飛跨電容五電平逆變器、移相控制方法和新能源發電系統與流程

2023-06-18 17:25:41 2

本發明屬於電力電子技術領域，涉及一種飛跨電容五電平逆變器及其採用的移相控制方法和基於它的新能源發電系統，可以應用於太陽能發電、風力發電等新能源發電行業。

背景技術：

由於常規能源的有限性以及環境問題的日益突出,使得以環保和可再生為特徵的新能源越來越得到各國的重視。逆變器作為新能源與電網或負載的接口，其性能直接影響新能源發電系統的性能。按照輸出電平來說，逆變器通常可分為兩電平逆變器和多電平逆變器。

目前，對於單相光伏逆變器的結構是h4、h5、h6等拓撲結構，這些結構由於結構簡單等優點在光伏發電系統得到了廣泛的應用。但這些拓撲結構逆變器輸出的電平數為2個，即為兩電平逆變器，其存在逆變器輸出濾波電感大和需要較高的開關頻率等不足。

與傳統的兩電平逆變器相比，多電平逆變器由於輸出具有更低的諧波含量、更高的輸出波形質量、開關器件承受的耐壓應力減小而壽命延長，因而在可再生能源發電方面得到了廣泛的應用。

例如在申請號為201410126713.2的發明專利《一種飛跨電容型三電平逆變裝置的控制方法》中，公開了應用改進載波層疊pwm方法的飛跨電容型三電平逆變裝置的控制方法，得出逆變器控制所需的「1」、「0」、「‐1」狀態，利用飛跨電容開關狀態冗餘特性，增加零電平向量選擇環節來實現飛跨電容型三電平逆變裝置的控制，其為三電平逆變裝置，輸出電平數量較少。而在申請號為201120262122.x的實用新型專利《飛跨電容式五電平光伏逆變器》中公開了一種飛跨電容式五電平光伏逆變器，每一相由8個電力電子開關管和5個鉗位電容構成，逆變器每相橋臂輸出五個電平，提高整個太陽能發電系統發電效率高，注入電網的諧波小，但其在性能和效率方面仍具有提升空間。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種能夠進一步提高逆變性能和效率的飛跨電容五電平逆變器。

為達到上述目的，本發明採用的技術方案是：

一種飛跨電容五電平逆變器，用於連接新能源發電裝置和電網，所述飛跨電容五電平逆變器包括16個高頻mosfet管和6個飛跨電容；

16個所述高頻mosfet管均分為兩組，每組的8個所述高頻mosfet管通過源極和漏極相串聯而構成一條橋臂，兩條橋臂均連接於所述新能源發電裝置所連接的直流母線的兩端；

第1條所述橋臂中：第1個所述高頻mosfet管與第2個所述高頻mosfet管之間構成pa1節點，第2個所述高頻mosfet管與第3個所述高頻mosfet管之間構成pa2節點，第3個所述高頻mosfet管和第4個所述高頻mosfet管之間構成pa3節點，第4個所述高頻mosfet管與第5個所述高頻mosfet管之間構成a節點，第5個所述高頻mosfet管與第6個所述高頻mosfet管之間構成na3節點，第6個所述高頻mosfet管與第7個所述高頻mosfet管之間構成na2節點，第7個所述高頻mosfet管與第8個所述高頻mosfet管之間構成na1節點；

第2條所述橋臂中：第1個所述高頻mosfet管與第2個所述高頻mosfet管之間構成pb1節點，第2個所述高頻mosfet管與第3個所述高頻mosfet管之間構成pb2節點，第3個所述高頻mosfet管和第4個所述高頻mosfet管之間構成pb3節點，第4個所述高頻mosfet管與第5個所述高頻mosfet管之間構成d節點，第5個所述高頻mosfet管與第6個所述高頻mosfet管之間構成nb3節點，第6個所述高頻mosfet管與第7個所述高頻mosfet管之間構成nb2節點，第7個所述高頻mosfet管與第8個所述高頻mosfet管之間構成nb1節點；

第1個所述飛跨電容連接於所述pa1節點與所述na1節點之間，第2個所述飛跨電容連接於所述pa2節點與所述na2節點之間，第3個所述飛跨電容連接於所述pa3節點與所述na3節點之間；第4個所述飛跨電容連接於所述pb1節點與所述nb1節點之間，第5個所述飛跨電容連接於所述pb2節點與所述nb2節點之間，第6個所述飛跨電容連接於所述pb3節點與所述nb3節點之間；

