CN102934346A - 用于太阳能电池阵的逆变器 - Google Patents

Abstract

一种全桥NPC逆变器，其使用脉冲宽度调制(PWM)以将来自太阳能电池板阵的DC电压转换为在所述逆变器输出处的可接受用于连接至电网的AC电压。所述PWM控制单元具有预定载波周期。对每个载波周期，载波单元使用参考电压的正值或负值来产生预定数目的信号，用以控制八个逆变器开关元件中的每一个开关元件按照预定模式在载波频率周期的预定周期内接通和关断，从而在逆变器输出处产生可接受的交流电压，并且不在逆变器输入和接地端之间产生载波频率分量。

Description

用于太阳能电池阵的逆变器

技术领域

本发明涉及与太阳能电池阵一起使用的逆变器。

背景技术

太阳能电池板阵由串联连接的太阳能电池组成。光伏(PV)逆变器将来自太阳能电池板阵的DC电压转换成用来连接至电网的AC电压。

图1示出了用于未接地的光伏系统的典型系统。如图1所示，来自太阳能电池板阵PV的输出DC电压(U_DC)连接至逆变器的输入。采用脉冲宽度调制(PWM)将DC电压转换为在逆变器输出处的AC电网电压U_AB。PWM控制单元控制逆变器开关以产生期望的PWM方案。太阳能电池板PV通过在电池板和接地框架(未示出)之间的寄生电容C_pvg耦合至接地端，所述接地框架机械支撑电池板。

图1中相对于接地端在逆变器负输入处的电压U_N是逆变器拓扑的函数，并且使用PWM方法来控制逆变器以将DC电压转换为AC电网电压U_AB。跨电容器C_pvg的电压U_N是PV阵相对于地的共模电压。电压U_N的任何AC分量将产生通过电容器C_pvg从太阳能电池板到地-的电流。如果跨电容器的电压U_N包含超高频率(“HF”)分量，其能够产生超高频率接地电流。这些高频率电流也可能损害太阳能电池板。

现参阅图2，示出有一种H-桥逆变器。该逆变器有四个开关，在图2中被标示为S1、S2、S3和S4，采用固定频率PWM来控制该逆变器。图1中示出的PWM控制单元可以用来控制逆变器开关以产生期望的PWM方法。

图3针对一个具体示例图示了与以下描述的图2中所示H-桥逆变器的操作相关的波形。应当指出，在这个示例中针对每个电网电压U_g的周期，仅使用六个(6)载波周期中。实际上载波频率高得多：例如对于50Hz或60Hz的电网频率，载波频率为10KHz到20KHz。

对每个PWM载波期，如通过图3中波形中的第一个所示，选择期望的平均线-线电压U_ref。电压U_ref在电网电压U_g的整个周期内近似于正弦变化，电网电压U_g同样在图3中的第一个波形中示出。

对于U_ref的正值，开关S1在载波周期的一部分接通，且S4在整个载波周期接通(见图3中用于S1的第三个波形以及图3中用于S4的第六个波形)，并且开关S2在载波周期的一部分关断以及S3在整个开关周期关断(见图3中用于S2的第四个波形以及图3中用于S3的第五个波形)。这种开关接通和关断的安排在逆变器输出处施加了来自太阳能电池板阵的DC电压U_DC以作为图3中第二个波形示出的电压U_AB。这是有效电压状态。

对于U_ref的正值在每个载波周期的剩余部分，S1关断且S2接通，同时如上所述S3继续保持关断且S4继续保持接通。这个开关接通和关断的安排在逆变器的输出处施加近似零电压U_AB。这是零状态。

类似于以上针对期望的平均线-线电压的正值所描述的序列也用于U_ref的负值，其中-U_DC在载波周期的一部分(有效状态)施加于逆变器输出处且对于剩余部分施加零电压(零状态)。

可以利用跨过图1所示两个电感器中每个的电压U_L1和U_L2近似相等的假设，对图2中的共模电压U_N(在图3以第七个波形示出)进行近似：

U_L≈U_L1≈U_L2

在当U_AB＝+U_DC(S1和S4接通)时的正有效状态中，以下等式适用：

U_AB＝U_DC＝U_g+2U_L

U_N＝-U_L

在当U_AB＝-U_DC(S2和S3接通)时的负有效状态中，以下等式适用：

U_AB＝-U_DC＝U_g+2U_L

U_N＝-U_DC-U_L

在这两种有效状态中，为了U_N从等式中消除U_L得到：

$U_N=\left(\frac{U_g-U_{\mathrm{DC}}}{2}\right)$ (等式1)

