BR112018006287B1

BR112018006287B1 - Inversor de múltiplos níveis e um sistema de fornecimento de potência

Info

Publication number: BR112018006287B1
Application number: BR112018006287-1A
Authority: BR
Inventors: Lei Shi; Dianbo Fu; Zhen Cao
Original assignee: Huawei Technologies Co., Ltd.
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2022-09-06
Also published as: EP3343749A4; US10177683B2; JP2018530306A; JP6454056B2; CN106559004A; EP3343749A1; BR112018006287A2; CN106559004B; US20180219492A1; WO2017054680A1

Abstract

INVERSOR DE MÚLTIPLOS NÍVEIS E UM SISTEMA DE FORNECIMENTO DE POTÊNCIA. É fornecido um inversor de múltiplos níveis, incluindo uma unidade de entrada de corrente contínua (102), um primeiro comutador bidirecional (104), um segundo comutador bidirecional (106), um terceiro capacitor (C3) e uma unidade inversora (108). A unidade de entrada de corrente contínua inclui um primeiro capacitor (C1) e um segundo capacitor (C2) que são conectados em série entre os terminais positivo e negativo da fonte de potência de entrada de corrente contínua (E). A unidade inversora (108) inclui um primeiro tubo de comutação (Q1), um segundo tubo de comutação (Q2), um terceiro tubo de comutação (Q3), e um quarto tubo de comutação (Q4) que são conectados em série codirecionalmente entre os terminais positivo e negativo da fonte de potência de entrada de corrente contínua. Um terminal do primeiro comutador bidirecional (104) é conectado a um ponto de conexão entre o terceiro tubo de comutação e o quarto tubo de comutação, um terminal do segundo comutador bidirecional é conectado a um ponto de conexão entre o primeiro tubo de comutação e o segundo tubo de comutação, e o outro terminal do primeiro comutador bidirecional (104) ou o segundo comutador bidirecional é conectado a um ponto de conexão (...).

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção pertence ao campo das tecnologias de fontes de potência e, especificamente, refere-se a um inversor de múltiplos níveis e um sistema de fornecimento de potência que compreende o inversor de múltiplos níveis.

FUNDAMENTOS

[002] Nos últimos anos, energia renovável, em particular, energia solar fotovoltaica, vem ganhando mais atenção e tem sido aplicada em grande escala em regiões como a Europa, América do Norte e Ásia. Um sistema típico de geração de energia fotovoltaica converte a energia solar em corrente contínua com a tensão e corrente específicas por conectar um ou mais painéis fotovoltaicos em série ou em paralelo, e, em seguida, converter a corrente contínua em corrente alternada através de um inversor fotovoltaico, e transmitir a corrente alternada para uma rede elétrica, de modo que a energia solar seja convertida em energia na rede elétrica. Em uma faixa aceitável de isolamento, a tensão de saída de corrente contínua pelos painéis é geralmente aumentada pela conexão dos painéis em série. Desta forma, uma maior potência pode ser produzida em uma mesma corrente (diâmetro de cabo), para reduzir os custos do sistema. Atualmente, em sistemas de geração de energia solar conectados à rede trifásicos que são usados, uma saída de tensão máxima de larga escala pelos painéis conectados em série é de até 1000 V, e painéis cuja capacidade de suporte é de 1500 V foram lançados. Neste caso, os custos do sistema são esperados ser ainda mais reduzidos. No entanto, a tensão de saída dos painéis aumenta, um requisito maior foi imposto ao desempenho de um dispositivo semicondutor de comutação em uma parte de conversão de potência de um inversor. Atualmente, para um dispositivo semicondutor de potência convencional, características de perda de comutação são relativamente boas quando tensão de resistência é inferior a 1.200 V, e a eficiência de conversão relativamente ideal pode ser conseguida em um caso da frequência de comutação relativamente elevada. Um tamanho e peso de um circuito de filtro podem ser reduzidos em um caso de frequência de comutação relativamente alta. Isso facilita a miniaturização do sistema.

[003] Para reduzir o tamanho e o peso de uma peça de filtro de um inversor, os conversores de múltiplos níveis que são aplicados ao campo de alta tensão e alta potência ganharam grande atenção na indústria de eletrônica de potência. Devido a uma limitação na capacidade de tensão de um dispositivo eletrônico de potência, um conversor de frequência de dois níveis normalmente obtém alta tensão e alta potência em uma maneira "alta para baixa para alta" por diminuir e aumentar a tensão usando um transformador, ou obtém alta tensão e alta potência conectando várias unidades inversoras de pequena capacidade em série por meio de múltiplos enrolamentos em um transformador de múltiplos enrolamentos. Isso reduz a eficiência e a confiabilidade do sistema.

SUMÁRIO

[004] Esta aplicação fornece um inversor de múltiplos níveis, para produzir mais níveis, garantindo assim a eficiência e confiabilidade do sistema.

[005] Para atingir o objetivo anterior, as soluções técnicas que seguem são utilizadas em modalidades da presente invenção.

