CN103326606B - 一种单相五电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相五电平逆变器，包括共地型三电平转换电路、滤波电路和工频逆变电路；本发明逆变器具体实现包括六个功率开关S1～S6，两个二极管D1～D2以及单相输出滤波器F。本发明逆变器的输出为五电平，具有逆变效率高、可靠性强、控制方式简单的特点；同时本发明可以通过电压钳位的方式，有效消除非隔离型并网逆变系统中存在的高频共模电流危害；故本发明的逆变器非常适合应用于非隔离型光伏并网系统中。

Description

一种单相五电平逆变器

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种单相五电平逆变器。

背景技术

随着全球能源危机和环境问题的加剧，大力发展可再生清洁能源成为了世界各国的能源发展的重点。光伏发电因其资源丰富、分布广泛，已经显示出良好的发展前景。但是，光伏发电存在着发电成本较高、能量密度低等问题，因此如何降低成本，提高能量转换效率已经成为了光伏发电系统的挑战性工程课题。

在光伏并网系统中，光伏并网逆变器负责将光伏电池阵列产生的直流电能转换成交流电能，然后输送至电网和负载。常见的光伏并网逆变器可以分为隔离型并网逆变器和非隔离型并网逆变器两种。隔离型并网逆变器通常含有工频变压器或者高频变压器，可以实现电气隔离，确保人身安全。但是变压器的使用也带来了整机逆变效率下降、功率密度低以及系统成本上升等问题。因此，在低功率光伏并网系统中，为了实现系统成本控制与电能转换效率提升，通常采用不带隔离变压器的非隔离型并网逆变方案。在非隔离型光伏并网系统中，由于失去了变压器的电气隔离，光伏电池阵列与大地之间的寄生电容、光伏并网逆变器以及大地之间就会形成共模回路，该共模回路如图1所示。据实验观测结果，每一千瓦的晶硅光伏阵列的寄生电容约为50～150nF，所以当共模回路中存在高频共模电压时，该高频共模电压就会在共模回路中产生不可忽视的高频共模电流，该高频共模电流会导致传导和辐射干扰以及系统损耗的增加，甚至危及设备和检修人员的安全。因此，在非隔离型并网逆变器中，必须解决高频共模电流问题。同时，为了尽可能提高光伏电池阵列产生的电能的利用率，提升逆变器效率以及拓宽输入电压工作范围也是非隔离型并网逆变器所重点关注的问题。

在已公开的现有技术中，半桥逆变电路和中点钳位电路通过将电网的一端直接钳位至直流母线电压的中点，从而保证了光伏电池的寄生电容两端电压恒定不变，实现了共模电流的抑制。但是上述两种方案中所需要的直流母线电压是普通全桥所需母线电压的两倍，因此，在直流输入电压较低的应用场合下，这两种方案必须通过前级升压来实现母线电压的提升。但是前级升压电路的使用不仅增加了系统的成本，同时也降低了逆变器的转换效率。

公开号为EP1626494A2的欧洲专利公开了一种高效的无共模电流型拓扑H5结构，该方案所需输入电压为半桥型逆变电路的一半，因此在很多场合下，无需额外的升压电路对母线进行升压。同时由于该方案在普通全桥拓扑的基础上，增加了一个额外的开关器件，保证了处于续流阶段的直流侧与交流侧的电路解耦，保证了共模电压始终保持在输入直流电压的一半。从而确保了共模回路中的光伏寄生电容两端的电压仅包含工频分量，从而抑制了高频共模电流。但是在实际工况下，由于直流侧与交流侧电路解耦时，交流侧的电压相对于直流侧处于悬浮状态，电路中寄生参数的存在必然导致电路的共模电压中存在高频电压扰动，从而引起较大的高频共模电流。因此，该方案无法真正实现高频共模电流的消除。

公开号为EP2226926A1的欧洲专利公开了一种五电平逆变方案如图2所示，由于五电平逆变相对于三电平逆变而言，所需要的输出电感小，输出电流的纹波低，磁性元件上的损耗明显下降，有利于并网逆变器并网效率的优化和提高功率密度。同时，该方案所需要的母线电压仅为传统五电平方案的一半，拓宽了逆变器的工作电压范围。但是该电路的电网的零线与直流输入负极之间的电压始终存在高频电压扰动，该高频电压在光伏电池的寄生电容上会产生很大的高频共模电流，理论分析与实验证明该五电平逆变方案不适合应用于非隔离型光伏并网系统中。

上述相关现有技术提出的方案或存在所需母线电压高，或存在高频共模电流抑制效果差，或存在转换效率较低等问题。考虑到上述方案中的缺陷，一种具有有效共模电流抑制能力和低输入母线电压需求以及高可靠性、高转换效率的五电平并网逆变器会具有更好的应用前景。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种单相五电平逆变器，能够消除非隔离型光伏并网逆变器中存在的高频共模电流危害，降低逆变器并网所需的直流母线输入电压，提高转换效率及可靠性。

