一種五電平無變壓器型逆變電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種直流電壓轉(zhuǎn)化為交流電壓的電路，應(yīng)用于新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能發(fā)電作為新能源的重要組成部分，獲得越來越大的發(fā)展。在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，將太陽能電池板發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電的逆變轉(zhuǎn)換電路作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心，有著非常重要的作用。
[0003]太陽能系統(tǒng)通?？梢苑譃楠?dú)立型和并網(wǎng)型，后者由于可以最大程度的利用太陽能電池板發(fā)出的能量，因此是目前光伏系統(tǒng)的主要應(yīng)用類型。逆變器拓?fù)淇傮w可以分為帶變壓器隔離和無變壓器型。隔離變壓器可以實(shí)現(xiàn)隔離和升壓的作用，但工頻變壓器體積重、效率低、成本高，安裝不便；高頻變壓器雖然體積和重量下降，但往往系統(tǒng)復(fù)雜，并且輸出電流存在直流分量，效率也同樣偏低；無變壓器型逆變器由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、效率高、體積小且成本低獲得快速的發(fā)展，成為并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。
[0004]由于在直流源和負(fù)載之間沒有變壓器隔離，無變壓器型逆變器存在共模電流干擾的問題。一般由于太陽能電池板面積較大，對地寄生電容也較大，此電容隨外界環(huán)境變化。由于寄生電容的存在，且逆變器中的開關(guān)器件在高頻切換，因此在太陽能電池板端、寄生電容和逆變器中的開關(guān)管、濾波電感以及電網(wǎng)之間存在電流通路，從而有可能形成較大共模電流，此共模電流可能對操作人員人身安全帶來隱患。因此有效抑制并完全消除共模電流是無變壓器型逆變器需要解決的關(guān)鍵問題。
[0005]目前，對于中小功率的單相無變壓器型并網(wǎng)光伏逆變器，往往采用雙極性調(diào)制的全橋電路和半橋電路解決共模電流問題。雙極性調(diào)制的全橋電路開關(guān)損耗大，逆變輸出電壓為兩電平，所需要的濾波電感大，從而效率偏低；半橋電路的輸入電壓需要為全橋電壓的兩倍，往往需要兩級電路實(shí)現(xiàn)，加大電路實(shí)現(xiàn)難度，同樣存在轉(zhuǎn)換效率低的問題；采用了單極性控制的全橋電路時，其逆變輸出電壓為三電平，所需濾波電感較小，但是無法有效的解決共模電流問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對無變壓器型并網(wǎng)光伏逆變器，提出一個新的直流轉(zhuǎn)化為交流的電路，能夠?qū)崿F(xiàn)逆變電壓輸出為五電平，可以減小輸出濾波電感，同時解決共模電流的問題，降低了開關(guān)器件的開關(guān)損耗低，從而可以實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化效率。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種五電平無變壓器型逆變電路，其輸入端為太陽能發(fā)電機(jī)，輸出端為交流電網(wǎng)，其特征在于，包括:電感LI及電感L2，電感LI及電感L2的一端分別與太陽能發(fā)電機(jī)的正極及負(fù)極相連，在電感LI及電感L2的另一端之間跨接串聯(lián)的開關(guān)管一及開關(guān)管二，電感LI另的一端還與二極管Dl的陽極相連，電感L2的另一端還與二極管D2的陰極相連；