[006] De acordo com um primeiro aspecto, é fornecido um inversor de múltiplos níveis, incluindo uma unidade de entrada de corrente contínua e uma unidade inversora, e o inversor de múltiplos níveis inclui ainda um primeiro comutador bidirecional, um segundo comutador bidirecional e um terceiro capacitor C3, onde a unidade de entrada de corrente contínua inclui um primeiro capacitor C1 e um segundo capacitor C2, e o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2 são conectados em série entre terminais positivo e negativo de uma fonte de potência de entrada de corrente contínua; a unidade inversora inclui quatro tubos de comutação conectados em série codirecionalmente entre os terminais positivo e negativo da fonte de potência de entrada de corrente contínua, onde os quatro tubos de comutação incluem um primeiro tubo de comutação Q1, um segundo tubo de comutação Q2, um terceiro tubo de comutação Q3, e um quarto tubo de comutação Q4, e os quatro tubos de comutação são conectados em série codirecionalmente entre os eletrodos positivo e negativo da fonte de potência de entrada de corrente contínua em uma sequência de Q1, Q2, Q3 e Q4; um terminal do primeiro comutador bidirecional é conectado a um ponto de conexão entre o terceiro tubo de comutação Q3 e o quarto tubo de comutação Q4, e o outro terminal do primeiro comutador bidirecional é conectado a um ponto de conexão entre o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2, para implementar controle de ativação e desativação bidirecional da corrente que está entre dois terminais do primeiro comutador bidirecional; um terminal do segundo comutador bidirecional é conectado a um ponto de conexão entre o primeiro tubo de comutação Q1 e o segundo tubo de comutação Q2, e o outro terminal do segundo comutador bidirecional é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2, para implementar o controle de ativação e desativação bidirecional da corrente que está entre dois terminais do segundo comutador bidirecional; um terminal positivo do terceiro capacitor C3 é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro tubo de comutação Q1 e o segundo tubo de comutação Q2, e um terminal negativo do terceiro capacitor C3 é conectado ao ponto de conexão entre o terceiro tubo de comutação Q3 e o quarto tubo de comutação Q4; e cada um dos tubos de comutação Q1 a Q4 é conectado inversamente em paralelo a um diodo.

[007] Com referência ao primeiro aspecto, em uma primeira implementação do primeiro aspecto, o primeiro comutador bidirecional inclui um quinto Tubo de comutação Q5 e um sexto Tubo de comutação Q6 que são inversamente conectados em série, um terminal do quinto tubo de comutação Q5 é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2, o outro terminal do quinto tubo de comutação Q5 é conectado a um terminal do sexto tubo de comutação Q6 e o outro terminal do sexto tubo de comutação Q6 é conectado ao ponto de conexão entre o terceiro tubo de comutação Q3 e o quarto tubo de comutação Q4.

[008] Com referência ao primeiro aspecto ou à primeira implementação do primeiro aspecto, em uma segunda implementação do primeiro aspecto, o segundo comutador bidirecional inclui um sétimo tubo de comutação Q7 e um oitavo tubo de comutação Q8 que são conectados inversamente em série, um terminal do sétimo tubo de comutação Q7 é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2, o outro terminal do sétimo tubo de comutação Q7 é conectado a um terminal do oitavo tubo de comutação Q8 e o outro terminal do oitavo tubo de comutação Q8 é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro tubo de comutação Q1 e o segundo tubo de comutação Q2.

[009] Com referência ao primeiro aspecto ou a primeira implementação do primeiro aspecto ou a segunda implementação do primeiro aspecto, em uma terceira implementação do primeiro aspecto, cada tubo de comutação no primeiro comutador bidirecional ou o segundo comutador bidirecional é conectado inversamente em paralelo a um diodo.

[010] Com referência a qualquer do primeiro aspecto ou às três implementações anteriores do primeiro aspecto, em uma quarta implementação do primeiro aspecto, o inversor de múltiplos níveis inclui ainda um primeiro comutador S1, um segundo comutador S2 e um resistor Rc, em que o primeiro comutador S1 é conectado em paralelo a dois terminais do primeiro tubo de comutação Q1, e o segundo comutador S2 é conectado em paralelo a dois terminais do quarto tubo de comutação Q4 depois de ser conectado em série ao resistor Rc.

[011] Com referência a qualquer do primeiro aspecto ou as quatro implementações anteriores do primeiro aspecto, em uma quinta implementação do primeiro aspecto, o inversor de múltiplos níveis inclui ainda um conversor CC/CC, onde dois terminais de entrada do conversor CC/CC são respectivamente conectados a dois terminais da unidade de entrada de corrente contínua, e dois terminais de saída do conversor CC/CC são respectivamente conectados a dois terminais do terceiro capacitor C3.

[012] Com referência a qualquer do primeiro aspecto ou as cinco implementações anteriores do primeiro aspecto, em uma sexta implementação do primeiro aspecto, o inversor de múltiplos níveis inclui ainda uma unidade de filtro, onde um terminal de entrada da unidade de filtro é conectado a um ponto de conexão entre o segundo tubo de comutação Q2 e o terceiro tubo de comutação Q3.

[013] De acordo com um segundo aspecto, uma modalidade da presente invenção fornece um sistema de fornecimento de potência, incluindo uma fonte de potência de corrente contínua, um conversor CC/CC, e o inversor de múltiplos níveis de acordo com o primeiro aspecto, em que os terminais de saída da fonte de potência de entrada de corrente contínua tipo o painel solar fotovoltaico são conectados aos terminais de entrada do conversor CC/CC, terminais de saída do conversor CC/CC são conectados para terminais de entrada do inversor de múltiplos níveis, e terminais de saída do inversor de múltiplos níveis são conectados a uma rede elétrica, de modo a transportar, para a rede elétrica, corrente alternada obtida pelo inversor de múltiplos níveis por meio de processamento de inversão.