所述a節點和所述d節點構成所述飛跨電容五電平逆變器的輸出端而與所述電網相連接。

構成第1條所述橋臂的高頻mosfet管分別為電力電子開關管sa1、電力電子開關管sa2、電力電子開關管sa3、電力電子開關管sa4、電力電子開關管sa5、電力電子開關管sa6、電力電子開關管sa7、電力電子開關管sa8；所述電力電子開關管sa1的漏極與所述直流母線的正極相連接，所述電力電子開關管sa2的漏極與所述電力電子開關管sa1的源極相連接，所述電力電子開關管sa3的漏極與所述電力電子開關管sa2的源極相連接，所述電力電子開關管sa4的漏極與所述電力電子開關管sa3的源極相連接，所述電力電子開關管sa5的漏極與所述電力電子開關管sa4的源極相連接，所述電力電子開關管sa6的漏極與所述電力電子開關管sa5的源極相連接，所述電力電子開關管sa7的漏極與所述電力電子開關管sa6的源極相連接，所述電力電子開關管sa8的漏極與所述電力電子開關管sa7的源極相連接，所述電力電子開關管sa8的源極與所述直流母線的負極相連接；

構成第2條所述橋臂的高頻mosfet管分別為電力電子開關管sb1、電力電子開關管sb2、電力電子開關管sb3、電力電子開關管sb4、電力電子開關管sb5、電力電子開關管sb6、電力電子開關管sb7、電力電子開關管sb8；所述電力電子開關管sb1的漏極與所述直流母線的正極相連接，所述電力電子開關管sb2的漏極與所述電力電子開關管sb1的源極相連接，所述電力電子開關管sb3的漏極與所述電力電子開關管sb2的源極相連接，所述電力電子開關管sb4的漏極與所述電力電子開關管sb3的源極相連接，所述電力電子開關管sb5的漏極與所述電力電子開關管sb4的源極相連接，所述電力電子開關管sb6的漏極與所述電力電子開關管sb5的源極相連接，所述電力電子開關管sb7的漏極與所述電力電子開關管sb6的源極相連接，所述電力電子開關管sb8的漏極與所述電力電子開關管sb7的源極相連接，所述電力電子開關管sb8的源極與所述直流母線的負極相連接。

所述a節點和所述d節點經lc濾波器而與所述電網相連接。

所述lc濾波器包括兩個濾波電感和一個濾波電容；一個所述濾波電感的一端與所述a節點相連接而另一端形成b節點而與所述電網相連接，另一個所述濾波電感的一端與所述d節點相連接而另一端形成c節點而與所述電網相連接，所述濾波電容連接於所述b節點和所述c節點之間。

本發明還提供了一種新能源發電系統，它包括新能源發電裝置、與所述新能源發電裝置相連接的逆變器、與所述逆變器相連接的lc濾波器、與所述lc濾波器相連接的電網，其中所述逆變器為前述的飛跨電容五電平逆變器。

本發明還提供了前述飛跨電容五電平逆變器採用的移相控制方法，該移相控制方法為：第1條所述橋臂中：第2個所述高頻mosfet管的載波信號相較於第1個所述高頻mosfet管的載波信號移相ts/4，第3個所述高頻mosfet管的載波信號相較於第2個所述高頻mosfet管的載波信號移相ts/4，第4個所述高頻mosfet管的載波信號相較於第3個所述高頻mosfet管的載波信號移相ts/4，其中ts為載波信號的周期，並使得第1條所述橋臂中的第1個所述高頻mosfet管的驅動信號與第2條所述橋臂中第6個所述高頻mosfet管的驅動信號相同、第1條所述橋臂中的第2個所述高頻mosfet管的驅動信號與第2條所述橋臂中第5個所述高頻mosfet管的驅動信號相同、第1條所述橋臂中的第3個所述高頻mosfet管的驅動信號與第2條所述橋臂中第8個所述高頻mosfet管的驅動信號相同、第1條所述橋臂中的第4個所述高頻mosfet管的驅動信號與第2條所述橋臂中第7個所述高頻mosfet管的驅動信號相同、第1條所述橋臂中的第5個所述高頻mosfet管的驅動信號與第2條所述橋臂中第2個所述高頻mosfet管的驅動信號相同、第1條所述橋臂中的第6個所述高頻mosfet管的驅動信號與第2條所述橋臂中第1個所述高頻mosfet管的驅動信號相同、第1條所述橋臂中的第7個所述高頻mosfet管的驅動信號與第2條所述橋臂中第4個所述高頻mosfet管的驅動信號相同、第1條所述橋臂中的第8個所述高頻mosfet管的驅動信號與第2條所述橋臂中第3個所述高頻mosfet管的驅動信號相同，且第1條所述橋臂中第1個所述高頻mosfet管的驅動信號與第8個所述高頻mosfet管的驅動信號互補、第2個所述高頻mosfet管的驅動信號與第7個所述高頻mosfet管的驅動信號互補、第3個所述高頻mosfet管的驅動信號與第6個所述高頻mosfet管的驅動信號互補、第4個所述高頻mosfet管的驅動信號與第5個所述高頻mosfet管的驅動信號互補。