[0008]在二極管Dl的陰極與二極管D2的陽極之間跨接串聯(lián)的電容Cl、電容C2、電容C3及電容C4，在電容C2與電容C3之間引出參考電位點(diǎn)(O)，該參考電位點(diǎn)直連至開關(guān)管一與開關(guān)管二之間，電容Cl與電容C2之間的電路及電容C3與電容C4之間的電路分別連接至電感LI的一端與太陽能發(fā)電機(jī)的正極之間的電路及電感L2的一端與太陽能發(fā)電機(jī)的負(fù)極之間的電路；
[0009]在二極管Dl的陰極與二極管D2的陽極之間還跨接串聯(lián)的開關(guān)管三、開關(guān)管四、開關(guān)管五及開關(guān)管六，在開關(guān)管四與開關(guān)管五之間引出逆變器輸出電壓點(diǎn)，逆變器輸出電壓點(diǎn)經(jīng)由濾波電路與交流電網(wǎng)連接，濾波電路串接在逆變器輸出電壓點(diǎn)與參考電位點(diǎn)之間，參考電位點(diǎn)分別與二極管D5的陽極及二極管D6的陰極相連，二極管D5的陰極與開關(guān)管七的一端及二極管D7的陰極相連，二極管D6的陽極與開關(guān)管七的另一端及二極管D8的陽極相連，二極管D7的陽極及二極管D8的陰極與逆變器輸出電壓點(diǎn)相連，二極管D3的陽極與電容Cl與電容C2之間的電路相連，二極管D3的陰極與開關(guān)管三與開關(guān)管四之間的電路相連，二極管D4的陰極與電容C3與電容C4之間的電路相連，二極管D3的陽極與開關(guān)管五與開關(guān)管六之間的電路相連。
[0010]優(yōu)選地，所述開關(guān)管一、開關(guān)管二、開關(guān)管三、開關(guān)管四、開關(guān)管五、開關(guān)管六、開關(guān)管七或?yàn)閮?nèi)部帶反并二極管的開關(guān)晶體管，或由獨(dú)立的開關(guān)晶體管和獨(dú)立的二極管反并聯(lián)后組成，或使用獨(dú)立的開關(guān)晶體管。
[0011]優(yōu)選地，開關(guān)晶體管由開關(guān)器件組成。
[0012]優(yōu)選地，所述開關(guān)器件或?yàn)镮GBT晶體管，或?yàn)镸OSFET晶體管組。
[0013]優(yōu)選地，所述濾波電路或由濾波電感與濾波電容組成，或由濾波電感組成。
[0014]優(yōu)選地，所述濾波電容或?yàn)閱蝹€電容，或?yàn)槎鄠€電容并聯(lián)的組合。
[0015]優(yōu)選地，所述電容Cl、所述電容C2、所述電容C3及所述電容C4或?yàn)閱蝹€電解電容，或?yàn)槎鄠€電解電容并聯(lián)的組合，或?yàn)殡娊怆娙菖c薄膜電容并聯(lián)的組合。
[0016]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了直流轉(zhuǎn)化為交流的功能，并避免了輸入端子出現(xiàn)高頻共模電壓，同時減小了電感容量和開關(guān)器件的開關(guān)損耗，降低了電磁干擾，實(shí)現(xiàn)了高效率轉(zhuǎn)換。
【附圖說明】
[0017]圖1為單相五電平無變壓器型逆變器；
[0018]圖2為變換電路工作狀態(tài)；
[0019]圖3為正半周A區(qū)，發(fā)電回路；
[0020]圖4為正半周A區(qū)，續(xù)流回路；
[0021]圖5為正半周B區(qū)，發(fā)電回路；
[0022]圖6為正半周B區(qū)，續(xù)流回路；
[0023]圖7為負(fù)半周A區(qū)，發(fā)電回路；
[0024]圖8為負(fù)半周A區(qū)，續(xù)流回路；
[0025]圖9為負(fù)半周B區(qū)，發(fā)電回路；
[0026]圖10為負(fù)半周B區(qū)，續(xù)流回路；
[0027]圖11為逆變輸出五電平電壓。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。
