CN102510231A - 二极管钳位式五电平光伏逆变器及采用它的供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二极管钳位式五电平光伏逆变器及采用它的供电系统，属于太阳能光伏发电技术领域，它将太阳能光伏电池输出的直流电逆变成交流电，并输送给电网的逆变器，各路直流输入通过升压电路进行独立的最大功率点跟踪控制，充分发挥太阳能电池板的效率，再经过多电平逆变器进行高效的逆变，整个系统发电效率高，注入电网的谐波小，减小了对电网电能质量的影响。其逆变主电路与逆变控制器连接；逆变主电路包括直流母线与三个结构完全相同的桥臂，各桥臂的直流输入端接直流输入，各桥臂的交流输出端与电网连接；逆变器拓扑具有如下特点：开关器件所承受的开关应力dv/dt小，无动态电压共享问题，不需要额外的器件就能实现静态电压均衡。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能光伏发电用逆变器，尤其涉及一种二极管钳位式五电平光伏逆变器及采用它的供电系统。
背景技术
随着能源和环境问题的日益严重，太阳能、风能等可再生能源发电增长迅速，对大容量功率变换装置的要求也日益增加，其核心部件为大功率逆变器。由于器件可承受电压和电流能力的限制，传统两电平逆变器难以直接实现高压大功率化；同时在高压应用中，两电平逆变器输出电压的dv/dt很大，会导致绝缘问题和严重的电磁干扰。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种二极管钳位式五电平光伏逆变器及采用它的供电系统，它在保留多电平逆变器高效率和高电压利用率优点的基础上，解决其电压应力高的问题，并提供动态电压共享、静态电压均衡等问题的解决方案。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种二极管钳位式五电平光伏逆变器，它包括逆变主电路和逆变控制器，逆变主电路的开关器件控制信号由逆变控制器提供；所述逆变主电路包括直流母线与三个结构完全相同的桥臂，各桥臂的直流输入端接直流输入，各桥臂的交流输出端与电网连接，其中：
直流母线由四个电容C1、C2、C3和C4串联而成，即第一电容C1的正极与直流母线的正极连接，负极与第二电容C2的正极连接；第二电容C2的负极与第三电容C3的正极连接；第三电容C3的负极与第四电容C4的正极连接；第四电容C4的负极与直流母线的负极连接。提供五个不同的电平。
三条桥臂结构相同，每条桥臂包含8个功率开关管(可为绝缘栅双极型晶体管IGBT或大功率晶体管GTR)、8个功率二极管、12个钳位二极管，构成两组串联的开关电路和三组钳位电路。以第一桥臂为例：
第一开关电路包含4个功率开关管和4个功率二极管，连接如下：
功率开关管之间连接：
第一功率开关管S1的集电极与直流母线的正极连接；
第一功率开关管S1的发射极与第二功率开关管S2的集电极连接；
第二功率开关管S2的发射极与第三功率开关管S3的集电极连接；
第三功率开关管S3的发射极与第四功率开关管S4的集电极连接；
第四功率开关管S4的发射极与第五功率开关管S1’的集电极连接；
功率开关管与功率二极管连接：
第一功率开关管S1与第一功率二极管D11并联(S1的集电极与D11的阴极连接，S1的发射极与D11的阳极连接)；
第二功率开关管S2与第二功率二极管D12并联；
第三功率开关管S3与第三功率二极管D13并联；
第四功率开关管S4与第四功率二极管D14并联；
第一开关电路包含4个功率开关管和4个功率二极管，连接如下：
第五功率开关管S1’的发射极与第六功率开关管S2’的集电极连接；
第六功率开关管S2’的发射极与第七功率开关管S3’的集电极连接；
第七功率开关管S3’的发射极与第八功率开关管S4’的集电极连接；
第八功率开关管S4’的发射极与直流母线的负极连接。
功率开关管与功率二极管连接：
第五功率开关管S1’与第五功率二极管D21并联；
第六功率开关管S2’与第六功率二极管D22并联；
第七功率开关管S3’与第七功率二极管D23并联；
第八功率开关管S4’与第八功率二极管D24并联。
两组开关电路串联连接，即，第四功率开关管S4的发射极与第五功率开关管S1’的集电极连接，连接点作为A相输出。开关器件状态不同的情况下，A相输出可能为五个不同的电平。