一种单相五电平逆变器，包括：

共地型三电平转换电路，用于将输入的直流电压转换为共地的三电平直流电压；

滤波电路，用于对所述的三电平直流电压进行低通滤波，从而输出正弦型馒头波电压；

工频逆变电路，用于将所述的正弦型馒头波电压转换成正弦波电压后输出。

所述的共地型三电平转换电路包括输入电容C1、两个开关管S1～S2、飞跨电容C2和两个二极管D1～D2；其中，输入电容C1的正极与开关管S1的一端相连，开关管S1的另一端与飞跨电容C2的正极和开关管S2的一端相连，开关管S2的另一端与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极与飞跨电容C2的负极和二极管D2的阴极相连，二极管D2的阳极与输入电容C1的负极相连，两个开关管S1～S2的控制极均接收外部设备提供的开关控制信号；输入电容C1的两端构成共地型三电平转换电路的电压输入侧，二极管D1的阴极和二极管D2的阳极构成共地型三电平转换电路的电压输出侧。

所述的滤波电路可采用L型滤波器、LC型滤波器或LCL型滤波器；优选LC型滤波器，所述的LC型滤波器由滤波电感Lf和滤波电容Cf组成，其中，滤波电感Lf的一端和滤波电容Cf的一端构成LC型滤波器的电压输入侧，滤波电感Lf的另一端和滤波电容Cf的另一端相连，滤波电容Cf的两端构成LC型滤波器的电压输出侧。

所述的工频逆变电路采用单相全桥逆变电路，所述的单相全桥逆变电路包括四个功率开关管S3～S6；其中，功率开关管S3的一端与功率开关管S5的一端相连，功率开关管S4的一端与功率开关管S6的一端相连，功率开关管S3的另一端与功率开关管S4的另一端相连，功率开关管S5的另一端与功率开关管S6的另一端相连，功率开关管S3的一端和功率开关管S4的一端构成单相全桥逆变电路的电压输入侧，功率开关管S3另一端和功率开关管S6另一端构成单相全桥逆变电路的电压输出侧；所述的功率开关管接收外部设备提供的PWM信号。

本发明逆变器可以分为三部分：三电平转换电路、滤波电路以及工频逆变电路。三电平转换电路主要实现三电平电压的输出，同时由于输入电压与三电平输出电压共地，通过配合后级的工频逆变，可以将输入电压的负极始终钳位至交流输出电压，即在电网电压正半周期，负极始终与零线相连；在电网电压负半周期，负极始终与火线相连。通过上述电压钳位的方式，可以保证逆变器直流侧的输入负极与交流零线的电压不包含高频分量，由于电路的共模电流为该电压在光伏电池寄生电容上产生的电流，因此本发明可以抑制电路中的高频共模电流；在三电平转换电路的工作模态中，开关管S1开通、开关管S2关闭或者开关管S1关闭、开关管S2开通时，电路的输出电压均为输入电压的一半，但是对于飞跨电容而言，这两种模态分别对飞跨电容进行充放电，因此可以通过改变这两种模式的占空比实现飞跨电容两端的电压的控制，从而保证飞跨电容两端的电压始终为输入电压的一半；本发明中的滤波电路可以为L型滤波器、LC型滤波器或LCL型滤波器。

故本发明逆变器，具有以下有益技术效果：

（1）针对非隔离型光伏并网逆变器存在高频共模电流危害的问题，本发明的光伏并网逆变器通过钳位共模电压的方式消除高频共模电压变化，有效抑制高频共模电流。从而确保降低EMI干扰，保证操作人员人身安全。

（2）逆变器的损耗包含磁性元件的损耗和开关器件的损耗。根据本发明的工作模态，本发明可以等效为五电平逆变器，输出电流纹波小，磁性元件的磁损低；同时除了在电网电压过零点外，每个开关周期内仅有一个开关管动作，可以有效减小开关损耗。因此本逆变器的总损耗低，输出效率高。经实验验证，可以获得高达98%的逆变效率。

（3）本发明的滤波器输入侧为三电平降压电路，滤波器输出侧为工频逆变桥。与传统的五电平电路相比，该工作机制可以有效降低逆变器工作所需要的直流电压至传统五电平电路的直流电压的一半。因此本发明的逆变器具有更宽的工作电压范围，当应用于光伏并网逆变系统时，可以有效增加并网发电时间。