[014] De acordo com o inversor de múltiplos níveis, um circuito projetado em que uma unidade de entrada de corrente contínua e uma unidade inversora são ligadas em ponte usando dois grupos de comutadores bidirecionais é usado para produzir mais níveis, de modo que uma quantidade aumentada de níveis de tensão de saída reduz o conteúdo harmônico em uma forma de onda de saída. Isso melhora a eficiência e a estabilidade do sistema.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[015] Para descrever mais claramente as soluções técnicas nas modalidades da presente invenção, descrevem-se resumidamente os desenhos anexos necessários para descrever as modalidades ou a técnica anterior. Aparentemente, os desenhos anexos na descrição seguinte mostram apenas algumas modalidades da presente invenção, e uma pessoa com conhecimentos normais na matéria pode ainda derivar outros desenhos destes desenhos anexos sem esforços criativos.

[016] A Figura 1 é um diagrama de circuito de um inversor de múltiplos níveis de acordo com a Modalidade 1 da presente invenção.

[017] A Figura 2a e Figura 2b são diagramas de controle de circuitos de um inversor de múltiplos níveis em um estado 1 de acordo com a Modalidade 1 da presente invenção.

[018] A Figura 3a e Figura 3b são diagramas de controle de circuitos de um inversor de múltiplos níveis em um estado 2 de acordo com a Modalidade 1 da presente invenção.

[019] A Figura 4a e Figura 4b são diagramas de controle de circuitos de um inversor de múltiplos níveis em um estado 3 de acordo com a Modalidade 1 da presente invenção.

[020] A Figura 5a e Figura 5b são diagramas de controle de circuitos de um inversor de múltiplos níveis em um estado 4 de acordo com a Modalidade 1 da presente invenção.

[021] A Figura 6a e Figura 6b são diagramas de controle de circuitos de um inversor de múltiplos níveis em um estado 5 de acordo com a Modalidade 1 da presente invenção.

[022] A Figura 7a e Figura 7b são diagramas de controle de circuitos de um inversor de múltiplos níveis em um estado 6 de acordo com a Modalidade 1 da presente invenção.

[023] A Figura 8a e Figura 8b são diagramas de controle de circuitos de um inversor de múltiplos níveis em um estado 7 de acordo com a Modalidade 1 da presente invenção.

[024] A Figura 9a e Figura 9b são diagramas de controle de circuitos de um inversor de múltiplos níveis em um estado 8 de acordo com a Modalidade 1 da presente invenção.

[025] A Figura 10 é um diagrama de estados de controle de circuitos de um inversor de múltiplos níveis de acordo com a Modalidade 1 da presente invenção.

[026] A Figura 11 é um diagrama de circuitos de uma primeira implementação de um inversor de múltiplos níveis de acordo com a Modalidade 2 da presente invenção.

[027] A Figura 12 é um diagrama de circuitos de uma segunda implementação de um inversor de múltiplos níveis de acordo com a Modalidade 2 da presente invenção.

[028] A Figura 13 é um diagrama esquemático de um sistema de fornecimento de potência de acordo com a Modalidade 3 da presente invenção.

DESCRIÇÃO DE MODALIDADES

[029] O que segue descreve claramente as soluções técnicas nas modalidades da presente invenção com referência aos desenhos anexos nas modalidades da presente invenção. Aparentemente, as modalidades descritas são apenas algumas, mas não todas as modalidades da presente invenção. Todas as outras modalidades obtidas por um especialista na técnica com base nas modalidades da presente invenção sem esforços criativos cairão dentro do âmbito de proteção da presente invenção.

Modalidade 1

[030] Como mostrado na Figura 1, um inversor de múltiplos níveis 100 fornecido nesta modalidade da presente invenção pode ser colocado entre uma fonte de potência de entrada de corrente contínua E e uma carga RL. A tensão da fonte de potência de entrada de corrente contínua E é E, e a fonte de potência de entrada de corrente contínua E pode ser uma matriz de painéis solares ou um dispositivo de armazenamento de energia, como uma bateria recarregável ou uma célula de combustível.

[031] O inversor de múltiplos níveis 100 inclui uma unidade de entrada de corrente contínua 102, um primeiro comutador bidirecional 104, um segundo comutador bidirecional 106, um terceiro capacitor C3 e uma unidade inversora 108 e opcionalmente inclui uma unidade de filtro 110. A unidade de filtro 110 tem um terminal de entrada utilizado para conexão a um nó Va e um terminal de saída utilizado para conexão a um nó Vo. O nó Vo é usado para conectar à carga.

[032] A unidade de entrada de corrente contínua 102 inclui dois capacitores de entrada que são conectados em série, e os dois capacitores de entrada incluem um primeiro capacitor C1 e um segundo capacitor C2. O primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2 são conectados em série entre dois terminais de saída da fonte de potência de entrada de corrente contínua E. Em uma aplicação específica, o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2 têm geralmente a mesma capacidade de capacitância. Neste caso, a tensão de corrente contínua aplicada à unidade de entrada de corrente contínua 102 é uniformemente aplicada a dois terminais do capacitor C1 e dois terminais do capacitor C2, isto é, tensões nos dois terminais do primeiro capacitor C1 são E/2, e tensões nos dois terminais do segundo capacitor C2 são E/2 Geralmente, um ponto de conexão intermediário entre o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2 é referido como um ponto neutro do inversor de múltiplos níveis 100. O ponto neutro é um ponto com tensão nula. Em aplicações específicas, o ponto neutro pode ser usado para aterramento.