第1個所述飛跨電容的電壓和第4個所述飛跨電容的電壓控制為所述直流母線電壓的3/4，第2個所述飛跨電容的電壓和第5個所述飛跨電容的電壓控制為所述直流母線電壓的1/2，第3個所述飛跨電容的電壓和第6個所述飛跨電容的電壓控制為所述直流母線電壓的1/4。

由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點：本發明採用h橋結構的飛跨電容型五電平逆變器結構，並通過移相控制來實現光伏逆變器的控制，能夠進一步提高逆變器的性能和效率。

附圖說明

附圖1為本發明的新能源發電系統的系統結構圖。

附圖2為本發明的新能源發電系統的狀態1的原理圖。

附圖3為本發明的新能源發電系統的狀態2的原理圖。

附圖4為本發明的新能源發電系統的狀態3的原理圖。

附圖5為本發明的新能源發電系統的狀態4的原理圖。

附圖6為本發明的新能源發電系統的狀態5的原理圖。

附圖7為本發明的新能源發電系統的狀態6的原理圖。

附圖8為本發明的新能源發電系統的狀態7的原理圖。

附圖9為本發明的新能源發電系統的狀態8的原理圖。

附圖10為本發明的新能源發電系統的狀態9的原理圖。

附圖11為本發明的新能源發電系統的狀態10的原理圖。

附圖12為本發明的新能源發電系統的狀態11的原理圖。

附圖13為本發明的新能源發電系統的狀態12的原理圖。

附圖14為本發明的新能源發電系統的狀態13的原理圖。

附圖15為本發明的新能源發電系統的狀態14的原理圖。

附圖16為本發明的新能源發電系統的狀態15的原理圖。

附圖17為本發明的新能源發電系統的狀態16的原理圖。

附圖18為本發明的新能源發電系統的載波移相示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖所示的實施例對本發明作進一步描述。

實施例一：如附圖1所示，新能源發電系統包括新能源發電裝置、與新能源發電裝置相連接的逆變器、與逆變器相連接的lc濾波器、與lc濾波器相連接的電網。本實施例中，新能源發電裝置為光伏陣列，在附圖1中，該新能源發電裝置由直流電源edc和直流輸入電阻rdc等效，其兩端分別形成直流母線的正極p和負極n。其中，逆變器用於連接新能源發電裝置和電網而根據光伏陣列輸入的功率，實現有功功率和無功功率控制。lc濾波器用於濾除逆變器輸出的電流高頻分量。

逆變器採用飛跨電容五電平逆變器，該飛跨電容五電平逆變器包括16個高頻mosfet管和6個飛跨電容。16個高頻mosfet管分別為電力電子開關管sa1、電力電子開關管sa2、電力電子開關管sa3、電力電子開關管sa4、電力電子開關管sa5、電力電子開關管sa6、電力電子開關管sa7、電力電子開關管sa8、電力電子開關管sb1、電力電子開關管sb2、電力電子開關管sb3、電力電子開關管sb4、電力電子開關管sb5、電力電子開關管sb6、電力電子開關管sb7、電力電子開關管sb8。6個飛跨電容分別為電容ca1、電容ca2、電容ca3、電容cb1、電容cb2、電容cb3。