（4）本发明的逆变器的后级全桥电路为工频逆变，与传统的高频逆变电路相比，桥臂换流次数大大减少，因此可以有效降低桥臂直通的风险，具有较高的系统可靠性。

附图说明

图1为非隔离型光伏系统中的共模回路示意图。

图2为现有五电平逆变拓扑结构示意图。

图3为本发明五电平逆变器的结构示意图。

图4为本发明五电平逆变器调制驱动信号的波形示意图。

图5(a)～(h)分别为本发明五电平逆变器八种工作模式的原理示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。

如图3所示，一种单相五电平逆变器，包括：共地型三电平转换电路、滤波电路和工频逆变电路；输入源为光伏电池；其中：

共地型三电平转换电路用于将光伏电池产生的直流电压转换为三电平直流电压；本实施方式中，其包括输入电容C1、两个MOS管S1～S2、飞跨电容C2和两个二极管D1～D2；其中，输入电容C1的正极与MOS管S1的漏极和光伏电池的正极相连，MOS管S1的源极与飞跨电容C2的正极和MOS管S2的漏极相连，MOS管S2的源极与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极与飞跨电容C2的负极和二极管D2的阴极相连，二极管D2的阳极与输入电容C1的负极和光伏电池的负极相连，两个MOS管S1～S2的栅极均接收外部设备提供的开关控制信号；输入电容C1的两端构成共地型三电平转换电路的电压输入侧，二极管D1的阴极和二极管D2的阳极构成共地型三电平转换电路的电压输出侧。

输入电容C1和飞跨电容C2采用电解电容。

滤波电路用于对三电平直流电压进行低通滤波，生成正弦型馒头波电压；本实施方式中，其采用LC型滤波器，LC型滤波器由滤波电感Lf和滤波电容Cf组成，其中，滤波电感Lf的一端与共地型三电平转换电路中二极管D1的阴极相连，滤波电感Lf的另一端和滤波电容Cf的一端相连，滤波电容Cf的另一端与光伏电池的负极相连，滤波电容Cf两端为LC型滤波器的电压输出侧且输出正弦型馒头波电压。

工频逆变电路用于将正弦型馒头波电压转换成正弦波电压后输出；本实施方式中，其采用单相全桥逆变电路，单相全桥逆变电路包括四个IGBT管S3～S6；其中，IGBT管S3的集电极与IGBT管S5的集电极和滤波电路中滤波电感Lf的另一端相连，IGBT管S4的发射极与IGBT管S6的发射极和光伏电池的负极相连，IGBT管S3的发射极与IGBT管S4的集电极相连，IGBT管S5的发射极与IGBT管S6的集电极相连；IGBT管S3的发射极和IGBT管S6的集电极构成单相全桥逆变电路的电压输出侧且输出正弦波电压；四个IGBT管S3～S6的门极均接收外部设备提供的PWM信号。

本实施方式逆变器的控制方式如图4所示。v_c1和v_c2是三角载波，相位差180°，v_g为控制信号，与电网电压保持同相位，v_g’为v_g取绝对值后得到的控制信号。u_g1～u_g6分别为开关管S1～S6的驱动信号。

在电网电压的正半周期，开关管S3和开关管S6保持开通，开关管S4和开关管S5保持关断，开关管S1的控制信号由控制信号v_g’与三角载波信号v_c1比较产生，开关管S2的控制信号由控制信号v_g’与三角载波信号v_c2比较产生。

在电网电压的负半周期，开关管S3和开关管S6保持关断，开关管S4和开关管S5保持开通，开关管S1的控制信号由控制信号v_g’与三角载波信号v_c1比较产生，开关管S2的控制信号由控制信号v_g’与三角载波信号v_c2比较产生。

根据上述驱动方式，本实施方式逆变器在工作过程中包含八种开关模态，具体模态如图5(a)～(h)所示。

在电网电压的正半周期，存在四种工作模态。

模态1：如附图5(a)所示，开关管S₁、S₂、S₃、S₆开通，开关管S₄、S₅关闭。电流流过输入电容C₁、开关管S₁、开关管S₂、滤波器F、第三功率开关S₃、电网、开关管S₆；此时，A、B两点之间的电压为输入母线电压。

模态2：如附图5(b)所示，开关管S₂、S₃、S₆开通，开关管S₁、S₄、S₅关闭，电流流过飞跨电容C₂、开关管S₂、滤波器F、开关管S₃、电网、开关管S₆、二极管D₂；此时，A、B两点之间的电压为输入母线电压的一半。

模态3：如附图5(c)所示，开关管S₁、S₃、S₆开通，开关管S₂、S₄、S₅关闭，电流流过输入电容C₁、开关管S₁、飞跨电容C₂、二极管D₁、滤波器F、开关管S₃、电网、开关管S₆；此时，A、B两点之间的电压为输入母线电压的一半。

模态4：如附图5(d)所示，开关管S₃、S₆开通，S₁、S₂、S₄、S₅关闭，电流流过二极管D₁、二极管D₂、滤波器F、开关管S₃、电网、开关管S₆；此时，A、B两点之间的电压为零。