[033] A unidade inversora 108 inclui quatro tubos de comutação de potência que são conectados em série entre os dois terminais de saída da fonte de potência de entrada de corrente contínua E. Os quatro tubos de comutação de potência incluem um primeiro tubo de comutação Q1, um segundo tubo de comutação Q2, um terceiro tubo de comutação Q3 e um quarto tubo de comutação Q4. Os quatro tubos de comutação são conectados em série codirecionalmente entre os eletrodos positivo e negativo da fonte de potência de entrada de corrente contínua E em uma sequência de Q1, Q2, Q3 e Q4, e entre cada dois tubos de comutação adjacentes conectados, existe um ponto de conexão que conecta os dois tubos de comutação.

[034] Um terminal de entrada da unidade de filtro 110 é conectado a um ponto de conexão entre o segundo tubo de comutação Q2 e o terceiro tubo de comutação Q3, isto é, o terminal de entrada da unidade de filtro 110 é conectado a um ponto médio de uma perna de ponte formada pela unidade inversora 108. A unidade de filtro 110 inclui um indutor e um capacitor de filtro. Dois terminais do indutor são utilizados para ligar, respectivamente, ao nó Va e o nó Vo. Um terminal do capacitor de filtro é conectado ao ponto Vo e o outro terminal do capacitor de filtro é aterrado. A unidade de filtro 110 pode ser um circuito de filtro LC ou outro circuito de filtro, que é capaz de filtrar harmônicas desnecessárias em uma forma de onda de tensão de saída a partir do nó Va. A unidade de filtro 110 pode ser integrada no inversor de múltiplos níveis 100 ou pode ser conectada externamente como um componente discreto, e é configurada para filtrar saída de múltiplos níveis pela unidade inversora 108, para formar uma forma de onda de saída senoidal.

[035] A unidade inversora 108 inclui ainda quatro diodos. Os quatro diodos são conectados em um modo inverso- paralelo de um-para-um para os quatros tubos de comutação Q1 a Q4, respectivamente, e inclui um primeiro diodo D1, um segundo diodo D2, um terceiro diodo D3, e um quarto diodo D4. A conexão paralela-inversa de um-para-um significa que o primeiro diodo D1 é conectado inversamente em paralelo a dois terminais do primeiro tubo de comutação Q1, o segundo diodo D2 é conectado inversamente em paralelo a dois terminais do segundo tubo de comutação Q2, o terceiro diodo D3 é conectado inversamente em paralelo a dois terminais do terceiro tubo de comutação Q3, e o quarto diodo D4 é conectado inversamente em paralelo a dois terminais do quarto tubo de comutação Q4.

[036] O primeiro comutador bidirecional 104 inclui um quinto tubo de comutação Q5 e um sexto tubo de comutação Q6 que são conectados inversamente em série. Um terminal do primeiro comutador bidirecional 104 é conectado a um ponto de conexão entre o terceiro tubo de comutação Q3 e o quarto tubo de comutação Q4, e o outro terminal do primeiro comutador bidirecional 104 é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2.

[037] O segundo comutador bidirecional 106 inclui um sétimo tubo de comutação Q7 e um oitavo tubo de comutação Q8 que são conectados inversamente em série. Um terminal do segundo comutador bidirecional 106 é conectado a um ponto de conexão entre o primeiro tubo de comutação Q1 e o segundo tubo de comutação Q2, e o outro terminal do segundo comutador bidirecional 106 é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2. Os tubos de comutação de cada comutador bidirecional que são conectados em série, cada um é conectado a um diodo em uma maneira paralela inversa de um-para-um. Por exemplo, o quinto tubo de comutação Q5 é conectado inversamente em paralelo a um quinto diodo D5 correspondentemente, o sexto tubo de comutação Q6 é conectado inversamente em paralelo a um sexto diodo D6 correspondentemente, o sétimo tubo de comutação Q7 é conectado inversamente em paralelo a um sétimo diodo D7 correspondentemente, e o oitavo tubo de comutação Q8 é conectado inversamente em paralelo a um oitavo diodo D8 correspondentemente.

[038] O primeiro ou segundo comutador bidirecional 104/106 são formados por dois tubos de comutação unidirecionais conectados em série. Como mostrado na Figura 1, uma seta de qualquer um dos tubos de comutação Q1 a Q8 na Figura 1 indica uma direção de corrente cujas ativação e desativação podem ser controladas pelo tubo de comutação, e o tubo de comutação é desligado em uma direção oposta à direção da seta. Além disso, para impedir o tubo de comutação de ser desligado em sobretensão em uma direção inversa, um diodo é inversamente conectado em paralelo a dois terminais de cada tubo de comutação. A conexão inversa-paralela significa que uma direção de seta indicando a ativação do tubo de comutação é oposta a uma direção para ligar o diodo. Pode ser aprendido que um comutador bidirecional capaz de implementar controle de ativação e desativação bidirecional pode incluir dois tubos de comutação unidirecionais inversamente conectados em série e dois diodos inversamente conectados em paralelo para os dois tubos de comutação, e desligamento em sobretensão em uma direção inversa é evitado.

