CN102377196A - 线和中性点箝位逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种线和中性点箝位逆变器，其中该逆变器包括：直流链路，该直流链路包括两个电容器单元和电容器单元之间的中性点(VDC0)；以及第一和第二逆变器臂。这两个逆变器臂包括：四个开关器件(Sn1-Sn4)、上连接点(Vn12)、下连接点(Vn34)以及输出(Vn23)。这两个逆变器臂包括连接在直流链路的中性点(VDC0)与臂的上连接点(Vn12)之间的第一整流器器件和连接在直流链路的中性点(VDC0)与臂的下连接点(Vn34)之间的第二整流器器件。这两个逆变器臂还包括连接在臂的上连接点(Vn12)与另一臂的输出(Vn23)之间的第三整流器器件和连接在臂的输出(Vn23)与另一臂的下连接点(Vn34)之间的第四整流器器件。

Description

线和中性点箝位逆变器
技术领域
本发明涉及一种逆变器拓扑，并且具体涉及一种用于对电网供电的太阳能逆变器拓扑。
背景技术
太阳能逆变器的目的是以高效率将太阳能电池所产生的直流电压转换成交流电压。典型属类的逆变器使用2电平(线到中性点)拓扑，其中输出被系接到(tied to)直流链路的正极或负极。通过使用3电平(线到中性点)拓扑来增加效率，其中输出可被系接到三个电位：直流链路的正极或负极或者中性点。
太阳能逆变器的另一重要方面是最小化直流链路与保护接地之间的高频共模电压的能力。如果这些高频共模电压出现，则高频共模电流会流经光伏板的寄生电容并且可能损坏光伏板。因此，在光伏逆变器应用中最小化共模电压至关重要。
公布A new neutral-point-clamped PWM inverter，A.Nabae，I.Takahashi，&H.Akagi公开了一种可被用于最小化有害高频共模电压的生成的NPC(中性点箝位)逆变器拓扑。NPC逆变器使用3电平(线到中性点)调制并且可具有5电平(线到线)输出电压，其中在两个输出线之间测量输出电压。
为了避免共模电压，在NPC逆变器中可以使用被称为“中性点零状态”的状态。在零状态下，输出线不具有到直流链路的连接。除此之外，在中性点零状态下输出被系接到同一电位，即中性点。逆变器臂中的外部开关处于非导通状态，并且电流流经两个内部开关和两个二极管。
通过使用中性点零状态和3电平(线到线)输出电压，可以消除共模电压的生成。与2电平(线到中性点)调制相比，3电平(线到中性点)调制的使用还会提高效率。
然而，与以上装置相关联的一个缺点是，在电流路径上始终存在四个功率半导体。电流路径上的这些功率半导体会增加功率损耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种设备和方法以减轻以上缺点。本发明的目的是通过以独立权利要求中所阐述的内容为特征的装置和方法来实现的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
本发明基于在中性点零状态下提供新的电流路径的构思。仅具有两个功率半导体的路径可以通过使用还从线侧箝位逆变器臂而建立。因此功率损耗降低并且可实现更好的效率。
附图说明
以下将通过参照附图的优选实施例更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的逆变器的简化图，以及
图2示出了根据本发明的实施例中的电流路径。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的逆变器的简化图。逆变器对电网供电并包括直流链路，直流链路包括串联的两个电容器单元和电容器单元之间的中性点VDC0。图1中的直流链路由太阳能电池供电。直流链路还可以由其它类型的电源供电。电源例如可以是燃料电池、可再充电电池组或升压转换器。转换器在其输入与输出之间还可以具有电流隔离(galvanic isolation)。
