第三開(kāi)關(guān)模塊和多個(gè)續(xù)流二極管，其中，多個(gè)續(xù)流二極管中的第五二極管的陽(yáng)極端與第七二極管的陽(yáng)極端連接于第二節(jié)點(diǎn)，第四二極管的陰極端與第六二極管的陰極端連接于第一節(jié)點(diǎn)，第四二極管的陽(yáng)極端與第五二極管的陰極端連接于第二交流輸出端，第六二極管的陽(yáng)極端與第七二極管的陰極端連接于第一交流輸出端，第三開(kāi)關(guān)模塊設(shè)置在第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間。光伏逆變器，包括上述三電平逆變單元。本實(shí)用新型節(jié)省設(shè)備成本，控制簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)H02M7/483GK203119788SQ20122074249
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者郭龍龍, 梁京哲, 劉杰, 王鵬飛 申請(qǐng)人:北京君泰聯(lián)創(chuàng)低碳節(jié)能科技有限公司