[039] Um terminal positivo do terceiro capacitor C3 é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro tubo de comutação Q1 e o segundo tubo de comutação Q2, e um terminal negativo do terceiro capacitor C3 é conectado ao ponto de conexão entre o terceiro tubo de comutação Q3 e o quarto tubo de comutação Q4. Em aplicações específicas, uma diferença entre a tensão nos dois terminais do C3 geralmente é igual a E/4.

[040] Para o inversor de múltiplos níveis 100, em aplicação específica, sinais de controle para o segundo tubo de comutação Q2 e o terceiro tubo de comutação Q3 são, sinais de controle complementares para o primeiro tubo de comutação Q1 e o sexto tubo de comutação Q6 são complementares, sinais de controle para o quarto tubo de comutação Q4 e o oitavo tubo de comutação Q8 são complementares e os sinais de controle para o quinto tubo de comutação Q5 e o sétimo tubo de comutação Q7 são complementares. O nó Va pode produzir cinco níveis de tensão, incluindo E/2, E/4, 0, -E/4 e -E/2, controlando os estados de comutação dos tubos de comutação Q1 a Q8. Que os sinais são complementares significa que os sinais de controle são contrários. Por exemplo, que os sinais de controle para o segundo tubo de comutação Q2 e o terceiro tubo de comutação Q3 são complementares significa que um sinal de controle para o terceiro tubo de comutação Q3 é desligado quando um sinal de controle para o segundo tubo de comutação Q2 é ligado. Os sinais de controle podem ser aplicados a um eletrodo de porta (base) de cada tubo de comutação.

[041] O seguinte descreve os princípios de controle e saída do inversor de múltiplos níveis 100. A lógica 1 representa a ativação de um tubo de comutação, a lógica 0 representa a desativação de um tubo de comutação. Que os sinais de controle para dois tubos de comutação são complementares significa que a lógica de duas saídas de sinal de controle para os dois tubos de comutação é [0,1] ou [1,0]. A tensão de saída no nó Va correspondente aos diferentes estados de comutação é mostrada na Tabela 1 abaixo. Tabela 1

[042] Como mostrado na Tabela 1, é emitida uma tensão diferente a partir do nó Va por controlar ativação e desativação dos tubos de comutação Q1 a Q8. Para a saída de tensão em cinco níveis na Tabela, os tubos de comutação estão em um ou dois estados, 0 representa desativação, e 1 representa ativação. Estado 0 (Modo 0) na tabela indica um modo em que o terceiro capacitor C3 não está em estado de carga ou descarga, Estado 1 (Modo 1) indica um modo em que o terceiro capacitor C3 está em um estado de descarga, e estado 2 (modo 2) indica um modo em que o terceiro capacitor C3 está em um estado de carga. Um estado de comutação de corrente pode ser escolhido de acordo com um estado de comutação anterior. Isto é, se o estado de comutação anterior é correspondente ao estado de carga do terceiro capacitor C3, um estado de comutação correspondente ao estado de descarga do terceiro capacitor C3 pode ser selecionado como o estado de comutação de corrente, e assim por diante.

[043] Uma coluna correspondente a um tubo de comutação na Tabela 1.1 ou Tabela 1.2 indica estados de controle de ativação e desativação do tubo de comutação em um período de frequência de rede. Tabela 1.1

Tabela 1.2

[044] Além disso, quando a carga é uma resistência geral ou um dispositivo consumidor de energia, o inversor de múltiplos níveis 100 mantém a saída de trabalho positiva, e a corrente de saída e a tensão de saída são maiores que 0. Quando a carga é uma rede elétrica, uma forma de transmissão senoidal de tensão ou corrente é usada na rede elétrica, e fases são diferentes em momentos diferentes. Portanto, dois estados, ou seja, saída ativa e saída reativa, precisam ser incluídos em cada estado de saída de tensão do inversor de múltiplos níveis 100. A corrente de saída i é maior que 0 para a saída ativa, e a corrente de saída i é menor que 0 para a saída reativa.

[045] Lógica de controle específica de saída de cada tensão é descrita como segue. (1) Consulte a Tabela 1, Figura 2a e Figura 2b quando a tensão no nó Va é E/2. Tabela 2

[046] Referindo à Tabela 1, a Figura 2a e Figura 2b, uma barra em um tubo de comutação na Figura 2a e Figura 2b representa desativação, ou seja, os tubos de comutação Q1, Q2, Q5 e Q8 são conectados e os tubos de comutação Q3, Q4, Q6 e Q7 são desconectados. Neste momento, os dois tubos de comutação bidirecionais 104 e 106 são desconectados, e tanto o terceiro tubo de comutação Q3 como o quarto tubo de comutação Q4 são desconectados, de modo que tanto o terceiro capacitor C3 como o segundo capacitor C2 são desconectados e são incapazes de gerar tensão para o nó Va. Portanto, a tensão de saída no nó Va é E/2 neste caso. Saída de tensão no outro nível baseia-se em um mesmo princípio que a saída de tensão é ajustada por meio de ativação e desativação de um tubo de comutação. Para um princípio de controle específico, os detalhes não são descritos abaixo. (2) Consulte a Tabela 3, Figura 3a e Figura 3b quando a tensão no nó Va é E/4 e um estado é o Modo 1. Tabela 3

