五電平無(wú)變壓器型逆變電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型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(yáng)能發(fā)電作為新能源的重要組成部分，獲得越來(lái)越大的發(fā)展。在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，將太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心，有著非常重要的作用。
[0003]太陽(yáng)能系統(tǒng)通常可以分為獨(dú)立型和并網(wǎng)型，后者由于可以最大程度的利用太陽(yáng)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(lèi)型。逆變器拓?fù)淇傮w可以分為帶變壓器隔離和無(wú)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(wú)變壓器型逆變器由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(méi)有變壓器隔離，無(wú)變壓器型逆變器存在共模電流干擾的問(wèn)題。一般由于太陽(yáng)能電池板面積較大，對(duì)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(kāi)關(guān)器件在高頻切換，因此在太陽(yáng)能電池板端、寄生電容和逆變器中的開(kāi)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(duì)操作人員人身安全帶來(lái)隱患。因此有效抑制并完全消除共模電流是無(wú)變壓器型逆變器需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0005]目前，對(duì)于中小功率的單相無(wú)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(wèn)題。雙極性調(diào)制的全橋電路開(kāi)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(jí)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(wèn)題；采用了單極性控制的全橋電路時(shí)，其逆變輸出電壓為三電平，所需濾波電感較小，但是無(wú)法有效的解決共模電流問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)無(wú)變壓器型并網(wǎng)光伏逆變器，提出一個(gè)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(shí)解決共模電流的問(wèn)題，降低了開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)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，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是提供了一種五電平無(wú)變壓器型逆變電路，其輸入端為太陽(yáng)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(yáng)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(kāi)關(guān)管一及開(kāi)關(guān)管二，電感LI另的一端還與二極管Dl的陽(yáng)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(yáng)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(kāi)關(guān)管一與開(kāi)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(yáng)能發(fā)電機(jī)的正極之間的電路及電感L2的一端與太陽(yáng)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(yáng)極之間還跨接串聯(lián)的開(kāi)關(guān)管三、開(kāi)關(guān)管四、開(kāi)關(guān)管五及開(kāi)關(guān)管六，在開(kāi)關(guān)管四與開(kāi)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(yáng)極及二極管D6的陰極相連，二極管D5的陰極與開(kāi)關(guān)管七的一端及二極管D7的陰極相連，二極管D6的陽(yáng)極與開(kāi)關(guān)管七的另一端及二極管D8的陽(yáng)極相連，二極管D7的陽(yáng)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(yáng)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(kāi)關(guān)管三與開(kāi)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(yáng)極與開(kāi)關(guān)管五與開(kāi)關(guān)管六之間的電路相連。
[0010]優(yōu)選地，所述開(kāi)關(guān)管一、開(kāi)關(guān)管二、開(kāi)關(guān)管三、開(kāi)關(guān)管四、開(kāi)關(guān)管五、開(kāi)關(guān)管六、開(kāi)關(guān)管七或?yàn)閮?nèi)部帶反并二極管的開(kāi)關(guān)晶體管，或由獨(dú)立的開(kāi)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(kāi)關(guān)晶體管。
[0011]優(yōu)選地，開(kāi)關(guān)晶體管由開(kāi)關(guān)器件組成。
[0012]優(yōu)選地，所述開(kāi)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€(gè)電容，或?yàn)槎鄠€(gè)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€(gè)電解電容，或?yàn)槎鄠€(gè)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]本實(shí)用新型實(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(shí)減小了電感容量和開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)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(shuō)明】
[0017]圖1為單相五電平無(wú)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]為使本實(shí)用新型更明顯易懂，茲以?xún)?yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0029]本實(shí)用新型提出一種直流轉(zhuǎn)化交流的電路，可用于太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電，該電路的輸入端為太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)SG，輸出端為交流電網(wǎng)Ug。它包含三個(gè)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(gè)電感LI?L2、兩個(gè)開(kāi)關(guān)管SI?S2、兩個(gè)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(gè)二極管D3?D8、五個(gè)開(kāi)關(guān)管S3?S7以及一個(gè)濾波電感Lf和一個(gè)濾波電容Cf，見(jiàn)圖1所示。
[0030]在DC環(huán)節(jié)，電感LI 一端連接到太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)SG的正端，另一端連接到開(kāi)關(guān)管SI的一端以及二極管Dl的正極，開(kāi)關(guān)管SI的另一端連接開(kāi)關(guān)管S2的一端，開(kāi)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(yáng)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(yáng)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(kāi)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極和AC環(huán)節(jié)中開(kāi)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(yáng)能發(fā)電機(jī)SG并聯(lián)，可以設(shè)定一個(gè)參考電位，記為“0V”，則MID環(huán)節(jié)中電容C2、C3相對(duì)于OV點(diǎn)的電壓分別為+Upv和-Upv，當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)SG的輸出電壓為Vdc時(shí)，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(kāi)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(jí)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(jí)管D2的陽(yáng)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(kāi)關(guān)管S3、S4中間，二極管D3的陽(yáng)極連接到MID環(huán)節(jié)電容Cl、C2中間，二極管D4的陽(yáng)極連接到開(kāi)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(kāi)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(duì)太陽(yáng)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(shí)，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(shí)刻，MID環(huán)節(jié)的輸出電壓大小不同，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的電壓值，該電壓值根據(jù)太陽(yáng)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(dòng)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(dòng)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]在本實(shí)用新型提出的單相五電平無(wú)變壓器型逆變器中，根據(jù)太陽(yáng)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(duì)應(yīng)的工作回路。在正、負(fù)電網(wǎng)周期內(nèi)，對(duì)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(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)序見(jiàn)圖2所示，其中SI?S7分別表示開(kāi)關(guān)管SI?S7的驅(qū)動(dòng)脈沖，DC環(huán)節(jié)的開(kāi)關(guān)管S1、S2分時(shí)段根據(jù)電網(wǎng)電壓的需要進(jìn)行固定脈沖寬度的開(kāi)關(guān)切換；AC環(huán)節(jié)的開(kāi)關(guān)管S3?S7分時(shí)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(kāi)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(shí)，如圖2中正半周期的A區(qū)所示，DC環(huán)節(jié)不工作，開(kāi)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(wú)電流流過(guò)。太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)SG的輸出電壓+Upv經(jīng)過(guò)AC環(huán)節(jié)的二極管D3直接施加到逆變開(kāi)關(guān)管S4上，通過(guò)開(kāi)關(guān)管S4、S7的高頻率動(dòng)作(比如20kHz)，實(shí)現(xiàn)直流到交流電壓的變換，此時(shí)開(kāi)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(kāi)關(guān)管S4、S7高頻率工作，二者互補(bǔ)導(dǎo)通，其他開(kāi)關(guān)管均不工作。