CN103001518A - 一种逆变装置、方法以及逆变并网发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变装置、方法以及逆变并网发电系统，属于并网发电技术领域。通过当输入直流电压达到预设的阈值时，断开反压电路，输入直流电压对第一电容和第二电容充电，经过桥式逆变电路产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于阈值时，导通反压电路产生负电压并对第二电容充电，输入直流电压对第一电容充电，经过桥式逆变电路产生不对称三电平的交流电，使得在输入直流电源电压较低时，升压电路和直流电源可以同时向逆变器提供直流电能，保证了逆变器的输出电压和工作范围，不仅能降低升压电路的能耗，还能降低逆变器的开关损耗，从而在将该逆变装置应用到太阳能光伏或其他直流输入并网发电系统中时，能显著提高整个系统的效率。

Description

一种逆变装置、方法以及逆变并网发电系统

技术领域

本发明涉及并网发电技术领域，特别涉及一种逆变装置、方法以及逆变并网发电系统。

背景技术

随着常规能源枯竭、环境问题日益严重，太阳能光伏发电作为一项新兴清洁能源产业，发展十分迅速。逆变装置是太阳能光伏发电与电网连接的桥梁，是太阳能光伏发电并网系统中必备的设备之一，用于将太阳能电池上产生的直流电转换为电网所需的交流电。

目前，传统的太阳能逆变器系统分为两级式逆变器系统和单级式逆变器系统；参见图1，两级式逆变器系统包括：桥式逆变器及升压电路，该桥式逆变器为三相逆变桥，包括三个桥臂，每个桥臂具有相同的结构；升压电路将输入的太阳能直流电压提升后，提供桥式逆变器正常工作时所需电压的直流电能，用于防止太阳能直流电压过低时，桥式逆变器无法正常工作。参见图2，单级式逆变器系统包括：桥式逆变器，该桥式逆变器为三相逆变桥，包括三个桥臂，每个桥臂具有相同的结构，直接将输入的太阳能直流电压提供给桥式逆变器。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

在两级式逆变器中，当逆变器的输入直流电压（如太阳能电池板）较低时，必须通过升压电路升压，然后再经过逆变桥逆变并网，由于升压电路升压变换器的存在，必然降低了系统的整体效率；另外，在太阳能电池板的电压较高时，由于升压电路的存在，使得逆变器的母线电压升高，从而使得逆变器的开关损耗增加，导致整个系统的效率进一步降低。

在单级式逆变器中，由于逆变电路仅有降压控制功能，其输出的交流电压峰值必须小于输入其的直流电压幅值，因此，限制了逆变器的输出电压和工作范围。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种逆变装置、方法以及应用其的太阳能光伏并网系统。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种逆变装置，所述逆变装置包括：第一电容、第二电容、反压电路以及桥式逆变器，其中，所述桥式逆变器包括至少一个桥臂；

所述反压电路，用于当输入直流电压达到预设的阈值，断开所述反压电路；当输入直流电压低于所述预设的阈值，导通所述反压电路并产生负电压；

所述桥式逆变器，用于当输入直流电压达到预设的阈值时，断开所述反压电路，通过所述输入直流电压分别对所述第一电容和所述第二电容充电，经过桥式逆变电路产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于所述阈值时，导通所述反压电路并产生负电压，通过所述反压电路对所述第二电容充电以及通过所述输入直流电压对所述第一电容充电，经过桥式逆变电路产生不对称三电平的交流电；

所述第一电容，与所述第二电容串联，用于当输入直流电压达到预设的阈值时，通过所述输入直流电压对所述第一电容进行充电，以便产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于所述阈值时，通过所述输入直流电压对所述第一电容充电，以便产生不对称三电平的交流电；

所述第二电容，与所述第一电容串联，用于当输入直流电压达到预设的阈值时，通过所述输入直流电压对所述第二电容进行充电，产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于所述阈值时，导通所述反压电路并产生负电压对第二电容充电，以便产生不对称三电平的交流电。