(3) Consulte a Tabela 4, Figura 4a e Figura 4b quando uma tensão no nó Va é E/4 e um estado é Modo 2. Tabela 4

[047] Deve ser adicionalmente notado que pode ser aprendido da Figura 4a e Figura 4b que quando i_o > 0 ou i_o < 0, o terceiro capacitor C3 é, respectivamente, em um estado de carga e um estado de descarga em dois modos de comutação: Modo 1 e Modo 2. Ou seja, independentemente de um estado da corrente i_o, quando a tensão de saída no nó Va é mantida em e/4, os estados de carga e descarga do terceiro capacitor C3 podem ser controlados por ajuste de um estado do tubo de comutação, e a tensão nos dois terminais do C3 é ainda controlada e mantida em E/4, de modo que tensão de resistência máxima do segundo tubo de comutação Q2 e o terceiro tubo de comutação Q3 é E/4. Isto é, quando o inversor de múltiplos níveis 100 emite um máximo de 1500 V, tensão de resistência do segundo tubo de comutação Q2 e o terceiro tubo de comutação Q3 é inferior a 600 V, e um tubo de comutação com desempenho óptimo, a maioria de opções de modelo, e tensão de resistência de 600 volts pode ser utilizada. Desta forma, os custos podem ser reduzidos e o desempenho pode ser assegurado. Nos seguintes cenários descritos de saída de tensão em dois modos: Modo 1 e Modo 2, os dois modos de comutação: Modo 1 e Modo 2 são, respectivamente, correspondentes para os estados de carga e descarga do terceiro capacitor C3, e a tensão do terceiro capacitor C3 é mantida em E/4. Os detalhes não são descritos abaixo novamente. (4) Consulte a Tabela 5, a Figura 5a e Figura 5b quando a tensão no nó Va é 0 e um estado é o Modo 1. Tabela 5

(5) Consulte a Tabela 6, Figura 6a e Figura 6b quando a tensão no nó Va é 0 e um estado é o Modo 2. Tabela 6

(6) Consulte a Tabela 7, Figura 7a e Figura 7b quando a tensão no nó Va é -E/4 e um estado é o Modo 1. Tabela 7

(7) Consulte a Tabela 8, Figura 8a e Figura 8b quando a tensão no nó Va é -E/4 e um estado é Modo 2. Tabela 8

(8) Consulte a Tabela 9, Figura 9a e Figura 9b quando a tensão o n o nó Va é -E/2. Tabela 9

[048] Com base nos estados de saída de múltiplos níveis anteriores, os estados de comutação do inversor de múltiplos níveis 100 e os estados de resistência a estresse de todos os tubos de comutação são resumidos como segue. Tabela 10

[049] Pode ser aprendido a partir dos vários cenários anteriores e um resumo na Tabela 10 que suporta a tensão dos quatro tubos de comutação Q2, Q3, Q6 e Q8 do inversor de múltiplos níveis 100 é E/4 enquanto a tensão de resistência máxima dos outros quatro tubos de comutação Q1, Q4, Q5 e Q7 é 3E/4. Para um sistema de 1500 V, um dispositivo de comutação semicondutor com tensão de resistência de 600 V é escolhido para os quatro tubos de comutação Q2, Q3, Q6 e Q8, enquanto um dispositivo de comutação semicondutor com tensão de resistência de 1200 V pode ser escolhido para os outros quatro tubos de comutação Q1, Q4, Q5 e Q7. Desta forma, com um circuito projetado no qual a unidade de entrada de corrente contínua 102 e a unidade inversora 108 são ligadas em ponte através de dois grupos de comutadores bidirecionais, o inversor de múltiplos níveis 100 apenas precisa usar uma combinação, de um tubo de comutação de 600 V e um tubo de comutação de 1200 V, que tem desempenho relativamente excelente, para implementar inversão e conversão de um sistema de corrente contínua de 1500 V e também produzir cinco níveis.

Modalidade 2

[050] Devido a presença do terceiro capacitor C3, quando um sistema começa a trabalhar, para evitar um terceiro tubo de comutação Q3 e quarto tubo de comutação Q4 de suportarem uma sobretensão, dois terminais do terceiro capacitor C3 precisam ser pré-carregados. Como mostrado na Figura 10, quando todos os tubos de comutação em um sistema estão fechados, não há caminho e, como resultado, não há carga no terceiro capacitor C3. Pode-se considerar que a tensão Vc nos dois terminais do terceiro capacitor C3 é extremamente baixa e próxima de 0. Neste caso, se um estado no qual E/2 é produzido é necessário para Va, um primeiro tubo de comutação Q1 e um segundo tubo de comutação Q2 são ligados, o terceiro tubo de comutação Q3 e o quarto tubo de comutação Q4 são desligados, e a capacitância e tensão não podem mudar repentinamente, isto é, Vc está próximo 0. Então, a tensão de entrada passa através do primeiro tubo de comutação Q1 e do terceiro capacitor C3 (Vc = 0) e é aplicada diretamente a dois terminais do quarto tubo de comutação Q4. Neste caso, o quarto tubo de comutação Q4 suporta a tensão de uma fonte de potência de entrada de corrente contínua inteira E que excede 3E/4 descrita acima, e isto causa um dano de sobretensão ao quarto tubo de comutação Q4. Para evitar este problema, antes de uma ação de comutação ser realizada, o terceiro capacitor C3 precisa ser carregado, e tensões nos dois terminais do terceiro capacitor C3 precisam ser aumentadas para E/4, por meio de carregamento.

