三電平半橋光伏併網逆變器的製作方法

2023-05-17 11:26:56

專利名稱：三電平半橋光伏併網逆變器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種逆變器，尤其涉及一種三電平半橋光伏併網逆變器。
背景技術：
在化石能源逐漸短缺，環境汙染問題日益嚴重的今天，太陽能光伏併網發電這種即乾淨又不汙染空氣的能源來源方式越來越受到人們的青睞。毫無疑問，光伏併網逆變器是整個併網型光伏系統能量轉換與控制的核心，它能將太陽能電池所輸出的直流電轉換成符合併網要求的交流電，然後饋入電網，並實現最大功率點跟蹤(MPPT)。在中高壓大功率的場合，多電平逆變器已成為當前電力電子技術中備受人們關注的研究熱點。三電平半橋逆變器是較早出現的一種多電平逆變器，一方面由於其橋臂有+1、 0、-ι三種輸出電平，所以在相同的輸出電壓諧波標準的條件下，其等效的開關頻率可以降低，從而減少了開關損耗，提高了效率。另一方面由於有直流分壓電容中點的存在，使得開關器件所承受的電壓應力只為兩電平時的一半，從而使得低耐壓器件在高壓場合的應用成為可能，避免了將功率管直接串聯使用出現的動靜態均壓問題，給逆變器的設計帶來了很大的方便。最後，將三電平半橋逆變器應用於光伏併網系統時，其自身的拓撲結構就決定了其共模電壓與開關頻率無關，為直流母線電壓的一半，因此，三電平半橋光伏併網逆變器不會產生共模漏電流，相對於其它存在共模漏電流的拓撲而言，減少了向電網中注入的諧波， 提高了電磁兼容性。但是，未加以改進的三電平半橋光伏併網逆變器不可避免地存在著自身的缺陷， 那就是其要求電池板供給該逆變器的電壓必須高於市電峰值電壓才能保證成功併網，由此導致電池板直流電壓利用率低。因為當電池板輸出電壓低時，傳統三電平半橋逆變器的輸入電壓也隨之降低，根本無法實現併網發電。雖然可以通過將輸出電壓小的電池板相串聯而得到輸出電壓高的電池板，進而直接輸入半橋逆變器實現併網。但是相關法規表明電池板的輸入電壓過高將會對整個併網系統尤其是非隔離型的併網系的絕緣性和安全性構成威脅。傳統的解決辦法是在電池板和半橋逆變器之間增設一級隔離型高頻鏈DC/DC升壓變換電路，將電池板的輸出電壓升壓至比市電峰值電壓還高的電壓，然後進行逆變併網。但是由於多增設了一級變換電路，定然會引起整個系統效率的降低，而且隔離型高頻鏈DC/DC 變換器技術門檻高，不易實現。另外，傳統的三電平半橋逆變器在實際實現時存在直流電容中點電位(0)波動的情況，中點電位波動將會導致三電平半橋逆變器輸出電壓發生畸變，這時企圖通過增加輸出電壓的電平數來改善輸出波形的初衷將會大打折扣。因此，在當前形勢下，必須站在一個新的高度來重新審視電力電子逆變器，提出效率更高的電路拓撲或者更為有效的控制策略。

實用新型內容為解決上述問題，本實用新型提供一種三電平半橋光伏併網逆變器，能夠有效地降低傳統三電平半橋逆變系統的輸入電壓，提高電池板電壓利用率，從而使得在電池板電壓低於市電電壓時，依然能夠併網發電而無需另外增設一級較為複雜的高頻鏈DC/DC變換環節。為達到上述目的，本實用新型採用以下技術方案一種三電平半橋光伏併網逆變器，包括半橋逆變電路，還包括工頻切換電路；所述
工頻切換電路包括第一功率開關管、第二功率開關管、第一功率二極體、第一電感、第二功率二極體、第二電感；所述第一功率開關管的集電極與光伏電池板的正端連接，第一功率開關管的發射極接入所述半橋逆變電路中的第一均壓電容與第二均壓電容組成的橋臂的中點，第二功率開關管的發射極接入光伏電池板的負端，第二功率開關管的集電極接入所述第一均壓電容與第二均壓電容組成的橋臂的中點，第一功率二極體的陽極接入光伏電池板的正端與第一功率開關管的集電極之間，第一功率二極體的陰極通過第一電感和第一均壓電容的上端相連接，第二功率二極體的陰極接入光伏電池板的負端與第二功率開關管的發射極之間，第二功率二極體的陽極通過第二電感和第二均壓電容的下端相連接。