第二方面，提供了一种基于第一方面中所述的逆变装置的逆变方法，所述方法包括：

当输入直流电压达到预设的阈值时，断开反压电路，所述输入直流电压对第一电容和第二电容充电，经过桥式逆变电路产生常规三电平的交流电；

当所述输入直流电压低于所述阈值时，导通所述反压电路产生负电压并对第二电容充电，所述输入直流电压对所述第一电容充电，经过桥式逆变电路产生不对称三电平的交流电。

第三方面，提供了一种逆变并网发电系统，所述系统包括：权利要求1～5任一项所述的逆变装置。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过当输入直流电压达到预设的阈值时，断开反压电路，输入直流电压对第一电容和第二电容充电，经过桥式逆变电路产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于阈值时，导通反压电路产生负电压并对第二电容充电，输入直流电压对第一电容充电，经过桥式逆变电路产生不对称三电平的交流电，使得在输入直流电源电压较低时，升压电路和直流电源可以同时向逆变器提供直流电能，保证了逆变器的输出电压和工作范围，不仅能降低升压电路的能耗，还能降低逆变器的开关损耗，从而在将该逆变装置应用到太阳能光伏或其他直流输入并网发电系统中时，能显著提高整个系统的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的两级式逆变器系统结构图；

图2是现有技术提供的单级式逆变器系统结构图；

图3是本发明实施例一提供的逆变装置结构图；

图4是本发明实施例一提供的逆变装置在输入直流电压较高时工作状态图；

图5为本发明的实施例二提供的逆变装置结构图；

图6为本发明的实施例三提供的逆变方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种逆变装置，参见图1，该装置包括：

第一电容C1、第二电容C2、反压电路以及桥式逆变器，其中，桥式逆变器包括至少一个桥臂；本发明实施例中的桥式逆变器中包括三个桥臂，每个桥臂具有相同的结构，能输出三相交流电能，当然桥臂的个数并不限于此，在实际使用时，可根据负载的需求增加或减少桥臂的个数，以获得增加或减少的交流电能的相数。

反压电路，用于当输入直流电压达到预设的阈值，断开反压电路；当输入直流电压低于预设的阈值，导通反压电路并产生负电压；

桥式逆变器，用于当输入直流电压达到预设的阈值时，断开反压电路，通过输入直流电压分别对第一电容C1和第二电容C2充电，经过桥式逆变电路产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于阈值时，导通反压电路并产生负电压，通过反压电路对第二电容C2充电以及通过输入直流电压对第一电容C1充电，经过桥式逆变电路产生不对称三电平的交流电；

第一电容C1，与第二电容C2串联，用于当输入直流电压达到预设的阈值时，通过输入直流电压对第一电容C1进行充电，以便产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于阈值时，通过输入直流电压对第一电容C1充电，以便产生不对称三电平的交流电；

第二电容C2，与第一电容C1串联，用于当输入直流电压达到预设的阈值时，通过输入直流电压对第二电容C2进行充电，产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于阈值时，导通反压电路并产生负电压对第二电容C2充电，以便产生不对称三电平的交流电。

具体的，至少一个桥臂包括：第一至第四功率开关管；以图中桥臂A为例，桥臂A包括：第一至第四功率开关管分别为Q1、Qr1、Qh1及Q4。

第一功率开关管，用于当输入直流电压达到预设的阈值且反压电路断开时，在输出交流的正半周与第三功率开关管交替导通，当第一功率开关管导通时产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于预设的阈值且反压电路导通时，在输出交流的正半周与第三功率开关管交替导通，当第一功率开关管导通时产生不对称三电平的交流电；

第三功率开关管，用于当输入直流电压达到预设的阈值且反压电路断开时，在输出交流的正半周与第一功率开关管交替导通，当第三功率开关管导通时产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于预设的阈值且反压电路导通时，在输出交流的正半周与第一功率开关管交替导通，当第三功率开关管导通时产生不对称三电平的交流电；

第二功率开关管，用于当输入直流电压达到预设的阈值且反压电路断开时，在输出交流的负半周与第四功率开关管交替导通，当第二功率开关管导通时产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于预设的阈值且反压电路导通时，在输出交流的负半周与第四功率开关管交替导通，当第二功率开关管导通时产生不对称三电平的交流电；

第四功率开关管，用于当输入直流电压达到预设的阈值且反压电路断开时，在输出交流的负半周与第二功率开关管交替导通，当第四功率开关管导通时产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于预设的阈值且反压电路导通时，在输出交流的负半周与第四功率开关管交替导通，当第四功率开关管导通时产生不对称三电平的交流电；