[051] Em uma base da modalidade 1, Modalidade 2 da presente invenção fornece duas soluções de pré-carregamento do terceiro capacitor C3.

[052] Em uma primeira solução, como mostrado na Figura 11, um primeiro comutador S1, um segundo comutador S2 e um resistor Rc são adicionados ao inversor de múltiplos níveis 100 na Modalidade 1 da presente invenção, para implementar uma função de pré-carregamento do terceiro capacitor C3. O primeiro comutador S1 é conectado em paralelo a dois terminais do primeiro tubo de comutação Q1 e dois terminais de um primeiro diodo D1. O segundo comutador S2 é conectado em paralelo a dois terminais do quarto tubo de comutação Q4 e dois terminais de um quarto diodo D4 depois de serem conectados em série ao resistor Rc.

[053] Antes do inversor de múltiplos níveis 100 funcionar, todos os tubos de comutação Q1 a Q8 estão no estado desativado. Neste caso, o primeiro comutador S1 e o segundo comutador S2 estão fechados, e a fonte de potência de entrada de corrente contínua E carrega o terceiro capacitor C3 através do primeiro comutador S1, o segundo comutador S2, e o resistor Rc. O resistor Rc é configurado para limitar uma corrente de carga. Quando tensões em dois terminais de C3 são gradualmente aumentadas para um limiar de tensão Vcth, o primeiro comutador S1 e o segundo comutador S2 são desligados, e, em seguida, um circuito funciona normalmente. O primeiro comutador S1 e o segundo comutador S2 podem ser um dispositivo semicondutor de potência, ou pode ser um relê ou um dispositivo de acoplamento óptico tendo funções de ativação e desativação.

[054] Em uma segunda solução, como mostrado na Figura 12, é adicionado um conversor CC/CC com base na Modalidade 1. Os terminais de entrada do conversor CC/CC são respectivamente conectados a dois terminais de uma fonte de potência de corrente contínua E, e terminais de saída do conversor CC/CC são respectivamente conectados a dois terminais do terceiro capacitor C3. Antes do inversor de múltiplos níveis funcionar, todos os tubos de comutação Q1 a Q8 permanecem no estado desativado. Neste caso, o conversor CC/CC obtém eletricidade da fonte de potência de entrada de corrente contínua para carregar o terceiro capacitor C3, de modo que a tensão Vc nos dois terminais do terceiro capacitor C3 é aumentada para o limiar de tensão Vcth. Em seguida, o conversor CC/CC é desconectado e o inversor de múltiplos níveis pode funcionar normalmente. O conversor CC/CC pode ser um conversor CC/CC direto, um conversor CC/CC flyback, um conversor CC/CC de empurrar-puxar ou outro conversor CC/CC.

Modalidade 3

[055] Como mostrado na Figura 13, a modalidade 3 da presente invenção fornece um sistema de fornecimento de potência. O sistema de fornecimento de potência inclui uma fonte de potência de entrada de corrente contínua E, um conversor CC/CC e um inversor de múltiplos níveis.

[056] Uma estrutura de circuito e um princípio de controle do inversor de múltiplos níveis nesta Modalidade são os mesmos que os do inversor de múltiplos níveis na Modalidade 1 ou Modalidade 2. Para a estrutura de circuito e princípio de controle do inversor de múltiplos níveis, os detalhes são não descritos aqui novamente.

[057] A fonte de potência de entrada de corrente contínua E pode ser uma matriz de painéis solares ou um dispositivo de armazenamento de energia, tal como uma bateria recarregável ou uma pilha de células de combustível.

[058] Terminais de saída da fonte de potência de corrente contínua são conectados aos terminais de entrada do conversor CC/CC, para o transporte de corrente contínua para o conversor CC/CC. Terminais de saída do conversor CC/CC são conectados aos terminais de entrada do inversor de múltiplos níveis, para transmitir energia elétrica convertida para o inversor de múltiplos níveis. O inversor de múltiplos níveis converte a corrente contínua transmitida da fonte de potência de corrente contínua em corrente alternada e, em seguida, envia a corrente alternada para uma carga ou rede elétrica, para implementar a fonte de potência de corrente alternada.

[059] Quando a fonte de potência de corrente contínua é um painel solar, depois do painel solar converter a energia da luz em energia elétrica, terminais de saída do painel solar são conectados aos terminais de entrada do conversor CC/CC. Os terminais de saída do conversor CC/CC são conectados aos terminais de entrada do inversor de múltiplos níveis, de modo a transportar, para o inversor de múltiplos níveis, corrente e tensão que são obtidas por meio de retificação. Os terminais de saída do inversor de múltiplos níveis são conectados à rede elétrica, de modo a transportar, para a rede elétrica, a corrente alternada obtida pelo inversor de múltiplos níveis por meio de inversão, além de implementar fonte de potência e conexão de rede.

[060] As descrições precedentes são apenas modalidades específicas da presente invenção, mas não se destinam a limitar o âmbito de proteção da presente invenção. Qualquer variação ou substituição prontamente determinada por um especialista na técnica dentro do âmbito técnico divulgado na presente invenção deve cair dentro do âmbito de proteção da presente invenção. Portanto, o escopo de proteção da presente invenção estará sujeito ao escopo de proteção das reivindicações.

