基于多狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元的五電平光伏逆變器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及電源轉(zhuǎn)換，且更確切地說(shuō)，涉及用于光伏電源系統(tǒng)、不間斷電源供應(yīng)系統(tǒng)以及交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和高壓直流應(yīng)用的三相多電平逆變器。
【背景技術(shù)】
[0002]PV逆變器是PV電源系統(tǒng)的主要組件。需要此設(shè)備以將PV面板(光伏面板)產(chǎn)生的直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源系統(tǒng)(直流至交流)。PV逆變器可以連接到或不連接到電網(wǎng)同步的交流系統(tǒng)。在PV逆變器應(yīng)用中通常使用用于單相以及三相系統(tǒng)的不同轉(zhuǎn)換器電路。現(xiàn)有PV電源系統(tǒng)可以具有變壓器(電隔離)或不具有變壓器(無(wú)變壓器)。PV逆變器在發(fā)送至交流輸出電源系統(tǒng)的電壓以及電流中必須具有低諧波含量，即，分別為電壓以及電流提供低總諧波失真THDi以及THD v，并且控制功率因數(shù)接近于整數(shù)。
[0003]電壓源逆變器(VSI)通常用于此目的，特別是在較高的功率電平下。同樣，多電平VSI在有源開(kāi)關(guān)上呈現(xiàn)較低電壓應(yīng)力，并且因此更適合于高功率電平。電壓電平的數(shù)目越大，跨越開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力就越低，因而降低開(kāi)關(guān)損耗。
[0004]PV逆變器的發(fā)展趨勢(shì)是高效率、高功率密度以及較低成本。然而，實(shí)現(xiàn)高效率往往導(dǎo)致較低的功率密度、高成本以及高重量/體積。
[0005]現(xiàn)今在市場(chǎng)上見(jiàn)到的大多數(shù)三相逆變器是基于三電平NPC(中點(diǎn)箝位式)逆變器(也稱為I型)或三電平有源NPC逆變器(也稱為T(mén)型)，如在參考文獻(xiàn)1以及2中所描述。
[0006]PV逆變器系統(tǒng)通常使用多電平拓?fù)?。參考文獻(xiàn)3中描述了此類(lèi)拓?fù)洹?br>[0007]當(dāng)處理高功率時(shí)，如IGBT、M0SFET、GT0、MCT、BJT、JFET、二極管等等半導(dǎo)體一直是用于本行業(yè)發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用中的有源開(kāi)關(guān)的所選解決方案。然而，使用那些設(shè)備已經(jīng)造成限制效率和/或功率密度的許多問(wèn)題，比如:
[0008]-并聯(lián)設(shè)備之間的均流；
[0009]-因增加的換向損耗所致的開(kāi)關(guān)頻率的降低，這增加了轉(zhuǎn)換器的重量以及大小。
[0010]現(xiàn)有解決方案的另一缺點(diǎn)是EMI電平，EMI電平過(guò)高并且要求具有若干級(jí)的輸出濾波器以便降低CM噪聲以及DM噪聲兩者，從而降低了性能并且增加了單元的體積/成本。功率因數(shù)PF較低并且總諧波失真THD較高。同樣，從PV陣列到地面的泄漏電流較高(超過(guò) 300mA)。
[0011]參考文獻(xiàn)4中描述了三狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元的概念，并且參考文獻(xiàn)5中描述了以提高三電平逆變器的電流能力為目的的此三狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元的應(yīng)用。
[0012]使用此拓?fù)潆娐?，可以改進(jìn)從PV陣列輸入到良好的經(jīng)調(diào)節(jié)交流輸出的能量轉(zhuǎn)換的性能，包括最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT功能性。那些拓?fù)溆糜诟唠娏鲬?yīng)用以及高功率，與具有碳化硅開(kāi)關(guān)的所有傳統(tǒng)的三電平NPC逆變器相比具有高效率。此外，此拓?fù)錄](méi)有限制，并且可以用于其它應(yīng)用中，例如:UPS、HVDC以及交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
[0013]在PV系統(tǒng)中，此拓?fù)潆娐房梢宰鳛槟孀兤鲬?yīng)用于具有隔離變壓器或無(wú)變壓器的電網(wǎng)連接的或孤島的應(yīng)用。
[0014]在現(xiàn)今市場(chǎng)上現(xiàn)有的拓?fù)潆娐分杏锌赡苁褂锰蓟璋雽?dǎo)體、磁性部件以及一定量的重/厚銅導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)高效率。然而，這會(huì)降低功率密度并且增加成本。
[0015]如果為了高功率密度而將優(yōu)化轉(zhuǎn)換器，那么不可避免地將會(huì)降低效率并且增加成本。
[0016]在現(xiàn)今現(xiàn)有的解決方案中用于優(yōu)化的選擇要么是效率要么是高功率密度，但從來(lái)沒(méi)有兩者的同時(shí)優(yōu)化。
[0017]然而，使用根據(jù)本發(fā)明的電路，有可能以低成本實(shí)現(xiàn)高效率以及高功率密度兩者。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]為了克服現(xiàn)有技術(shù)逆變器的問(wèn)題，呈現(xiàn)用于PV逆變器的新拓?fù)潆娐贰Ｊ褂酶鶕?jù)本發(fā)明的逆變器，可以低成本實(shí)現(xiàn)極高效率以及高功率密度。
[0019]三相三電平中點(diǎn)箝位式逆變器是在高功率、高輸入電壓中使用的自然拓?fù)?，并且在傳統(tǒng)上一直是用于PV逆變器應(yīng)用的最常用轉(zhuǎn)換器。然而，基于此轉(zhuǎn)換器技術(shù)的拓?fù)涞闹饕秉c(diǎn)是:需要大型輸出濾波器以減少總諧波失真以及PV陣列到地面的高泄漏電流。使用根據(jù)本發(fā)明的拓?fù)潆娐芬惨褱p少了此缺點(diǎn)。