上述16個高頻mosfet管均分為兩組，每組包括8個高頻mosfet管，每組中的8個高頻mosfet管通過源極和漏極相串聯而構成一條橋臂，且兩條橋臂均連接於新能源發電裝置所連接的直流母線的正負兩端。即電力電子開關管sa1、電力電子開關管sa2、電力電子開關管sa3、電力電子開關管sa4、電力電子開關管sa5、電力電子開關管sa6、電力電子開關管sa7、電力電子開關管sa8分為一組而構成第1條橋臂，電力電子開關管sb1、電力電子開關管sb2、電力電子開關管sb3、電力電子開關管sb4、電力電子開關管sb5、電力電子開關管sb6、電力電子開關管sb7、電力電子開關管sb8分為另一組而構成第2條橋臂。

具體的，在第1條橋臂中：電力電子開關管sa1的漏極與直流母線的正極相連接，電力電子開關管sa2的漏極與電力電子開關管sa1的源極相連接，電力電子開關管sa3的漏極與電力電子開關管sa2的源極相連接，電力電子開關管sa4的漏極與電力電子開關管sa3的源極相連接，電力電子開關管sa5的漏極與電力電子開關管sa4的源極相連接，電力電子開關管sa6的漏極與電力電子開關管sa5的源極相連接，電力電子開關管sa7的漏極與電力電子開關管sa6的源極相連接，電力電子開關管sa8的漏極與電力電子開關管sa7的源極相連接，電力電子開關管sa8的源極與直流母線的負極相連接。第1個高頻mosfet管與第2個高頻mosfet管之間構成pa1節點，第2個高頻mosfet管與第3個高頻mosfet管之間構成pa2節點，第3個高頻mosfet管和第4個高頻mosfet管之間構成pa3節點，第4個高頻mosfet管與第5個高頻mosfet管之間構成a節點，第5個高頻mosfet管與第6個高頻mosfet管之間構成na3節點，第6個高頻mosfet管與第7個高頻mosfet管之間構成na2節點，第7個高頻mosfet管與第8個高頻mosfet管之間構成na1節點。

在第2條橋臂中：電力電子開關管sb1的漏極與直流母線的正極相連接，電力電子開關管sb2的漏極與電力電子開關管sb1的源極相連接，電力電子開關管sb3的漏極與電力電子開關管sb2的源極相連接，電力電子開關管sb4的漏極與電力電子開關管sb3的源極相連接，電力電子開關管sb5的漏極與電力電子開關管sb4的源極相連接，電力電子開關管sb6的漏極與電力電子開關管sb5的源極相連接，電力電子開關管sb7的漏極與電力電子開關管sb6的源極相連接，電力電子開關管sb8的漏極與電力電子開關管sb7的源極相連接，電力電子開關管sb8的源極與直流母線的負極相連接。第1個高頻mosfet管與第2個高頻mosfet管之間構成pb1節點，第2個高頻mosfet管與第3個高頻mosfet管之間構成pb2節點，第3個高頻mosfet管和第4個高頻mosfet管之間構成pb3節點，第4個高頻mosfet管與第5個高頻mosfet管之間構成d節點，第5個高頻mosfet管與第6個高頻mosfet管之間構成nb3節點，第6個高頻mosfet管與第7個高頻mosfet管之間構成nb2節點，第7個高頻mosfet管與第8個高頻mosfet管之間構成nb1節點。

第1個飛跨電容ca1連接於pa1節點與na1節點之間，第2個飛跨電容ca2連接於pa2節點與na2節點之間，第3個飛跨電容ca3連接於pa3節點與na3節點之間；第4個飛跨電容cb1連接於pb1節點與nb1節點之間，第5個飛跨電容cb2連接於pb2節點與nb2節點之間，第6個飛跨電容cb3連接於pb3節點與nb3節點之間。

a節點和d節點構成飛跨電容五電平逆變器的輸出端，並經lc濾波器而與電網eg相連接。lc濾波器包括兩個濾波電感l1、l2和一個濾波電容c4。一個濾波電感l1的一端與a節點相連接而另一端形成b節點而與電網eg相連接，另一個濾波電感l2的一端與d節點相連接而另一端形成c節點而與電網eg相連接，濾波電c4容連接於b節點和c節點之間，即濾波電c4與電網eg並聯。