Claims

1. Inversor de múltiplos níveis, configurado para conectar a uma fonte de potência de entrada de corrente contínua, e compreendendo uma unidade de entrada de corrente contínua (102), uma unidade inversora (108), um primeiro comutador bidirecional (104), um segundo comutador bidirecional (106) e um terceiro capacitor C3, CARACTERIZADO pelo fato de que: a unidade de entrada de corrente contínua (102) compreende um primeiro capacitor C1 e um segundo capacitor C2, em que o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2 são conectados em série entre os eletrodos positivo e negativo da fonte de potência de entrada de corrente contínua; a unidade inversora (108) compreende um primeiro transistor Q1, um segundo transistor Q2, um terceiro transistor Q3 e um quarto transistor Q4, em que os quatro transistores são conectados em série codirecionalmente entre os eletrodos positivo e negativo da fonte de potência de entrada de corrente contínua em uma sequência de Q1, Q2, Q3 e Q4; um terminal do primeiro comutador bidirecional (104) é conectado a um ponto de conexão entre o terceiro transistor Q3 e o quarto transistor Q4, e o outro terminal do primeiro comutador bidirecional (104) é conectado a um ponto de conexão entre o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2, para implementar o controle de ativação e desativação bidirecional da corrente que está entre dois terminais do primeiro comutador bidirecional (104); um terminal do segundo comutador bidirecional (106) é conectado a um ponto de conexão entre o primeiro transistor Q1 e o segundo transistor Q2, e o outro terminal do segundo comutador bidirecional (106) é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2, para implementar o controle de ativação e desativação bidirecional da corrente que está entre dois terminais do segundo comutador bidirecional (106); um eletrodo positivo do terceiro capacitor C3 é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro transistor Q1 e o segundo transistor Q2, e um eletrodo negativo do terceiro capacitor C3 é conectado ao ponto de conexão entre o terceiro transistor Q3 e o quarto transistor Q4; cada um dos transistores Q1 a Q4 é conectado inversamente em paralelo a um diodo; em que o inversor de múltiplos níveis compreende um primeiro comutador S1, um segundo comutador S2 e um resistor Rc, o primeiro comutador S1 sendo acoplado em paralelo com o primeiro transistor Q1 por conexão direta a dois terminais do primeiro transistor Q1, e o segundo comutador S2 e o resistor Rc, que estão juntos acoplados em série, sendo acoplados em paralelo com o quarto transistor Q4 por conexão direta a dois terminais do quarto transistor Q4, o inversor de múltiplos níveis disposto para ligar o primeiro comutador S1 e o segundo comutador S2 quando todos os transistores Q1 a Q4 estão em um estado desligado, para conectar condutivamente à fonte de potência de entrada de corrente contínua, de modo que a fonte de potência de entrada de corrente contínua carregue o terceiro capacitor C3 por meio do primeiro comutador S1, do segundo comutador S2 e do resistor Rc antes do inversor de múltiplos níveis funcionar; em que quando uma tensão Vc nos dois terminais é aumentada para um limiar de tensão Vcth, o quarto transistor Q4 não é danificado por sobretensão após o inversor de múltiplos níveis funcionar; e em que a fonte de potência de entrada de corrente contínua é uma matriz de painéis solares ou um dispositivo de armazenamento de energia.

2. Inversor de múltiplos níveis, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro comutador bidirecional (104) compreende um quinto transistor Q5 e um sexto transistor Q6 que são conectados inversamente em série, um terminal do quinto transistor Q5 é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2, o outro terminal do quinto transistor Q5 é conectado a um terminal do sexto transistor Q6 e o outro terminal do sexto transistor Q6 é conectado ao ponto de conexão entre o terceiro transistor Q3 e o quarto transistor Q4.

3. Inversor de múltiplos níveis, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERI ZADO pelo fato de que o segundo comutador bidirecional compreende um sétimo transistor Q7 e um oitavo transistor Q8 que são conectados inversamente em série, um terminal do sétimo transistor Q7 é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2, o outro terminal do sétimo transistor Q7 é conectado a um terminal do oitavo transistor Q8 e o outro terminal do oitavo transistor Q8 é conectado ao ponto de conexão entre o primeiro transistor Q1 e o segundo transistor Q2.

4. Inversor de múltiplos níveis, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que cada transistor no primeiro comutador bidirecional (104) ou no segundo comutador bidirecional (106) é conectado inversamente em paralelo a um diodo.

5. Inversor de múltiplos níveis, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende uma unidade de filtro, em que um terminal de entrada da unidade de filtro é conectado a um ponto de conexão entre o segundo transistor Q2 e o terceiro transistor Q3.

6. Sistema de fornecimento de potência, compreendendo uma fonte de potência de entrada de corrente contínua, um conversor DC/CC e um inversor de múltiplos níveis como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que terminais de saída da fonte de potência de entrada de corrente contínua são conectados aos terminais de entrada do conversor DC/CC, terminais de saída do conversor DC/CC são conectados aos terminais de entrada do inversor de múltiplos níveis, terminais de saída do inversor de múltiplos níveis são configurados para conectar a uma rede elétrica, de modo a transportar corrente alternada do inversor de múltiplos níveis para a rede elétrica.