優選的，所述半橋逆變電路包括第一均壓電容、第二均壓電容、第三功率開關管、 第四功率開關管、第五功率開關管、第六功率開關管、第三功率二極體、第四功率二極體、第三電感；所述第三功率開關管、第四功率開關管、第五功率開關管、第六功率開關管按照上端為集電極、下端為發射極的原則順向串聯，第三功率開關管的集電極與第一均壓電容的上端相連接，第六功率開關管的發射極與第二均壓電容的下端相連接，第三功率二極體的陽極接入第一均壓電容與第二均壓電容組成的橋臂的中點，第三功率二極體的陰極接入第三功率開關管的發射極與第四功率開關管的集電極之間，第四功率二極體的陽極接入第五功率開關管的發射極與第六功率開關管的集電極之間，第四功率二極體的陰極接入第一均壓電容與第二均壓電容組成的橋臂的中點，第三電感的一端接入第四功率開關管的發射極與第五功率開關管的集電極之間，第三電感的另一端與電網的一端相連接，電網的另一端接入第一均壓電容與第二均壓電容組成的橋臂的中點。與現有技術相比，本實用新型具有如下優點一、系統電路結構簡單，易於實現；二、保留了傳統三電平半橋逆變器輸出電壓諧波含量小的特點，使濾波器的體積和重量得以減小；三、採用了三電平架構，電路中的開關器件所承受的電壓應力低，使得中小功率的開關器件可使用在高壓大功率的場合；四、工頻切換電路中的兩個功率開關管均工作在低頻狀態，共模電壓的變化率很小，即共模漏電流亦很小，減小了向電網中注入的諧波含量，提高了電磁兼容性；五、工頻切換電路中的兩個功率開關管由工頻電網電壓過零觸發切換，交替地將太陽能電池板電壓接入直流母線上相應的均壓電容兩端，降低了電池板所需要供給逆變系統的電壓，大幅度地提高直流電壓利用率；而且由於是交替地將電池板電壓供給母線電容， 所以不存在所謂的中點(0)電位浮動問題；六、只需採用單級能量轉換方式即可實現光伏併網和最大功率點跟蹤(MPPT)，充分發揮光伏電池板的最大效能；[0019]七、對前級工頻切換的開關管Sl和S2來講，除了導通損耗，基本沒有開通和關斷損耗；八、工頻切換電路基本沒有開關損耗，且半橋逆變電路始終採用三角載波層疊方式進行PWM調製，減小了開關次數，降低了開關損耗，顯著地提高了整個系統的效率和功率
也/又。

圖1為本實用新型的三電平半橋光伏併網逆變器拓撲示意圖。圖2為本實用新型的三電平半橋光伏併網逆變器拓撲的開關管驅動信號時序關係示意圖。
具體實施方式
本實用新型提供一種三電平半橋光伏併網逆變器，能夠解決現有技術中三電平半橋逆變系統的輸入電壓高、電池板電壓利用率低的問題。
以下結合附圖對本實用新型的具體實施例作進一步描述。如圖1所示，一種三電平半橋光伏併網逆變器，包括工頻切換電路(2)和半橋逆變電路(3)。具體的，所述工頻切換電路包括第一功率開關管(Si，內含反並聯二極體，下同)、第二功率開關管(S2)、第一功率二極體(D1)、第一電感(Li)、第二功率二極體(D2)、第二電感(L2)。在工頻切換電路中，第一功率開關管(Si)的集電極與光伏電池板(1)的正端連接，第一功率開關管(Si)的發射極接入所述半橋逆變電路(2)中的第一均壓電容(Cl)與第二均壓電容(C2)組成的橋臂的中點(0)，第二功率開關管(S2)的發射極接入光伏電池板 (1)的負端，第二功率開關管(S2)的集電極接入所述第一均壓電容(Cl)與第二均壓電容 (C2)組成的橋臂的中點(0)，第一功率二極體(Dl)的陽極接入光伏電池板(1)的正端與第一功率開關管(Si)的集電極之間，第一功率二極體(Dl)的陰極通過第一電感(Li)和第一均壓電容(Cl)的上端相連接，第二功率二極體(D2)的陽極通過第二電感(L2)和第二均壓電容(C2)的下端相連接，第二功率二極體(D2)的陰極接入光伏電池板(1)的負端與第二功率開關管(S2)的發射極之間。另外，所述半橋逆變電路包括第三功率開關管(S3)、第四功率開關管(S4)、第五功率開關管(S5)、第六功率開關管(S6)、第一均壓電容(Cl)、第二均壓電容(C2)、第三功率二極體(D3)、第四功率二極體(D4)、第三電感(L3)。