所述三组钳位电路分别为：
第一组钳位电路，包括第一钳位支路和第二钳位支路。其中第一钳位支路为第一钳位二极管D1，其阴极与第一功率开关管S1的发射极连接，阳极与第一电容C1的负极和第二钳位二极管的阴极连接；第二钳位支路为串联(即上一二极管的阳极与下一二极管的阴极连接)的第二、三、四钳位二极管，因特性完全一致，因此以D1’×3表示(以下类似表示方法含义相同)，其中第四钳位二极管的阳极与第五功率开关管S1’的发射极连接；
第二组钳位电路，包括第三钳位支路和第四钳位支路。其中第三钳位支路为串联的第五、六钳位二极管即D2×2，第五钳位二极管的阴极与第二功率开关管S2的发射极连接，第六钳位二极管的阳极与第二电容C2的负极和第七钳位二极管的阴极连接；第四钳位支路为串联的第七、八钳位二极管即D2’×2，第八钳位二极管的阳极与第六功率开关管S2’的发射极连接；
第三组钳位电路，包括第五钳位支路和第六钳位支路。其中第五钳位支路为串联的第九、十、十一钳位二极管即D3×3，第九钳位二极管的阴极与第三功率开关管S3的发射极连接，第十一钳位二极管的阳极与第三电容C3的负极和第十二钳位二极管的阴极连接；第六钳位支路为第十二钳位二极管即D3’，其阳极与第七功率开关管S3’的发射极连接。
所述功率开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT或大功率晶体管GTR。
一种采用二极管钳位式五电平光伏逆变器的供电系统，它包括多个太阳能电池板、多路直流升压主电路、MPPT控制器和二极管钳位式五电平光伏逆变器，是一种将太阳能光伏电池输出的直流电逆变成交流电，并输送给电网的装置。它采用多路直流输入，各路直流输入通过升压电路进行独立的最大功率点跟踪控制，充分发挥太阳能电池板的效率，再经过二极管钳位式五电平逆变器将直流电逆变成交流电，输送给电网，其中：
多路直流升压主电路的各路直流输入与对应的太阳能光伏电池板的各路直流输出端连接，直流升压电路输出端与二极管钳位式五电平光伏逆变器的直流输入端连接；
MPPT控制器，与多路升压主电路的功率开关器件门极连接，控制上述多路直流升压主电路进行独立的最大功率点跟踪控制，与上述多路直流升压主电路构成多路直流升压系统；
二极管钳位式五电平光伏逆变器的主电路，结构如前所述，其直流输入端与上述多路直流升压主电路的直流输出端连接，其交流输出端与电网连接；
逆变控制器，与二极管钳位式五电平逆变主电路的功率开关器件门极连接，对上述二极管钳位式五电平逆变主电路进行并网控制，与上述五电平逆变主电路构成五电平逆变系统；
多路直流升压系统，由多路直流升压主电路和MPPT控制器组成；
五电平逆变系统，由上述五电平逆变主电路和逆变控制器构成；同时逆变主电路的逆变控制器与MPPT控制器通过通讯线路连接。
本发明的特点如下：
1)将洁净的、可再生能源-太阳能光伏发电转换为交流电输送给电网；
2)多路直流输入，多路独立的最大功率点跟踪控制，光伏电池板利用效率高；
3)五电平逆变设计下每个功率器件仅承受1/5的母线电压，因而可以使用低耐压器件实现高压大功率的输出；在每个功率器件电压等级不变的情况下，串联器件数的增加可以使输出电压等级提高5倍，从而得到五倍的输出功率；
4)五电平逆变设计下电平数的增加可以改善输出波形，减小输出电压波形畸变，使THD大大降低，对电能质量影响小，有利于大规模光伏发电的并网；可以用较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波形，因此开关损耗小，系统的效率高；由于电平数的增加，在相同的直流母线电压和开关频率条件下，与两电平逆变器相比，开关器件所承受的开关应力dv/dt大大减小；
5)二极管钳位式五电平逆变器在开关状态切换时，任一开关器件上都只承受直流母线一半的电压，从而不会产生动态电压共享问题；如果将二极管钳位式五电平逆变器中每条桥臂的顶部和底部两个开关管选择漏电流较小的器件，则静态时这两个开关管上的压降会被钳位二极管钳位在E，从而内部两个开关管上的电压也会固定在E，不需要在开关管上并联额外的电阻就能实现静态电压均衡；从而可以保证即使在多功率管参数不一致和开关瞬态的不同步情况下，各功率管在稳态和瞬态过程中承受的电压应力始终箝位于母线电容的电压，从而不会产生个别功率管过压，导致电路可靠性问题。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为二极管钳位式五电平逆变主电路结构示意图，包含直流母线与一条桥臂。