在电网电压的负半周期，存在四种工作模态。

模态5：如附图5(e)所示，开关管S₁、S₂、S₄、S₅开通，开关管S₃、S₆关闭。电流流过输入电容C₁、开关管S₁、开关管S₂、滤波器F、开关管S₅、电网、开关管S₄；此时，A、B两点之间的电压为输入母线电压。

模态6：如附图5(f)所示，开关管S₂、S₄、S₅开通，开关管S₁、S₃、S₆关闭，电流流过飞跨电容C₂、开关管S₂、滤波器F、开关管S₅、电网、开关管S₄、二极管D₂；此时，A、B两点之间的电压为输入母线电压的一半。

模态7：如附图5(g)所示，开关管S₁、S₄、S₅开通，开关管S₂、S₃、S₆关闭，电流流过输入电容C₁、开关管S₁、飞跨电容C₂、二极管D₁、滤波器F、开关管S₅、电网、开关管S₄；此时，A、B两点之间的电压为输入母线电压的一半。

模态8：如附图5(h)所示，开关管S₄、S₅开通，S₁、S₂、S₃、S₆关闭，电流流过二极管D₁、二极管D₂、滤波器F、开关管S₅、电网、开关管S₄；此时，A、B两点之间的电压为零。

在一个工频周期内，A、B两点的输出波形如图4中u_AB所示，该电压经过滤波器以及工频逆变后得到并网输出电流i_o。本实施方式逆变器在电网电压的正半周期，直流输入的负极始终与电网的零线相连，而在电网电压的负半周期，负极始终与电网的火线相连。因此，直流输入的负极对交流零线的电压u_BN如图4所示，不包含任何高频分量。从而确保了共模回路中不包含高频电流成分。

上述八种模态中，就输出效果而言，模态2与模态3相同，模态6与模态7相同。但是对于飞跨电容两端的电压而言，上述模态的作用分别是对飞跨电容进行充电和放电。因此，可以通过调节三角载波v_c1和v_c2的相移角，从而改变模态2与模态3、模态6与模态7的占空比，保持飞跨电容C₂两端的电压始终为直流输入电压的一半。

将本实施方式逆变器在一个输入为400V、1kW的功率平台进行了实验验证。实验数据显示，本实施方式逆变器的最高效率达到98.1%，效率超过普通的三电平拓扑。同时，本实施方式逆变器的共模电流为5mA，而现有五电平拓扑的实际共模电流超过1A。上述实验表明，本实施方式逆变器所需要的输入母线电压低，具有可靠的共模电流抑制能力以及高效的转换效率，非常适用于非隔离型单相光伏并网逆变系统中。

Claims (1)

1.一种单相五电平逆变器，其特征在于，包括：

共地型三电平转换电路，用于将输入的直流电压转换为共地的三电平直流电压；

滤波电路，用于对所述的三电平直流电压进行低通滤波，从而输出正弦型馒头波电压；

工频逆变电路，用于将所述的正弦型馒头波电压转换成正弦波电压后输出；

所述的共地型三电平转换电路包括输入电容C1、两个开关管S1～S2、飞跨电容C2和两个二极管D1～D2；其中，输入电容C1的正极与开关管S1的一端相连，开关管S1的另一端与飞跨电容C2的正极和开关管S2的一端相连，开关管S2的另一端与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极与飞跨电容C2的负极和二极管D2的阴极相连，二极管D2的阳极与输入电容C1的负极相连，两个开关管S1～S2的控制极均接收外部设备提供的开关控制信号；输入电容C1的两端构成共地型三电平转换电路的电压输入侧，二极管D1的阴极和二极管D2的阳极构成共地型三电平转换电路的电压输出侧；

所述的滤波电路采用LC型滤波器，所述的LC型滤波器由滤波电感Lf和滤波电容Cf组成，其中，滤波电感Lf的一端和滤波电容Cf的一端构成LC型滤波器的电压输入侧，滤波电感Lf的另一端和滤波电容Cf的另一端相连，滤波电容Cf的两端构成LC型滤波器的电压输出侧；

所述的工频逆变电路采用单相全桥逆变电路，所述的单相全桥逆变电路包括四个功率开关管S3～S6；其中，功率开关管S3的一端与功率开关管S5的一端相连，功率开关管S4的一端与功率开关管S6的一端相连，功率开关管S3的另一端与功率开关管S4的另一端相连，功率开关管S5的另一端与功率开关管S6的另一端相连，功率开关管S3的一端和功率开关管S4的一端构成单相全桥逆变电路的电压输入侧，功率开关管S3另一端和功率开关管S6另一端构成单相全桥逆变电路的电压输出侧；所述的功率开关管接收外部设备提供的PWM信号。