在所述半橋逆變電路中，第三功率開關管(S3)、第四功率開關管(S4)、第五功率開關管(S5)、第六功率開關管(S6)按照上端為集電極、下端為發射極的原則順向串聯，第三功率開關管(S3)的集電極與第一均壓電容(Cl)的上端相連接，第六功率開關管(S6)的發射極與第二均壓電容(C2)的下端相連接，第三功率二極體(D3)的陽極接入第一均壓電容(Cl)與第二均壓電容(C2)組成的橋臂的中點(0)，第三功率二極體(D3)的陰極接入第三功率開關管(S3)的發射極與第四功率開關管(S4)的集電極之間，第四功率二極體(D4)的陽極接入第五功率開關管(S5)的發射極與第六功率開關管(S6)的集電極之間，第四功率二極體(D4)的陰極接入第一均壓電容(Cl)與第二均壓電容(C2)組成的橋臂的中點(0)，第三電感(L3)的其中一端接入第四功率開關管(S4)的發射極與第五功率開關管(S5)的集電極之間，第三電感(L3)的另外一端與電網的其中一端相連接，電網的另一端接入第一均壓電容(Cl)與第二均壓電容(C2)組成的橋臂的中點(0)。本實用新型中的三電平半橋光伏併網逆變器輸出的穩定模態(AO間電壓)與開關狀態的關係如下表所示表1電路穩定模態與開關狀態的關係
權利要求1.一種三電平半橋光伏併網逆變器，包括半橋逆變電路，其特徵在於還包括工頻切換電路；所述工頻切換電路包括第一功率開關管、第二功率開關管、第一功率二極體、第一電感、第二功率二極體、第二電感；所述第一功率開關管的集電極與光伏電池板的正端連接，第一功率開關管的發射極接入所述半橋逆變電路中的第一均壓電容與第二均壓電容組成的橋臂的中點，第二功率開關管的發射極接入光伏電池板的負端，第二功率開關管的集電極接入所述第一均壓電容與第二均壓電容組成的橋臂的中點，第一功率二極體的陽極接入光伏電池板的正端與第一功率開關管的集電極之間，第一功率二極體的陰極通過第一電感和第一均壓電容的上端相連接，第二功率二極體的陰極接入光伏電池板的負端與第二功率開關管的發射極之間，第二功率二極體的陽極通過第二電感和第二均壓電容的下端相連接。
2.根據權利要求1所述的三電平半橋光伏併網逆變器，其特徵在於所述半橋逆變電路包括第一均壓電容、第二均壓電容、第三功率開關管、第四功率開關管、第五功率開關管、第六功率開關管、第三功率二極體、第四功率二極體、第三電感；所述第三功率開關管、第四功率開關管、第五功率開關管、第六功率開關管按照上端為集電極、下端為發射極的原則順向串聯，第三功率開關管的集電極與第一均壓電容的上端相連接，第六功率開關管的發射極與第二均壓電容的下端相連接，第三功率二極體的陽極接入第一均壓電容與第二均壓電容組成的橋臂的中點，第三功率二極體的陰極接入第三功率開關管的發射極與第四功率開關管的集電極之間，第四功率二極體的陽極接入第五功率開關管的發射極與第六功率開關管的集電極之間，第四功率二極體的陰極接入第一均壓電容與第二均壓電容組成的橋臂的中點，第三電感的一端接入第四功率開關管的發射極與第五功率開關管的集電極之間，第三電感的另一端與電網的一端相連接，電網的另一端接入第一均壓電容與第二均壓電容組成的橋臂的中點。
專利摘要本實用新型公開了一種三電平半橋光伏併網逆變器，包括工頻切換電路和半橋逆變電路，該逆變器輸入側接太陽能光伏電池板，輸出側通過併網電感連接電網，工頻切換電路中的兩個功率開關管由工頻電網電壓過零觸發切換，兩個功率開關管以低頻方式工作，交替地將太陽能電池板電壓接入直流母線上相應的均壓電容兩端，從而實現了降低逆變器輸入的直流電壓、提高直流電壓利用率的目的，降低了開關損耗，提高了系統效率。
文檔編號H02M7/483GK202334357SQ201120454518
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者劉斌, 徐海波, 謝積錦 申請人:南昌航空大學, 廣東易事特電源股份有限公司