上述飛跨電容五電平逆變器採用移相控制的方法，具體為：第1條橋臂中：第2個高頻mosfet管(電力電子開關管sa2)的載波信號相較於第1個高頻mosfet管(電力電子開關管sa1)的載波信號移相ts/4，第3個高頻mosfet管(電力電子開關管sa3)的載波信號相較於第2個高頻mosfet管(電力電子開關管sa2)的載波信號移相ts/4，第4個高頻mosfet管(電力電子開關管sa4)的載波信號相較於第3個高頻mosfet管(電力電子開關管sa3)的載波信號移相ts/4，其中ts為載波信號的周期，如附圖18所示。並使得第1條橋臂中的第1個高頻mosfet管(電力電子開關管sa1)的驅動信號與第2條橋臂中第6個高頻mosfet管(電力電子開關管sb6)的驅動信號相同、第1條橋臂中的第2個高頻mosfet管(電力電子開關管sa2)的驅動信號與第2條橋臂中第5個高頻mosfet管(電力電子開關管sb5)的驅動信號相同、第1條橋臂中的第3個高頻mosfet管(電力電子開關管sa3)的驅動信號與第2條橋臂中第8個高頻mosfet管(電力電子開關管sb8)的驅動信號相同、第1條橋臂中的第4個高頻mosfet管(電力電子開關管sa4)的驅動信號與第2條橋臂中第7個高頻mosfet管(電力電子開關管sb7)的驅動信號相同、第1條橋臂中的第5個高頻mosfet管(電力電子開關管sa5)的驅動信號與第2條橋臂中第2個高頻mosfet管(電力電子開關管sb2)的驅動信號相同、第1條橋臂中的第6個高頻mosfet管(電力電子開關管sa6)的驅動信號與第2條橋臂中第1個高頻mosfet管(電力電子開關管sb1)的驅動信號相同、第1條橋臂中的第7個高頻mosfet管(電力電子開關管sa7)的驅動信號與第2條橋臂中第4個高頻mosfet管(電力電子開關管sb4)的驅動信號相同、第1條橋臂中的第8個高頻mosfet管(電力電子開關管sa8)的驅動信號與第2條橋臂中第3個高頻mosfet管(電力電子開關管sb3)的驅動信號相同；且第1條橋臂中第1個高頻mosfet管(電力電子開關管sa1)的驅動信號與第8個高頻mosfet管(電力電子開關管sa8)的驅動信號互補、第2個高頻mosfet管(電力電子開關管sa2)的驅動信號與第7個高頻mosfet管(電力電子開關管sa7)的驅動信號互補、第3個高頻mosfet管(電力電子開關管sa3)的驅動信號與第6個高頻mosfet管(電力電子開關管sa6)的驅動信號互補、第4個高頻mosfet管(電力電子開關管sa4)的驅動信號與第5個高頻mosfet管(電力電子開關管sa5)的驅動信號互補。

對於圖1，以直流母線的負極n點為參考電壓點，直流母線電壓為vdc，第1個飛跨電容ca1的電壓和第4個飛跨電容cb1的電壓控制為直流母線電壓的3/4，即3vdc/4；第2個飛跨電容ca2的電壓和第5個飛跨電容cb2的電壓控制為直流母線電壓的1/2，即vdc/2；第3個飛跨電容ca3的電壓和第6個飛跨電容cb3的電壓控制為直流母線電壓的1/4，即vdc/4。

從而，上述飛跨電容五電平逆變器共計具有16個狀態，能夠輸出5個電平。各個狀態下的各高頻mosfet管的狀態和輸出電壓如下表1所示，各個狀態的電流流向如附圖2至附圖17所示。

表1飛跨電容五電平逆變器輸出電壓與逆變器開關狀態的關係

本發明採用h橋結構的飛跨電容型五電平逆變器結構，並通過移相控制來實現光伏逆變器的控制，具有控制算法簡單等優點。從而進一步提高光伏逆變器的性能和效率。和傳統兩電平單相逆變器相比，本發明具有以下明顯優勢：(1)大大提高逆變器效率(逆變器的電力電子開關管可以用導通損耗小的低壓金屬氧化物半導體場效應電晶體(metallicoxidesemiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)；(2)逆變器的濾波電感大大變小(逆變器輸出電壓為5電平，而傳統逆變器為2電平)；(3)大大減少逆變器的輸出電壓變化率。

上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。