[0029]本發(fā)明提出一種直流轉(zhuǎn)化交流的電路，可用于太陽能并網(wǎng)發(fā)電，該電路的輸入端為太陽能發(fā)電機(jī)SG，輸出端為交流電網(wǎng)Ug。它包含三個環(huán)節(jié)，分別是DC環(huán)節(jié)、MID環(huán)節(jié)和AC環(huán)節(jié)。其中，DC環(huán)節(jié)包括兩個電感LI?L2、兩個開關(guān)管SI?S2、兩個二極管Dl?D2 ；MID環(huán)節(jié)包括四顆電容Cl?C4 ；AC環(huán)節(jié)包括六個二極管D3?D8、五個開關(guān)管S3?S7以及一個濾波電感Lf和一個濾波電容Cf，見圖1所示。
[0030]在DC環(huán)節(jié)，電感LI 一端連接到太陽能發(fā)電機(jī)SG的正端，另一端連接到開關(guān)管SI的一端以及二極管Dl的正極，開關(guān)管SI的另一端連接開關(guān)管S2的一端，開關(guān)管S2的另一端連接到電感L2和二極管D2的陰極，電感L2的另一端連接到太陽能發(fā)電機(jī)SG的負(fù)端。此夕卜，二極管Dl的陰極以及二極管D2的陽極分別連接到MID環(huán)節(jié)的I端及4端。
[0031]MID環(huán)節(jié)中電容Cl?C4依次串聯(lián)，其中電容Cl的一端連接到DC環(huán)節(jié)中二極管Dl的陰極和AC環(huán)節(jié)中開關(guān)管S3的一端；C1另一端連接到電容C2的一端、電感LI的一端以及AC環(huán)節(jié)二極管D3的陽極。電容C2的一端連接到Cl的一端、C3的一端、電感LI的一端以及AC環(huán)節(jié)二極管D3的陽極；C2的另一端連接到C3的一端、DC環(huán)節(jié)S1、S2串聯(lián)的中間、和AC環(huán)節(jié)二極管D5的陽極、D6的陰極以及電網(wǎng)的一端。電容C3的一端連接到C2的一端、DC環(huán)節(jié)S1、S2串聯(lián)的中間、和AC環(huán)節(jié)二極管D5的陽極、D6的陰極以及電網(wǎng)的一端；電容C3的另一端連接到電容C4的一端、DC環(huán)節(jié)中電感L2的一端以及AC環(huán)節(jié)二極管D4的陰極。電容C4的一端連接到電容C3的一端、DC環(huán)節(jié)中電感L2的一端以及AC環(huán)節(jié)中二極管D4的陰極；C4的另一端連接到DC環(huán)節(jié)中二極管D2的陽極和AC環(huán)節(jié)中開關(guān)管S6的一端。DC環(huán)節(jié)中，兩顆電容C2、C3串聯(lián)，串聯(lián)端記為“0”，并且和太陽能發(fā)電機(jī)SG并聯(lián)，可以設(shè)定一個參考電位，記為“0V”，則MID環(huán)節(jié)中電容C2、C3相對于OV點(diǎn)的電壓分別為+Upv和-Upv，當(dāng)太陽能發(fā)電機(jī)SG的輸出電壓為Vdc時，電容C2、C3上的電壓均為0.5Vdc，該電壓可作為AC環(huán)節(jié)的輸入電壓。
[0032]AC環(huán)節(jié)中，開關(guān)管S3?S6依次首尾連接，S3和S4串聯(lián)，S4和S5串聯(lián)，S5和S6串聯(lián)，S3的另一端連接DC環(huán)節(jié)二級管Dl的陰極以及MID環(huán)節(jié)電容Cl的一端，S6的另一端連接DC環(huán)節(jié)二級管D2的陽極以及MID環(huán)節(jié)電容C4的一端。二極管D3的陰極連接到開關(guān)管S3、S4中間，二極管D3的陽極連接到MID環(huán)節(jié)電容Cl、C2中間，二極管D4的陽極連接到開關(guān)管S5、S6中間，二極管D4的陰極連接到MID環(huán)節(jié)電容C3、C4中間。電感Lf接開關(guān)管S4和S5之間，電容Cf接輸出電感Lf和電網(wǎng)OV端之間。