当S2和S4接通以在逆变器输出处产生零状态时：

U_AB＝0＝U_g+2U_L

U_N＝-U_L

$U_N=\left(\frac{U_g-U_{\mathrm{DC}}}{2}\right)+\frac{U_{\mathrm{DC}}}{2}$ (等式2)

当S1和S3接通以在逆变器输出产生零状态时：

U_AB＝0＝U_g+2U_L

U_N＝-U_DC-U_L

$U_N=\left(\frac{U_g-U_{\mathrm{DC}}}{2}\right)-\frac{U_{\mathrm{DC}}}{2}$ (等式3)

从等式1、2和3中可以看出，共模电压U_N在每次从有效状态转化为零状态时有等于U_DC/2的阶跃变化，且反之亦然。总的电压U_N有三个分量：DC、电网频率(50Hz或60Hz)以及载波频率(10KHz-20KHz)。载波频率分量是共模电压的不期望部分。U_N的波形示出于图3中。

已采用多种拓扑来减轻共模电压的这种高频分量，包括但不限于美国专利No.7,411,802示出的H5逆变器和EP 1369985B1中示出的HERIC逆变器。这两种逆变器拓扑都增加了额外的晶体管，以在应用零电压状态的时间期间允许DC母线和电网之间的隔离。针对这两种逆变器而产生的共模电压可以通过等式给出，并且该电压是独立于有效状态和零状态的。因此，该共模电压仅有DC分量和电网频率分量。

另一个已采用的拓扑是图4中示出的半桥3-电平中性点钳位(“NPC”)逆变器。

在这个拓扑中，电压U_N(相对于地的在电池板负端处的电压)等于-U_DC/2，这是由于由DC母线电容器的串联连接形成的逆变器DC母线的中点连接至接地端。这个拓扑的主要缺陷是DC母线的总电压必须至少是电网电压峰值的两倍。因此，对于230V rms(325V峰值)的电网电压，DC母线必须至少为650Vdc。

发明内容

一种全桥中性点钳位(NPC)逆变器，其具有输入和输出，将在逆变器输入处的直流电压转换为在逆变器输出处的可接受用于连接至电网的交流电压。该逆变器包括八个开关元件S1至S8，其中随开关元件S1到S4形成NPC逆变器全桥的第一半，且开关元件S5到S8形成NPC逆变器全桥逆变器的第二半。该逆变器还包括具有预定载波频率的脉冲宽度调制控制单元。该控制单元针对每个载波周期使用参考电压的正值或者负值以产生预定数量的信号，用以控制八个开关元件中的每一个开关元件按照预定模式在载波频率周期的预定周期内接通或关断，从而在逆变器输出处产生可接受用于连接至电网的交流电压，并且不在逆变器输入和接地端之间产生载波频率分量。

附图说明

图1示出了具有杂散电容的现有技术的PV系统的示意图。

图2示出了现有技术的H-桥逆变器的示意图。

图3示出了采用H-桥的示例电压调制。

图4示出了现有技术的3-电平NPC逆变器的示意图。

图5示出了全桥NPC逆变器示意图。

图6示出了采用八个控制信号来消除高频信号的调制方案。

图7示出了采用四个唯一控制信号来消除高频信号的调制方案。

具体实施方式

此处描述了另外一种技术用以消除共模电压中的高频分量。这种技术使用图5示出的逆变器拓扑。该拓扑已知为全桥NPC逆变器。该拓扑现用于中压驱动中，以减小跨单独晶体管的电压。在该应用中使用的调制方案产生五电平输出，并且逆变器的五电平操作在逆变器输入和接地端之间的电压U_N中包含高频分量。因此，如在MV驱动中使用的那样，图5的全桥NPC逆变器并未消除高频(HF)共模电压。