参见图4，下面以图中桥臂A为例，桥臂A包括：第一至第四功率开关管,分别为Q1、Qr1、Qh1及Q4，说明在使用上述逆变装置，当输入直流电压达到预设的阈值时，逆变装置的工作状态：此时反压电路断开，在输出交流的正半周，Qh1与Q1交替导通，分别输出V＋，1/2（V＋＋V-）两个电平；在输出交流的负半周，Q4与Qr1交替导通，分别输出1/2（V＋＋V-）和V－两个电平，这样当输入直流电压达到预设的阈值且反压电路断开时，产生常规三电平的交流电。其他两相的工作方式完全相同，仅仅是输出交流电压分别有120度和240度的相位延迟。其中，该预设的阈值为桥式逆变器正常工作所需的电压和一个小的变动范围，比如1.414×380V＋VF，VF即为变动范围的电压。

在使用上述逆变装置时，当输入直流电压低于预设的阈值时，此时反压电路导通产生一个负电压，在输出交流的正半周，Qh1与Q1交替导通，分别输出V+，V0两个电平；在输出交流的负半周，Q4与Qr1交替导通，分别输出V0和V－两个电平，相对与反压电路断开而言，其中V0的电位不是（V＋＋V-）的一半，称之为电路工作为不对称三电平工作状态，产生不对称三电平的交流电V+、V0、V-；这样使得桥式逆变器不仅从直流电源获得电压为Vi的直流电能，还能从升压电路获得电压为V-的直流电能，以保证逆变电路能够正常工作。其中，V-的大小应满足：Vi与V-串联相加的幅值大于（1.414×380V＋VF），以保证逆变电路能够输出期望幅值的交流电压。其他两相的工作方式完全相同，仅仅是输出交流电压分别有120度和240度的相位延迟。

需要说明的是，图3中Q1和Qr1并联连接，也可以将Q1和Qr1串联连接。其他两相完全相同。

进一步地，参见图3，该逆变装置还包括：第一至第四功率开关管分别并联第一至第四二极管；

第一功率开关管的漏极及第一二极管的阴极电连接；第一功率开关管的源极及第一二极管的阳极电连接；

第二功率开关管的漏极及第二二极管的阴极电连接；第二功率开关管的源极及第二二极管的阳极电连接；

第三功率开关管的漏极及第三二极管的阴极电连接；第三功率开关管的源极及第三二极管的阳极电连接；

第四功率开关管的漏极及第四二极管的阴极电连接；第四功率开关管的源极及第四二极管的阳极电连接。

具体地，第一至第四功率开关管可以为绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGate Bipolar Transistor，简称为：IGBT），或者为金属氧化物场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称为：MOSFET），或者为集成门极换流晶闸管（Intergrated Gate Commutated Thyristors，简称为：IGCT），或者为其它可控开关管。

具体地，参见图3，该装置还包括：负端开关管Q0和负端二极管D0，负端开关管Q0一端与输入直流电压Vi的负端连接，另一端连接于第一电容C1和第二电容C2之间；

负端开关管Q0，用于当输入直流电压达到阈值时，断开反压电路；当输入直流电压低于阈值时，导通反压电路。其中，Q0可为绝缘栅双极型晶体管，或者为金属氧化物场效应晶体管，或者为集成门极换流晶闸管，或者为其他如接触器、继电器等可控开断装置。

负端二极管D0，可再并联一个可控断开器件，或用一个可控断开器件替代，用于进一步降低此处二极管的导通损耗。

本发明实施例提供的装置，通过当输入直流电压达到预设的阈值时，断开反压电路，输入直流电压对第一电容和第二电容充电，经过桥式逆变电路产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于阈值时，导通反压电路产生负电压并对第二电容充电，输入直流电压对第一电容充电，经过桥式逆变电路产生不对称三电平的交流电，使得在输入直流电源电压较低时，升压电路和直流电源可以同时向逆变器提供直流电能，保证了逆变器的输出电压和工作范围，不仅能降低升压电路的能耗，还能降低逆变器的开关损耗，从而在将该逆变装置应用到太阳能光伏或其他直流输入并网发电系统中时，能显著提高整个系统的效率。

实施例二

图5所示的实施例二逆变装置，与实施例一电路上的不同之处在于桥式逆变电路中的四个开关管为串联方式，其工作原理与实施例一完全相同，在此不再赘述。

实施例三

本发明实施例提供了一种逆变方法，该方法是基于实施例一所述的逆变装置，参见图6，该方法包括：

601、当输入直流电压达到预设的阈值时，断开反压电路，输入直流电压对第一电容和第二电容充电，经过桥式逆变电路产生常规三电平的交流电；

602、当输入直流电压低于阈值时，导通反压电路产生负电压并对第二电容充电，输入直流电压对第一电容充电，经过桥式逆变电路产生不对称三电平的交流电。

具体地，当输入直流电压达到预设的阈值时，断开反压电路，输入直流电压对第一电容和第二电容充电，经过桥式逆变电路产生常规三电平的交流电，具体包括：

当输入直流电压达到预设的阈值断开反压电路，输入直流电压对第一电容和第二电容充电，桥式逆变电路的第一功率开关管在输出交流的正半周与第三功率开关管交替导通，产生常规三电平的交流电；桥式逆变电路的第二功率开关管在输出交流的负半周与第四功率开关管交替导通，产生常规三电平的交流电。