逆变器还包括第一逆变器臂和第二逆变器臂，两个臂连接在直流链路的极VDC+与VDC-之间。两个逆变器臂包括串联连接的四个开关器件Sn1-Sn4(n∈{1，2})。每个开关器件Sn1-Sn4具有导通状态和非导通状态，并且当所有开关器件Sn1-Sn4处于导通状态时，开关器件Sn1-Sn4一起形成从直流链路的正极到直流链路的负极的低阻抗路径。开关器件Sn1-Sn4可以例如是如图2中的IGBT(绝缘栅双极晶体管)，或者功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。在本实施例中，每个开关器件S11-S14和S21-S24与续流二极管成对。在本发明的一些实施例中，部分开关器件可以是IGBT，而部分开关器件可以是功率MOSFET。
两个逆变器臂包括两个最上面的开关器件Sn1与Sn2之间的上连接点Vn12、两个最下面的开关器件Sn3与Sn4之间的下连接点Vn34、以及在两个中间开关器件Sn2与Sn3之间的输出Vn23。利用平衡LCL滤波器来对输出进行滤波。
逆变器臂被箝位到中性点VDC0。两个逆变器臂包括：连接在直流链路的中性点VDC0与臂的上连接点Vn12之间的第一整流器器件Dn1，其允许电流从直流链路的中性点VDC0流动到臂的上连接点Vn12；以及连接在直流链路的中性点VDC0与臂的下连接点Vn34之间的第二整流器器件Dn2，其允许电流从臂的下连接点Vn34流动到直流链路的中性点VDC0。在中性点零状态下，第一整流器器件Dn1和第二整流器器件Dn2将每个逆变器臂的输出Vn23系接到中性点。
还从输出线侧箝位逆变器臂。两个逆变器臂包括：连接在臂的上连接点Vn12与另一臂的输出Vm23(m∈{1，2}，m≠n)之间的第三整流器器件Dn3，其允许电流从另一臂的输出Vm23流动到臂的上连接点Vn12；以及连接在另一臂的输出Vm23与臂的下连接点Vn34之间的第四整流器器件Dn4，其允许电流从下连接点Vn34流动到另一臂的输出Vm23。
第三整流器Dn3和第四整流器Dn4与逆变器臂中间开关Sn2和Sn3一起协作地提供仅分别具有如下两个功率半导体的电流路径：二极管Dn3或Dn4和开关Sn2或Sn3。
下面表1示出了根据本发明的实施例的3电平(线到线)输出电压调制方案。该方案具有五个开关状态：+UDC、+0，±0，-0和-UDC，在表1中分别通过标记的五个主列来表示。表的行表示各个开关的状态。“1”代表导通状态，“0”代表非导通状态。
表1.本发明的调制方案
  +UDC   +0   ±0   -0   -UDC
  S11   1   0   0   0   0
  S12   1   1   1   0   0
  S13   0   0   1   1   1
  S14   0   0   0   0   1
  S21   0   0   0   0   1
  S22   0   0   1   1   1
  S23   1   1   1   0   0
  S24   1   0   0   0   0
在此调制方案中，逆变器臂输出之间的电压可以被设置成三个电位：+UDC、0和-UDC，其中UDC是直流链路的电压电位并且0是零电位。可以在不改变共模电压的情况下形成这些电位中的每一个。
通过使用状态+UDC和-UDC来分别形成电位+UDC和-UDC。逆变器臂的最上面的开关器件Sn1和Sn2和另一逆变器臂的两个最下面的开关器件Sn3和Sn4被设置成导通状态，如表1所示。开关器件提供从直流链路到电网的电流路径。在图2中，用+UDC表示的部分示出了+UDC状态下的电流路径a。类似地，用-UDC表示的部分示出了-UDC状态下的电流路径b。
使用三个中性点零状态+0，±0或-0之一来形成零电位0。状态+0提供与状态+UDC下相同方向的两个电流路径。图2的部分+0中示出了状态+0下的电流路径c和d。以相似的方式，状态-0提供与状态-UDC下相同方向的两个电流路径。图2的部分-0中示出了状态-0下的电流路径e和f。状态±0一起提供与状态+0和-0相同的路径c、d、e和f。
还可以形成具有一个电流路径的中性点零状态。在零状态下，可以通过仅将中间开关器件S12、S13、S22或S23之一设置成导通状态来形成具有一个电流路径(c、d、e或f)的中性点零状态。
中性点零状态中的电流路径的其它组合也是可行的。例如，逆变器臂的两个中间开关器件可被设置成导通状态。由此臂提供到两个电流方向的路径。
在通过具有电流隔离的开关转换器来对根据本发明的逆变器的直流链路供电的情况下，可以使用具有5电平输出电压(线到线)的调制方法，这是因为电流隔离有效地防止共模电压前进到电网侧。