相反地，如图5所示的全桥NPC逆变器按照以下描述的方式与太阳能电池板阵PV一起使用消除了HF共模电压。使用固定频率PWM来控制全桥NPC逆变器。在图1中示出的PWM控制单元可以用来控制逆变器开关以产生期望的PWM方案。在每个PWM载波周期，选择期望的平均线-线电压U_ref以使得在整个电网电压周期内平均电压近似于正弦波。

对于每个载波周期，通过在周期的一部分跨逆变器输出(U_AB)施加等于+U_DC或-U_DC的有效电压，以及在周期的剩余部分施加零电压，基于平均而获得参考电压U_ref。载波周期中施加有效电压的那部分为工作周期并且通过等式确定：

$\mathrm{duty\; cycle}\left(k\right)=\frac{\left|U_{\mathrm{ref}}\left(k\right)\right|}{U_{\mathrm{dc}}}$ (等式4)

在下面将描述图5示出的八个晶体管的选择，所述选择用来施加这些电压：

针对该调制方案的波形在图6中示出。出于简化说明的目的，示出的载波频率比实际使用的频率低。

图5中示出的拓扑具有八个晶体管S1至S8。这些晶体管用以减缓HF分量的状态为：

1)当U_AB＝+U_DC或-U_DC时，晶体管S1、S4、S5和S8形成有效电压状态。

2)当U_AB＝0时，晶体管S2、S3、S6和S7形成零电压状态。这些晶体管中的一些在有效电压状态也接通。

3)对于U_ref的正值，依照等式4，S1、S2、S7和S8接通并且S3、S4、S5和S6关断，以产生有效状态(U_AB＝+U_DC)。对于零电压状态，S2、S3、S6和S7接通，并且在载波周期的剩余部分，S1、S4、S5和S8关断。

4)对于U_ref的负值，依照等式4，S3、S4、S5和S6接通以产生有效状态(U_AB＝-U_DC)。对于零电压状态，S2、S3、S6和S7接通，并且在载波周期的剩余部分，S1、S4、S5和S8关断。

5)对于八个晶体管的每一个，存在不能同时接通的相应的晶体管，用以防止DC母线至DC母线中点的短路。这些晶体管对被称为互补晶体管对。在图6中的开关模式示出了4个互补晶体管对，其在图中用连接该对的带箭头的虚线指示。这些互补晶体管对是：S1/S3；S4/S2；S5/S7；S8/S6。如图6所示，在S1/S3对中的两个晶体管在S2接通的同时不能都接通；在S4/S2对中的两个晶体管在S3接通的同时不能都接通；在S5/S7对中的两个晶体管在S6接通的同时不能都接通；在S8/S6对中的两个晶体管在S7接通的同时不能都接通。因此，晶体管S1、S2和S3不能同时都接通，晶体管S2、S3和S4不能同时都接通，晶体管S5、S6和S7不能同时都接通，以及晶体管S6、S7和S8不能同时都接通。

6)利用控制信号使图5中示出的每个晶体管伴接通或关断。图6示出了八个(8)分离的控制信号，该波形用S1至S8识别，用以控制四个(4)互补晶体管对。尽管在图6中示出八个(8)控制信号，但应当理解的是仅近要求四个(4)唯一的信号。为了产生图6中的波形U_g，使用相同控制信号来控制互补晶体管对S1/S3和S8/S6。类似地，必须使用相同的信号来控制互补晶体管对S4/S2和S5/S7。因此，为了产生这个波形U_g，仅需要四个(4)唯一信号，如图7中的波形所示。

7)该特定调制示例示出了基于中点的PWM，其中有效电压+U_DC或-U_DC施加于载波周期的中点，并且在载波周期的开始和结束之间等额划分了零电压。存在很多划分这些电压的其他方式，包括针对每半个载波周期分别选择有效电压持续时间和零电压持续时间。应当理解的是，只要如上所述选择有效晶体管状态和零晶体管状态，有效电压状态和零电压状态在一个周期内如何划分并不影响全桥NPC逆变器用以消除共模电压中的HF分量的操作，。

在载波周期的有效电压状态(U_AB＝+U_DC或-U_DC)期间，用于等式1相同的推导示出共模电压U_N为：

$U_N=\frac{U_g-U_{\mathrm{DC}}}{2}$ (等式5)

