CN101980437A - 一种五电平并网逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五电平并网逆变器，属变换器技术领域，其结构包括输入直流源、输入分压电容模块(101)、辅助开关模块(102)、三电平双降压式全桥模块(103)及输出滤波模块(104)。其特点是：功率开关管和滤波电感的电压变化率降低了一半，大大减小了滤波器体积；在同一时刻仅有一个功率开关管高频开关，开关损耗小，变换效率高；相对于传统五电平逆变器，控制和调制方法简单、易于实现；该变换器适用于中高压、大功率应用场合，尤其在对于变换器效率要求较高的新能源并网发电领域具有广阔的应用前景。

Description

一种五电平并网逆变器
技术领域本发明涉及一种五电平并网逆变器，尤其涉及一种运用于新能源（如风能、太阳能等）发电系统的具有相对较高效率的并网逆变器，属于电力电子变换器技术领域。
 背景技术
目前的太阳能电池发电仍存在成本过高、效率过低的缺点，故研究高效率的并网逆变器拓扑，对于提高太阳能并网发电效率、降低发电成本具有重要意义。图1中的逆变器采用非隔离式，故节省了一个变压器，第一至第四功率开关管S1~S4可分别采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。如果采用IGBT，由于其导通压降很大，一般超过2V，导致导通损耗很大，最终将使采用IGBT的逆变器效率降低，按现有的技术，一般的效率低于97%。如果采用4个MOSFET，则相对于IGBT减小了导通损耗，但是MOSFET内含的反并二极管特性较差，反向恢复时间较长，导致功率开关管的电压尖峰较高，增加了续流阶段的损耗。
针对传统全桥逆变器拓扑效率较低的问题，研究工作者提出了多种技术方案，如中国发明专利“CN1967998”和“CN1967997”分别提出了一种三电平双降压式全桥逆变器和一种五电平双降压式全桥逆变器，基本思想均是由独立二极管实现续流，从而使得功率开关管可以选择导通压降更低的MOSFET，提高了逆变器的效率。但是，“CN1967997”提出的五电平双降压式全桥逆变器相对于三电平双降压式全桥逆变器并没有降低开关管的开关损耗以及磁性元件损耗。
 发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供一种具有相对高变换效率、控制简单的新型五电平并网逆变器。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：
一种五电平并网逆变器，包括输入直流源、输入分压电容模块、辅助开关模块、三电平双降压式全桥模块及输出滤波模块；其中，
输入分压电容模块包括第一分压电容和第二分压电容；
辅助开关模块包括第一功率开关管、第二功率开关管和第一功率二极管、第二功率二极管；
三电平双降压式全桥模块包括第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管和第三功率二极管、第四功率二极管；
输出滤波模块包括第一滤波电感、第二滤波电感和滤波电容；
其中，输入电源的正极分别连接第一分压电容的正极、第三功率开关管的漏极、第五功率开关管的漏极及第四功率二极管的阴极；
输入电源的负极分别连接第二分压电容的负极、第四功率开关管的源极、第三功率二极管的阳极及第六功率开关管的源极；
第一分压电容的负极分别与第二分压电容的正极、第一功率开关管的漏极和第二功率开关管的源极相连接；
第一功率开关管的源极连接第一功率二极管的阳极；
第一功率二极管的阴极分别与第五功率开关管的源极、第一滤波电感的一端相连；
第二功率开关管的漏极连接第二功率二极管的阴极；
第二功率二极管的阳极分别与第六功率开关管的漏极、第四功率二极管的阳极和第二滤波电感的一端相连；
第一滤波电感的另一端分别与第二滤波电感的另一端、滤波电容的一端、电网的一端相连接；
电网的另一端分别与滤波电容的另一端、第三功率开关管的源极和第四功率开关管的漏极相连接。
进一步的，本发明的五电平并网逆变器的第一功率开关管至第六功率开关管均为金属氧化物半导体场效应晶体管。
进一步的，本发明的五电平并网逆变器的第一、第二、第五、第六功率开关管为COOLMOS金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第三、第四功率开关管为普通金属氧化物半导体场效应晶体管。
进一步的，本发明的五电平并网逆变器的第一、第二、第五、第六功率开关管为高频功率开关管，并且在同一时刻仅有一个功率开关管高频开关；所述第三、第四功率开关管为低频功率开关管，其开关频率与电网(v g)电压的频率相等。
本发明的特点和技术效果：
(1) 功率开关管和滤波电感的电压变化率相对于三电平双降压式全桥逆变器减小了一半，且同一时刻仍仅有一个功率开关管高频开关，开关损耗和磁性元件损耗小，变换效率高；
(2) 增加的辅助开关电路开关管和二极管最大电压应力为输入电压的一半，通态损耗小；
(3) 进网电流谐波含量少，所需滤波器体积小；