还可以使用其它调制方法和开关组合来控制根据本发明的实施例。
显然，本领域的技术人员能够以各种方式实现本发明的构思。本发明及其实施例不限于以上描述的示例，而可以在权利要求的范围内变化。

Claims (12)

1.一种用于对电网供电的逆变器，其中，所述逆变器包括：
直流链路，包括串联的两个电容器单元和所述电容器单元之间的中性点(VDC0)，以及
第一和第二逆变器臂，所述两个逆变器臂连接在所述直流链路的极(VDC+和VDC-)之间，并且所述两个逆变器臂包括：
四个串联连接的开关器件(Sn1-Sn4)，每个开关具有导通状态和非导通状态，并且当所有开关处于所述导通状态时，所述开关一起形成从所述直流链路的正极到所述直流链路的负极的低阻抗路径，
在两个最上面的开关器件(Sn1、Sn2)之间的上连接点(Vn12)，
在两个最下面的开关器件(Sn3、Sn4)之间的下连接点(Vn34)，
在两个中间开关器件(Sn2、Sn3)之间的输出(Vn23)，
连接在所述直流链路的中性点(VDC0)与所述臂的上连接点(Vn12)之间的第一整流器器件(Dn1)，其允许电流从所述直流链路的中性点(VDC0)流动到所述臂的上连接点(Vn12)，以及
连接在所述直流链路的中性点(VDC0)与所述臂的下连接点(Vn34)之间的第二整流器器件(Dn2)，其允许电流从所述臂的下连接点(Vn34)流动到所述直流链路的中性点(VDC0)，
其特征在于，每个逆变器臂还包括：
连接在所述臂的上连接点(Vn12)与另一臂的输出(Vm23)之间的第三整流器器件(Dn3)，其允许电流从所述另一臂的输出(Vm23)流动到所述臂的上连接点(Vn12)，以及
连接在所述另一臂的输出(Vm23)与所述臂的下连接点(Vn34)之间的第四整流器器件(Dn4)，其允许电流从所述下连接点(Vn34)流动到所述另一臂的输出(Vm23)。
2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述开关器件全部是绝缘栅双极晶体管IGBT，或者全部是功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
3.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，部分所述开关器件是绝缘栅双极晶体管IGBT，而部分所述开关器件是功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
4.一种包括根据权利要求1至3中任一项所述的逆变器的装置，其特征在于，所述逆变器的直流链路通过开关转换器供电，所述开关转换器在其输入与输出之间具有电流隔离。
5.一种包括根据权利要求1至3中任一项所述的逆变器的装置，其特征在于，所述逆变器的直流链路通过太阳能发电机供电。
6.一种包括根据权利要求1至3中任一项所述的逆变器的装置，其特征在于，所述逆变器的直流链路通过燃料电池供电。
7.一种包括根据权利要求1至3中任一项所述的逆变器的装置，其特征在于，所述逆变器的直流链路通过可再充电电池或可再充电电池组供电。
8.一种包括根据权利要求1至3中任一项所述的逆变器的装置，其特征在于，所述逆变器的直流链路通过升压转换器供电。
9.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，每个开关器件与续流二极管成对。
10.一种用于控制根据权利要求1所述的逆变器的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将所述中间开关器件中的一个或更多个设置成导通状态，使得所述逆变器被设置成中性点零状态。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将所述逆变器设置成所述电流具有一个路径的中性点零状态。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法仅使用具有相同共模电压的开关状态。
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