[0020]轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)一直是解決增加直流-交流電源系統(tǒng)的需求的方式，但是由于均流問(wèn)題以及上述問(wèn)題，這對(duì)于高效率、高功率密度、低成本以及重量減少而言不是理想解決方案。
[0021]最適合于高功率的方法是使用具有實(shí)際上用于電壓以及電流的多電平特征的轉(zhuǎn)換器。
[0022]然而，還沒(méi)有嘗試研究具有比用于低壓電網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)有三電平中點(diǎn)箝位式逆變器更多電平數(shù)目的拓?fù)潆娐贰４嬖谠S多用于中壓以及高壓交流電源系統(tǒng)的使用硅以及碳化硅開(kāi)關(guān)的多電平拓?fù)?。使用碳化硅半?dǎo)體可以增大開(kāi)關(guān)頻率并且減少無(wú)功部件。然而，也增加了驅(qū)動(dòng)復(fù)雜度以及成本。
[0023]多電平拓?fù)渑渲玫囊粋€(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是:隨著轉(zhuǎn)換器中電平的數(shù)目增加，在半導(dǎo)體上的電壓以及電流應(yīng)力減小。這將減少所需的冷卻以及因此減小單元的大小、重量以及體積。
[0024]多電平轉(zhuǎn)換器的另一重要特征是:與傳統(tǒng)的中點(diǎn)箝位式轉(zhuǎn)換器相比，無(wú)功部件的大小、重量以及體積實(shí)質(zhì)上減少。
[0025]由于在本發(fā)明中呈現(xiàn)的新穎拓?fù)潆娐肥俏咫娖侥孀兤?，因此已?jīng)解決了在現(xiàn)今用于本行業(yè)的PV逆變器中發(fā)現(xiàn)的如上文所描述的局限性。
[0026]同時(shí)，與現(xiàn)有拓?fù)湎啾?，在本發(fā)明中已經(jīng)改進(jìn)了逆變器的總諧波失真(THD)、功率因數(shù)(PF)以及電磁干擾(EMI)性能，并且因此可以進(jìn)一步減小輸入濾波器的重量、大小以及體積。
[0027]在此背景下，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種新穎拓?fù)潆娐?，所述新穎拓?fù)潆娐酚绕溥m合于用于PV發(fā)電系統(tǒng)的功率電子領(lǐng)域中的高功率、高效率、高功率密度以及低成本的應(yīng)用或可能需要此電路的其它應(yīng)用。此外，拓?fù)淇梢栽谄渲行枰绷?交流的其它應(yīng)用中使用，例如UPS系統(tǒng)、HVDC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。
[0028]在根據(jù)本發(fā)明的五電平拓?fù)潆娐分校呀?jīng)在PV逆變器上應(yīng)用了三狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元(3SSC)技術(shù)的概念。如上文所描述，此電路的主要特征是:由于損耗的降低以及避免使用碳化硅半導(dǎo)體造成的復(fù)雜度以及成本而實(shí)現(xiàn)高頻率、高效率、高功率密度以及低成本的可能性。
[0029]由于三狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元的內(nèi)置式特征，因此通過(guò)半導(dǎo)體的峰值電流與其它拓?fù)湎啾雀停⑶乙虼藗鲗?dǎo)損耗以及開(kāi)關(guān)損耗更低。這使我們能夠使用有成本效益的半導(dǎo)體以及較小的散熱器，這也將減小單元的總尺寸。取決于應(yīng)用的功率電平，半導(dǎo)體可以是離散的或模塊。避免了碳化硅半導(dǎo)體從而降低驅(qū)動(dòng)復(fù)雜度以及成本。
[0030]由此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用來(lái)將雙極性直流電壓V&以及V dc轉(zhuǎn)換為三相交流輸出電壓的五電平有源中點(diǎn)箝位式逆變器，其中所述轉(zhuǎn)換器包括第一輸入端子P、第二輸入端子MP和第三輸入端子N以及第一、第二和第三輸出端子，并且其中所述逆變器包括:
[0031](i)第一多狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元(MSSC)，所述第一多狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元包括分別連接到逆變器的所述輸入端子p、MP以及N上的三個(gè)輸入端子以及第一輸出端子；
[0032](ii)第二多狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元(MSSC)，所述第二多狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元包括分別連接到逆變器的所述輸入端子p、MP以及N上的三個(gè)輸入端子以及第二輸出端子；
[0033](iii)第三多狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元(MSSC)，所述第三多狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元包括分別連接到逆變器的所述輸入端子p、MP以及N上的三個(gè)輸入端子以及第三輸出端子；
[0034](iv)其中第一 MSSC的輸出端子通過(guò)電感器La連接到逆變器的所述第一輸出端子上，第二 MSSC的輸出端子通過(guò)電感器Lb連接到逆變器的所述第二輸出端子上，并且第三MSSP的輸出端子通過(guò)電感器Lc連接到逆變器的所述第三輸出端子上；并且
[0035](v)其中逆變器的每一對(duì)應(yīng)的輸出端子通過(guò)對(duì)應(yīng)的電容器Ca、Cb、Cc連接到逆變器的所述第二輸入端子MP上。
[0036]按照根據(jù)本發(fā)明的五電平有源中點(diǎn)箝位式逆變器的具體實(shí)施例，多狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元各