在零电压状态期间，逆变器的两个输出均近似等于-U_L。

因此，以下等式适用：

U_AB＝0＝U_g+2U_L

$U_N=-U_L-\frac{U_{\mathrm{DC}}}{2}$

对于零状态，为了U_N从等式中消除U_L得到：

$U_N=\frac{U_g-U_{\mathrm{DC}}}{2}$ (等式6)

等式5和6相同的。因此，对于图5中所示被控制为具有上述的有效晶体管状态和零晶体管状态的逆变器拓扑，当逆变器输出状态从有效至零或相反时共模电压U_N不显示任何突变。因此，共模电压U_N不包含任何不期望的高频分量。

应当理解的是，前述的示例性的实施例意在仅用来对本发明进行说明而并非穷尽。普通技术人员可以在不偏离如所附权利要求定义的本发明的精神或其范围的情况下，对本公开主题的实施例做出一些增加，删除和/或修正。

Claims (7)

1.一种全桥中性点钳位(NPC)逆变器，所述全桥NPC逆变器具有输入和输出，用于将所述逆变器输入处的直流电压转换为所述逆变器输出处的可接受用于连接至电网的交流电压，所述NPC全桥逆变器包括：

八个开关元件S1至S8，所述开关元件S1至S4形成所述NPC逆变器全桥的第一半，并且所述开关元件S5至S8形成所述NPC逆变器全桥逆变器的第二半；以及

具有预定载波频率的脉冲宽度调制控制单元，对于每个载波周期，所述控制单元使用参考电压的正值或负值来产生预定数量的信号，用以控制所述八个开关元件中的每一个开关元件，按照预定模式在所述载波频率周期的预定周期内接通或关断，从而在所述逆变器输出处产生可接受用于连接至所述电网的所述交流电压，并且不在所述逆变器输入和接地端之间产生载波频率分量。

2.如权利要求1所述的全桥NPC逆变器，其中所述逆变器输出连接至电网，该电网的电压具有预定周期且针对每个载波周期选择所述参考电压的正值或负值以在整个所述电网电压预定周期近似于正弦波。

3.如权利要求1所述的全桥NPC逆变器，其中当所述逆变器输出处的所述电压等于所述逆变器输入处的所述DC电压的正值或负值时，所述开关元件S1、S4、S5和S8形成有效电压状态，以及当所述逆变器输出处的所述电压等于零时，所述开关元件S2、S3、S6和S7形成零电压状态。

4.如权利要求3所述的全桥NPC逆变器，其中对于所述参考电压具有正值的所有所述载波周期，所述开关元件S2和S7始终接通，所述开关元件S4和S5始终关断，所述开关元件S1和S3开关动作彼此相反，并且所述开关元件S6和S8开关动作彼此相反，从而当S1、S2、S7和S8接通且S3、S4、S5和S6关断时产生所述有效电压状态，以及当S2、S3、S6和S7接通且S1、S4、S5和S8关断时产生所述零电压状态。

5.如权利要求3所述的全桥NPC逆变器，其中对于所述参考电压具有负值的所有所述载波周期，所述开关元件S1和S8始终关断，所述开关元件S3和S6始终接通，所述开关元件S2和S4开关动作彼此相反，并且所述开关元件S5和S7开关动作彼此相反，从而当S3、S4、S5和S6接通且S1、S2、S7和S8关断时产生所述有效电压状态，当S2、S3、S6和S7接通且S1、S4、S5和S8关断时产生所述零电压状态。

6.如权利要求1所述的全桥NPC逆变器，其中所述八个开关元件布置为所述开关元件的四个互补对S1/S3、S4/S2、S5/S7和S8/S6，其中所述S1和S2开关元件不能在所述开关元件S2接通的同时都接通，所述S4和S2开关元件不能在所述开关元件S3接通的同时都接通，所述S5和S7开关元件不能在所述开关元件S6接通的同时都接通，以及所述S8和S6开关元件不能在所述开关元件S7接通的同时都接通。

7.如权利要求1所述的全桥NPC逆变器，其中所述开关元件S1、S2和S3不能同时全接通，所述开关元件S2、S3和S4不能同时全接通，所述开关元件S5、S6和S7不能同时全接通，以及所述开关元件S6、S7和S8不能同时全接通。

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