(4) 相对于传统五电平全桥逆变器，调制策略简单，无需复杂的逻辑电路，由DSP即可实现。
  附图说明
图1是传统全桥逆变器主电路示意图；
图2是本发明五电平并网逆变器主电路原理图；
图3为本发明五电平并网逆变器采用并网电流瞬时值反馈控制的控制框图；
图4为本发明五电平并网逆变器采用并网电流瞬时值反馈控制的原理波形；
图5为本发明五电平并网逆变器电网电压正半周期的各开关模态等效电路；
图6为本发明五电平并网逆变器电网电压负半周期的各开关模态等效电路；
图7为本发明五电平并网逆变器实施例二的电路原理图；
图中符号说明：
V in—输入直流源，101—输入分压电容模块，102—辅助开关模块，103—三电平双降压式全桥模块，104—输出滤波模块，v g—电网，C 1、C 2—第一、第二分压电容，S 1~S 6—第一~第六功率开关管，D 1~ D 4第一~第四功率二级管，L 1、L 2—第一、第二输出滤波电感，C o—输出滤波电容，i o—并网电流，v e—误差放大器输出信号，v st1、v st2—三角载波1、三角载波2，v GS1~v GS6—第一~第六功率开关管的驱动电压，t—时间。
 具体实施方式
下面结合具体附图，进一步具体阐述本发明。
如图1所示，为传统全桥逆变器主电路示意图。采用4个MOSFET，相对于IGBT减小了导通损耗，但是MOSFET内含的反并二极管特性较差，反向恢复时间较长，导致功率开关管的电压尖峰较高，增加了续流阶段的损耗。
实施例一：
如图2所示，本发明五电平并网逆变器实施例一的电路原理图，其结构包括输入直流源V in、输入分压电容模块101、辅助开关模块102、三电平双降压式全桥模块103及输出滤波模块104，其中，输入分压电容模块101由第一分压电容C 1和第二分压电容C 2构成，辅助开关模块102由第一功率开关管S 1、第二功率开关管S 2和第一功率二极管D 1、第二功率二极管D 2构成，三电平双降压式全桥电路103由第三至第六功率开关管和第三、第四功率二极管构成，输出滤波电路104由第一、第二滤波电感和滤波电容C o构成；
输入电源V in的正极分别连接第一分压电容C 1的正极、第三功率开关管S 3的漏极、第五功率开关管S 5的漏极及第四功率二极管D 4的阴极；
输入电源V in的负极分别连接第二分压电容C 2的负极、第四功率开关管S 4的源极、第三功率二极管D 3的阳极及第六功率开关管S 6的源极；
第一分压电容C 1的负极分别与第二分压电容C 2的正极、第一功率开关管S 1的漏极和第二功率开关管S 2的源极相连接；
第一功率开关管S 1的源极连接第一功率二极管D 1的阳极；
第一功率二极管D 1的阴极分别与第五功率开关管S 5的源极、第一滤波电感(L 1)的一端相连；
第二功率开关管S 2的漏极连接第二功率二极管D 2的阴极；
第二功率二极管D 2的阳极分别与第六功率开关管S 6的漏极、第四功率二极管D 4的阳极和第二滤波电感L 2的一端相连；
第一滤波电感L 1的另一端分别与第二滤波电感L 2的另一端、滤波电容C o的一端、电网v g的一端相连接；
电网v g的另一端分别与滤波电容C o的另一端、第三功率开关管S 3的源极和第四功率开关管S 4的漏极相连接。
本发明五电平并网逆变器中，第一、第二、第五、第六功率开关管为高频功率开关管，且在同一时刻仅有一个功率开关管高频开关；在具体实施时，第一、第二、第五、第六功率开关管中的每个可选用COOLMOS金属氧化物半导体场效应晶体管；第三、第四功率开关管为低频功率开关管，其开关频率与电网v g电压的频率相等；在具体实施时，第三、第四功率开关管中的每个可选用普通金属氧化物半导体场效应晶体管。第一、第二功率二极管可选用快恢复二极管；第三、第四功率二极管可选用碳化硅二极管。
控制原理和工作过程：
下面结合附图3~附图6说明本发明五电平并网逆变器在具体实施时的控制原理和工作过程。
本发明五电平并网逆变器的一个具体实施例中，逆变器采用并网电流瞬时值反馈控制策略，其控制框图和原理波形分别如图3和图4所示。
第一功率开关管S 1、第五功率开关管S 5的驱动信号由误差放大器输出信号v e分别与两路三角载波比较并经过驱动电路得到；第二功率开关管S 2、第六功率开关管S 6的驱动信号由误差放大器输出信号v e经过反相器再分别与两路三角载波比较并经过驱动电路得到；其中，两路三角载波的峰峰值相等，且三角载波v st1最小值和三角载波v st2的最大值相等，三角载波v st2的最小值为0；期望达到的控制效果为：当v e大于零，并大于三角载波v st1时，第五功率开关管S 5导通，反之第五功率开关管S 5关断；当v e大于三角载波v st2时，第一功率开关管S 1导通，反之第一功率开关管S 1关断；当v e小于零，且-v e大于三角载波v st1时，第六功率开关管S 6导通，反之第六功率开关管S 6关断；当-v e大于三角载波v st2时，第二功率开关管S 2导通，反之第二功率开关管S 2关断。
第三、第四功率开关管S 3、S 4的驱动信号由误差放大器输出信号v e与零电平信号比较得到，当v e大于零时，第三功率开关管S 3关断，第四功率开关管S 4导通；当v e小于零时，第三功率开关管S 3导通，第四功率开关管S 4关断。