其中，1为直流升压主电路，2为MPPT控制器，3为逆变主电路，4为逆变控制器，5为太阳能电池，6为电网。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1为采用二极管钳位式五电平光伏逆变器的供电系统，它包括多个太阳能电池5，各太阳能电池5与各自的直流升压主电路1输入端连接，各直流升压主电路1则与MPPT控制器2连接，进行最大功率点跟踪控制；所述各直流升压主电路1的输出端则与逆变主电路3的直流输入端连接，逆变主电路3的交流输出端则与电网6连接；同时逆变主电路3的逆变控制器4与MPPT控制器2连接。
图2中，它包括逆变主电路3，逆变主电路3与逆变控制器4连接；所述逆变主电路3包括直流母线与三个结构完全相同的桥臂，各桥臂的直流输入端接输入的直流电流，各桥臂的交流输出端与电网6连接；其中，各桥臂的结构为：
直流母线由四个电容C1、C2、C3和C4串联而成，即第一电容C1的正极与直流母线的正极连接，负极与第二电容C2的正极连接；第二电容C2的负极与第三电容C3的正极连接；第三电容C3的负极与第四电容C4的正极连接；第四电容C4的负极与直流母线的负极连接。提供五个不同的电平。
三条桥臂结构相同，每条桥臂包含8个功率开关管(可为绝缘栅双极型晶体管IGBT或大功率晶体管GTR)、8个功率二极管、12个钳位二极管，构成两组串联的开关电路和三组钳位电路。以第一桥臂为例：
第一开关电路包含4个功率开关管和4个功率二极管，连接如下：
功率开关管之间连接：
第一功率开关管S1的集电极与直流母线的正极连接；
第一功率开关管S1的发射极与第二功率开关管S2的集电极连接；
第二功率开关管S2的发射极与第三功率开关管S3的集电极连接；
第三功率开关管S3的发射极与第四功率开关管S4的集电极连接；
第四功率开关管S4的发射极与第五功率开关管S1’的集电极连接；
功率开关管与功率二极管连接：
第一功率开关管S1与第一功率二极管D11并联(S1的集电极与D11的阴极连接，S1的发射极与D11的阳极连接)；
第二功率开关管S2与第二功率二极管D12并联；
第三功率开关管S3与第三功率二极管D13并联；
第四功率开关管S4与第四功率二极管D14并联；
第一开关电路包含4个功率开关管和4个功率二极管，连接如下：
第五功率开关管S1’的发射极与第六功率开关管S2’的集电极连接；
第六功率开关管S2’的发射极与第七功率开关管S3’的集电极连接；
第七功率开关管S3’的发射极与第八功率开关管S4’的集电极连接；
第八功率开关管S4’的发射极与直流母线的负极连接。
功率开关管与功率二极管连接：
第五功率开关管S1’与第五功率二极管D21并联；
第六功率开关管S2’与第六功率二极管D22并联；
第七功率开关管S3’与第七功率二极管D23并联；
第八功率开关管S4’与第八功率二极管D24并联。
两组开关电路串联连接，即，第四功率开关管S4的发射极与第五功率开关管S1’的集电极连接，连接点作为A相输出。开关器件状态不同的情况下，A相输出可能为五个不同的电平。
所述三组钳位电路分别为：
第一组钳位电路，包括第一钳位支路和第二钳位支路。其中第一钳位支路为第一钳位二极管D1，其阴极与第一功率开关管S1的发射极连接，阳极与第一电容C1的负极和第二钳位二极管的阴极连接；第二钳位支路为串联(即上一二极管的阳极与下一二极管的阴极连接)的第二、三、四钳位二极管，因特性完全一致，因此以D1’×3表示(以下类似表示方法含义相同)，其中第四钳位二极管的阳极与第五功率开关管S1’的发射极连接；
第二组钳位电路，包括第三钳位支路和第四钳位支路。其中第三钳位支路为串联的第五、六钳位二极管即D2×2，第五钳位二极管的阴极与第二功率开关管S2的发射极连接，第六钳位二极管的阳极与第二电容C2的负极和第七钳位二极管的阴极连接；第四钳位支路为串联的第七、八钳位二极管即D2’×2，第八钳位二极管的阳极与第六功率开关管S2’的发射极连接；