[0033]DC環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)對太陽能發(fā)電機(jī)SG輸出電壓的抬升，當(dāng)SG輸出電壓低于電網(wǎng)電壓當(dāng)前值時，DC環(huán)節(jié)表現(xiàn)為升壓電路，將抬升后的電壓施加到MID環(huán)節(jié)，保證MID環(huán)節(jié)的電壓大于電網(wǎng)電壓當(dāng)前值，可以實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)的功率輸出。
[0034]MID環(huán)節(jié)主要由電解電容構(gòu)成，在電網(wǎng)周期的不同時刻，MID環(huán)節(jié)的輸出電壓大小不同，是一個動態(tài)變化的電壓值，該電壓值根據(jù)太陽能發(fā)電機(jī)SG輸出電壓與電網(wǎng)電壓當(dāng)前值的大小關(guān)系確定。在傳統(tǒng)的逆變器中，MID環(huán)節(jié)的電壓都是固定值，這種低頻率動態(tài)的電解電容電壓變化可以提高電解電容的壽命，提高系統(tǒng)的可靠性。MID環(huán)節(jié)作為AC環(huán)節(jié)的輸入端，向AC環(huán)節(jié)提供能量，進(jìn)而向電網(wǎng)提供能量。
[0035]AC環(huán)節(jié)將MID環(huán)節(jié)輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓。該環(huán)節(jié)根據(jù)電網(wǎng)電壓值的大小，將MID環(huán)節(jié)動態(tài)的直流電壓逆變成五電平的電壓脈沖，并且保證該脈沖的幅值大于當(dāng)前電網(wǎng)電壓值。
[0036]在本發(fā)明提出的單相五電平無變壓器型逆變器中，根據(jù)太陽能發(fā)電機(jī)SG輸出電壓與電網(wǎng)電壓的大小關(guān)系，確定DC環(huán)節(jié)是否工作、MID環(huán)節(jié)輸出電壓的大小以及AC環(huán)節(jié)對應(yīng)的工作回路。在正、負(fù)電網(wǎng)周期內(nèi)，對應(yīng)的DC環(huán)節(jié)、MID環(huán)節(jié)、AC環(huán)節(jié)工作電路均不相同，各有四種工作狀態(tài)。
[0037]在這四種狀態(tài)中，各開關(guān)管的驅(qū)動脈沖的時序見圖2所示，其中SI?S7分別表示開關(guān)管SI?S7的驅(qū)動脈沖，DC環(huán)節(jié)的開關(guān)管S1、S2分時段根據(jù)電網(wǎng)電壓的需要進(jìn)行固定脈沖寬度的開關(guān)切換；AC環(huán)節(jié)的開關(guān)管S3?S7分時段根據(jù)電網(wǎng)電壓的需要按照電網(wǎng)正弦波調(diào)制的脈沖寬度的開關(guān)切換。
[0038](I)正半周期的工作狀態(tài)
[0039]在電網(wǎng)的正半周期，當(dāng)AC環(huán)節(jié)的輸入電壓值+Upv大于電網(wǎng)電壓值Ug時，如圖2中正半周期的A區(qū)所示，DC環(huán)節(jié)不工作，開關(guān)管S1、S2 —直處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管D1、D2截止，電感L1、L2無電流流過。太陽能發(fā)電機(jī)SG的輸出電壓+Upv經(jīng)過AC環(huán)節(jié)的二極管D3直接施加到逆變開關(guān)管S4上，通過開關(guān)管S4、S7的高頻率動作(比如20kHz)，實(shí)現(xiàn)直流到交流電壓的變換，此時開關(guān)管S3 —直處于關(guān)斷狀態(tài)。
[0040]在正半周期的A區(qū)，只有開關(guān)管S4、S7高頻率工作，二者互補(bǔ)導(dǎo)通，其他開關(guān)管均不工作。
[004