在电网v g电压的正半周，并网逆变器共有三种工作模式，各模态等效电路如图5所示。
模态1：等效电路如图5(a)所示，第一、第四及第五功率开关管导通，其它功率开关管关断；第一功率开关管S 1虽然导通，但由于第一功率二极管D 1的阻断作用，没有电流流过，因此第一功率开关管S 1等效于关断状态；
模态2：等效电路如图5(b)所示，第一、第四功率开关管导通，其它功率开关管关断；
模态3：等效电路如图5(c)所示，第四功率开关管S 4导通，其它功率开关管关断；
当误差放大器输出信号v e大于零，且大于三角载波v st2的峰值时，并网逆变器在开关模态1和模态2之间切换；当误差放大器输出信号v e大于零而小于三角载波v st2的峰值时，并网逆变器在开关模态2和模态3之间切换。
在电网v g电压的负半周，并网逆变器共有三种工作模式，各模态等效电路如图6所示。
模态1：等效电路如图6(a)所示，第二、第三及第六功率开关管导通，其它功率开关管关断；第二功率开关管S 2虽然导通，但由于第二功率二极管D 2的阻断作用，没有电流流过，因此第二功率开关管S 2等效于关断状态；
模态2：等效电路如图6(b)所示，第二、第三功率开关管导通，其它功率开关管关断；
模态3：等效电路如图6(c)所示，第三功率开关管S 3导通，其它功率开关管关断；
当误差放大器输出信号v e经过反相器后的信号-v e大于零，且大于三角载波v st2的峰值时，并网逆变器在开关管模态1和模态2之间切换；当误差放大器输出信号v e经过反相器后的信号-v e大于零而小于三角载波v st2的峰值时，并网逆变器在开关模态2和模态3之间切换。
本发明五电平并网逆变器的实施例二电路原理图如图7所示，在实施例二中，并网逆变器的控制电路以及各功率开关管的开通关断逻辑与实施例一完全相同，实施例二是本发明五电平并网逆变器引入隔离变压器T后的电路形式。

Claims (4)

1.一种五电平并网逆变器，其特征在于：包括输入直流源(V in)、输入分压电容模块(101)、辅助开关模块(102)、三电平双降压式全桥模块(103)及输出滤波模块(104)；其中，
输入分压电容模块(101)包括第一分压电容(C 1)和第二分压电容(C 2)；
辅助开关模块(102)包括第一功率开关管(S 1)、第二功率开关管(S 2)和第一功率二极管(D 1)、第二功率二极管(D 2)；
三电平双降压式全桥模块(103)包括第三功率开关管(S 3)、第四功率开关管(S 4)、第五功率开关管(S 5)、第六功率开关管(S 6)和第三功率二极管(D 3)、第四功率二极管(D 4)；
输出滤波模块(104) 包括第一滤波电感(L 1)、第二滤波电感(L 2)和滤波电容(C o)；
其中，输入电源(V in)的正极分别连接第一分压电容(C 1)的正极、第三功率开关管(S 3)的漏极、第五功率开关管(S 5)的漏极及第四功率二极管(D 4)的阴极；
输入电源(V in)的负极分别连接第二分压电容(C 2)的负极、第四功率开关管(S 4)的源极、第三功率二极管(D 3)的阳极及第六功率开关管(S 6)的源极；
第一分压电容(C 1)的负极分别与第二分压电容(C 2)的正极、第一功率开关管(S 1)的漏极和第二功率开关管(S 2)的源极相连接；
第一功率开关管(S 1)的源极连接第一功率二极管(D 1)的阳极；
第一功率二极管(D 1)的阴极分别与第五功率开关管(S 5)的源极、第一滤波电感(L 1)的一端相连；
第二功率开关管(S 2)的漏极连接第二功率二极管(D 2)的阴极；
第二功率二极管(D 2)的阳极分别与第六功率开关管(S 6)的漏极、第四功率二极管(D 4)的阳极和第二滤波电感(L 2)的一端相连；
第一滤波电感(L 1)的另一端分别与第二滤波电感(L 2)的另一端、滤波电容(C o)的一端、电网(v g)的一端相连接；
电网(v g)的另一端分别与滤波电容(C o)的另一端、第三功率开关管(S 3)的源极和第四功率开关管(S 4)的漏极相连接。
2.根据权利要求1所述的五电平并网逆变器，其特征在于：所述第一功率开关管至第六功率开关管均为金属氧化物半导体场效应晶体管。
3.根据权利要求2所述的五电平并网逆变器，其特征在于：所述第一、第二、第五、第六功率开关管为COOLMOS金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第三、第四功率开关管为普通金属氧化物半导体场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的一种五电平并网逆变器，其特征在于：所述第一、第二、第五、第六功率开关管为高频功率开关管，并且在同一时刻仅有一个功率开关管高频开关；所述第三、第四功率开关管为低频功率开关管，其开关频率与电网(v g)电压的频率相等。
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