第三组钳位电路，包括第五钳位支路和第六钳位支路。其中第五钳位支路为串联的第九、十、十一钳位二极管即D3×3，第九钳位二极管的阴极与第三功率开关管S3的发射极连接，第十一钳位二极管的阳极与第三电容C3的负极和第十二钳位二极管的阴极连接；第六钳位支路为第十二钳位二极管即D3’，其阳极与第七功率开关管S3’的发射极连接。
Claims (5)
1.一种二极管钳位式五电平光伏逆变器，其特征是，它包括逆变主电路，逆变主电路与逆变控制器连接；所述逆变主电路包括直流母线与三个结构完全相同的桥臂，各桥臂的直流输入端与太阳能电池连接，各桥臂的交流输出端与电网连接；其中，
直流母线由多个电容串联而成；
各桥臂的结构为：
两组串联的开关电路，其串联接点处作为该相输出端；
所述两组串联的开关电路间跨接三个组钳位电路，钳位电路的输入端与直流母线连接。
2.如权利要求1所述的二极管钳位式五电平光伏逆变器，其特征是，所述开关电路由八对并联的开关管与功率二极管组成，其中，第一组开关电路为：
第一功率开关管S1与第一功率二极管D11并联；
第二功率开关管S2与第二功率二极管D12并联；
第三功率开关管S3与第三功率二极管D13并联；
第四功率开关管S4与第四功率二极管D14并联；
第二组开关电路为：
第五功率开关管S1’与第五功率二极管D21并联；
第六功率开关管S2’与第六功率二极管D22并联；
第七功率开关管S3’与第七功率二极管D23并联；
第八功率开关管S4’与第八功率二极管D24并联；
同时，第一功率开关管S1的集电极与直流母线的正极连接；
第一功率开关管S1的发射极与第二功率开关管S2的集电极连接；
第二功率开关管S2的发射极与第三功率开关管S3的集电极连接；
第三功率开关管S3的发射极与第四功率开关管S4的集电极连接；
第四功率开关管S4的发射极与第五功率开关管S1’的集电极连接；
第五功率开关管S1’的发射极与第六功率开关管S2’的集电极连接；
第六功率开关管S2’的发射极与第七功率开关管S3’的集电极连接；
第七功率开关管S3’的发射极与第八功率开关管S4’的集电极连接；
第八功率开关管S4’的发射极与直流母线的负极连接。
3.如权利要求2所述的二极管钳位式五电平光伏逆变器，其特征是，所述三个组钳位电路分别为：
第一组钳位电路，包括第一钳位支路和第二钳位支路；其中第一钳位支路为第一钳位二极管D1，其阴极与第一功率开关管S1的发射极连接，阳极与第一电容C1的负极和第二钳位二极管的阴极连接；第二钳位支路为串联的第二、三、四钳位二极管，即上一二极管的阳极与下一二极管的阴极连接，因特性完全一致，因此以D1’×3表示，以下相同表示方法含义相同，其中第四钳位二极管的阳极与第五功率开关管S1’的发射极连接；
第二组钳位电路，包括第三钳位支路和第四钳位支路；其中第三钳位支路为串联的第五、六钳位二极管即D2×2，第五钳位二极管的阴极与第二功率开关管S2的发射极连接，第六钳位二极管的阳极与第二电容C2的负极和第七钳位二极管的阴极连接；第四钳位支路为串联的第七、八钳位二极管即D2’×2，第八钳位二极管的阳极与第六功率开关管S2’的发射极连接；
第三组钳位电路，包括第五钳位支路和第六钳位支路；其中第五钳位支路为串联的第九、十、十一钳位二极管即D3×3，第九钳位二极管的阴极与第三功率开关管S3的发射极连接，第十一钳位二极管的阳极与第三电容C3的负极和第十二钳位二极管的阴极连接；第六钳位支路为第十二钳位二极管即D3’，其阳极与第七功率开关管S3’的发射极连接。
4.如权利要求2所述的二极管钳位式五电平光伏逆变器，其特征是，所述功率开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT或大功率晶体管GTR。
5.一种采用权利要求1所述的二极管钳位式五电平光伏逆变器的供电系统，其特征是，它包括多个太阳能电池，各太阳能电池与各自的直流升压主电路输入端连接，各直流升压主电路则与MPPT控制器连接，进行最大功率点跟踪控制；所述各直流升压主电路的输出端则与逆变主电路的直流输入端连接，逆变主电路的交流输出端则与电网连接；同时逆变主电路的逆变控制器与MPPT控制器连接。
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