具体地，当输入直流电压低于阈值时，导通反压电路产生负电压并对第二电容充电，输入直流电压对第一电容充电，经过桥式逆变电路产生不对称三电平的交流电，具体包括：

当输入直流电压低于预设的阈值时导通反压电路，反压电路对第二电容充电以及输入直流电压对第一电容充电，桥式逆变电路的第一功率开关管在输出交流的正半周与第三功率开关管交替导通产生不对称三电平的交流电；桥式逆变电路的第二功率开关管在输出交流的负半周与第四功率开关管交替导通产生不对称三电平的交流电。

具体地，所述方法还包括：

当输入直流电压达到预设的阈值时，与输入直流电压的负端连接的负端开关管截止，断开反压电路；当输入直流电压低于预设的阈值时，负端开关管导通，导通反压电路。

本发明实施例提供的方法，通过当输入直流电压达到预设的阈值时，断开反压电路，输入直流电压对第一电容和第二电容充电，经过桥式逆变电路产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于阈值时，导通反压电路产生负电压并对第二电容充电，输入直流电压对第一电容充电，经过桥式逆变电路产生不对称三电平的交流电，使得在输入直流电源电压较低时，升压电路和直流电源可以同时向逆变器提供直流电能，保证了逆变器的输出电压和工作范围，不仅能降低升压电路的能耗，还能降低逆变器的开关损耗，从而在将该逆变装置应用到太阳能光伏或其他直流输入并网发电系统中时，能显著提高整个系统的效率。

实施例四

本发明实施例提供了一种逆变并网发电系统，所述系统包括实施例一所述的逆变装置，将该逆变装置应用到太阳能光伏或其他直流输入并网发电系统中时，能显著提高整个系统的效率；该逆变装置的结构以及工作原理已在实施例一中做了详细说明，在此不再赘述。

需要说明的是：上述实施例提供的逆变装置和太阳能光伏并网系统在对输入直流电压进行逆变时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置和设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的逆变装置和太阳能光伏并网系统与逆变方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种逆变装置，其特征在于，所述逆变装置包括：第一电容、第二电容、反压电路以及桥式逆变器，其中，所述桥式逆变器包括至少一个桥臂；

所述反压电路，用于当输入直流电压达到预设的阈值，断开所述反压电路；当输入直流电压低于所述预设的阈值，导通所述反压电路并产生负电压；

所述桥式逆变器，用于当输入直流电压达到预设的阈值时，断开所述反压电路，通过所述输入直流电压分别对所述第一电容和所述第二电容充电，经过桥式逆变电路产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于所述阈值时，导通所述反压电路并产生负电压，通过所述反压电路对所述第二电容充电以及通过所述输入直流电压对所述第一电容充电，经过桥式逆变电路产生不对称三电平的交流电；

所述第一电容，与所述第二电容串联，用于当输入直流电压达到预设的阈值时，通过所述输入直流电压对所述第一电容进行充电，以便产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于所述阈值时，通过所述输入直流电压对所述第一电容充电，以便产生不对称三电平的交流电；

所述第二电容，与所述第一电容串联，用于当输入直流电压达到预设的阈值时，通过所述输入直流电压对所述第二电容进行充电，产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于所述阈值时，导通所述反压电路并产生负电压对第二电容充电，以便产生不对称三电平的交流电。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个桥臂包括：第一至第四功率开关管；

所述第一功率开关管，用于当输入直流电压达到预设的阈值且所述反压电路断开时，在输出交流的正半周与所述第三功率开关管交替导通，当所述第一功率开关管导通时产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于所述预设的阈值且所述反压电路导通时，在输出交流的正半周与所述第三功率开关管交替导通，当所述第一功率开关管导通时产生不对称三电平的交流电；

所述第三功率开关管，用于当输入直流电压达到预设的阈值且所述反压电路断开时，在输出交流的正半周与所述第一功率开关管交替导通，当所述第三功率开关管导通时产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于所述预设的阈值且所述反压电路导通时，在输出交流的正半周与所述第一功率开关管交替导通，当所述第三功率开关管导通时产生不对称三电平的交流电；

所述第二功率开关管，用于当输入直流电压达到预设的阈值且所述反压电路断开时，在输出交流的负半周与所述第四功率开关管交替导通，当所述第二功率开关管导通时产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于所述预设的阈值且所述反压电路导通时，在输出交流的负半周与所述第四功率开关管交替导通，当所述第二功率开关管导通时产生不对称三电平的交流电；

所述第四功率开关管，用于当输入直流电压达到预设的阈值且所述反压电路断开时，在输出交流的负半周与所述第二功率开关管交替导通，当所述第四功率开关管导通时产生常规三电平的交流电；当输入直流电压低于所述预设的阈值且所述反压电路导通时，在输出交流的负半周与所述第四功率开关管交替导通，当所述第四功率开关管导通时产生不对称三电平的交流电。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：所述第一至第四功率开关管分别并联第一至第四二极管；

所述第一功率开关管的漏极及所述第一二极管的阴极电连接；所述第一功率开关管的源极及所述第一二极管的阳极电连接；

所述第二功率开关管的漏极及所述第二二极管的阴极电连接；所述第二功率开关管的源极及所述第二二极管的阳极电连接；

所述第三功率开关管的漏极及所述第三二极管的阴极电连接；所述第三功率开关管的源极及所述第三二极管的阳极电连接；

所述第四功率开关管的漏极及所述第四二极管的阴极电连接；所述第四功率开关管的源极及所述第四二极管的阳极电连接。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一至第四功率开关管为绝缘栅双极型晶体管，或者为金属氧化物场效应晶体管，或者为集成门极换流晶闸管。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：负端开关管和负端二极管，

所述负端开关管一端与输入直流电压的负端连接，另一端连接于所述第一电容和所述第二电容之间；所述负端开关管，用于当输入直流电压达到所述阈值时，断开所述反压电路；当输入直流电压低于所述阈值时，导通所述反压电路；其中，所述负端开关管，为绝缘栅双极型晶体管，或者为金属氧化物场效应晶体管，或者为集成门极换流晶闸管，或者为其他可控开断装置；

所述负端二极管，可再并联一个可控断开器件，或用一个可控断开器件替代，用于进一步降低此处二极管的导通损耗。

6.一种基于权利要求1至5中任一项所述的逆变装置的逆变方法，其特征在于，所述方法包括：

当输入直流电压达到预设的阈值时，断开反压电路，所述输入直流电压对第一电容和第二电容充电，经过桥式逆变电路产生常规三电平的交流电；

当所述输入直流电压低于所述阈值时，导通所述反压电路产生负电压并对第二电容充电，所述输入直流电压对所述第一电容充电，经过桥式逆变电路产生不对称三电平的交流电。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述当输入直流电压达到预设的阈值时，断开反压电路，所述输入直流电压对第一电容和第二电容充电，经过桥式逆变电路产生常规三电平的交流电，具体包括：

当输入直流电压达到预设的阈值断开所述反压电路，所述输入直流电压对第一电容和第二电容充电，所述桥式逆变电路的第一功率开关管在输出交流的正半周与第三功率开关管交替导通，产生常规三电平的交流电；所述桥式逆变电路的第二功率开关管在输出交流的负半周与所述第四功率开关管交替导通，产生常规三电平的交流电。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述当所述输入直流电压低于所述阈值时，导通所述反压电路产生负电压并对第二电容充电，所述输入直流电压对所述第一电容充电，经过桥式逆变电路产生不对称三电平的交流电，具体包括：

当所述输入直流电压低于所述预设的阈值时导通所述反压电路，所述反压电路对所述第二电容充电以及所述输入直流电压对所述第一电容充电，所述桥式逆变电路的第一功率开关管在输出交流的正半周与所述第三功率开关管交替导通产生不对称三电平的交流电；所述桥式逆变电路的第二功率开关管在输出交流的负半周与所述第四功率开关管交替导通产生不对称三电平的交流电。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述输入直流电压达到预设的阈值时，与所述输入直流电压的负端连接的负端开关管截止，断开所述反压电路；当输入直流电压低于预设的阈值时，所述负端开关管导通，导通所述反压电路。

10.一种逆变并网发电系统，其特征在于，所述系统包括：权利要求1～5任一项所述的逆变装置。

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