CN103532420A - 双三电平在线拓扑可切换型逆变器 - Google Patents

Abstract

双三电平在线拓扑可切换型逆变器，属于电能变换领域。本发明是为了解决现有逆变器结构复杂、开关损耗大，导致逆变器工作效率低的问题。本发明所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器，将两个带有辅助开关的三电平逆变器串联，并将两个三电平逆变器通过双向开关相连接，在直流电源输入电压变化时，通过双向开关使逆变器在五电平级联型逆变器模式与三电平逆变器模式之间切换，减少了功率开关器件数量，使系统结构简单，系统的开关损耗降低了20%，进而使逆变器的工作效率提高了15%，同时输出电压的谐波畸变率降低了5%。本发明所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器用于将直流电压转变为交流电压，以提高逆变器的工作效率并拓宽其工作范围。

Description

双三电平在线拓扑可切换型逆变器

技术领域

本发明属于电能变换领域。

背景技术

当今世界的能源紧缺、环境日益恶化等问题已经受到广泛关注。具有清洁、零污染特性的光伏发电技术为解决能源问题提供了新的发展方向。由于光伏发电电源受到太阳光的影响，其输出电压呈现波动性较大的特点，难以直接应用于并网发电或者恒压交流电源等领域。为解决上述问题，基于DC-DC-AC的两级式变换结构、单级式的Z源逆变器结构以及多电平功率变换结构均在光伏发电系统中有所应用。DC-DC-AC的两级结构主要由光伏电池，DC-DC变换器和DC-AC逆变器组成。其中DC-DC变换器负责直流母线电压恒定控制，以使得直流母线电压保持恒定，减小对交流侧输出电压的影响，另外使系统能够始终满足交流逆变所需的电压约束条件。这种两级结构，一方面可以得到稳定的直流电压、拓宽发电范围，另一方面易于实现最大发电功率点跟踪控制。但是这种结构的发电范围受限于直流逆变器的升压比，而且难以大功率化。另外两级式结构的损耗较大，导致系统整体效率降低。

单级结构的Z源逆变器能够同时实现直流电压的升压控制和DC-AC逆变控制。Z源逆变器系统里，主要通过由两个电容和两个电感构成的Z源网络，再经过逆变器，将能量输入电网。这种Z源结构允许逆变器工作在直通或断路状态，从而实现升降压，增加了逆变电路工作的安全性，而且单级结构减少了一个开关器件，简化了控制、驱动电路。但是，Z源逆变器直流侧电压受Z源变换器电感和负载的影响较大，当负载较小或电感值较低时，直流母线电压会产生跌落，对交流输出电压造成影响。

近年来，多电平逆变技术在光伏发电领域的应用逐渐受到关注。多电平逆变技术由于其等效开关频率高，因此采用较小的滤波器就能够获得较高的电能质量，并可以降低滤波器的高频损耗。利用级联型多电平逆变器能够将发电源的输出电压进行叠加的特性，可以提高逆变器输出电压等级，易于实现在较小发电功率时的运行，由此拓宽光伏发电源的发电功率下限。但是在发电功率较大时，直流电压升高，滤波器损耗随之增加，同样降低了系统效率。多电平逆变技术用于光伏发电系统的共性不利因素是，由于功率器件多，开关损耗大，与两电平逆变器相比，其效率降低明显。

发明内容

本发明是为了解决现有逆变器结构复杂、开关损耗大，导致逆变器工作效率低的问题，现提供双三电平在线拓扑可切换型逆变器。

双三电平在线拓扑可切换型逆变器，它包括：第一三电平逆变器、第二三电平逆变器和双向开关；

所述第一三电平逆变器包括：第一直流电源、第一直流电容、第二直流电容、第一辅助开关、第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关；

第一直流电源的正极同时连接第一直流电容的一端、第一功率开关的功率输入端和第三功率开关的功率输入端，第一直流电源的负极同时连接第二直流电容的一端、第二功率开关的功率输出端和第四功率开关的功率输出端，第一直流电容的另一端同时连接第二直流电容的另一端和第一辅助开关的功率输入端，第一辅助开关的功率输出端和第一功率开关的功率输出端同时连接第二功率开关的功率输入端，第三功率开关的功率输出端连接第四功率开关的功率输入端，第二直流电容的一端、第二功率开关的功率输出端和第四功率开关的功率输出端同时作为第一三电平逆变器的第一输出端，第一功率开关的功率输出端和第一辅助开关的功率输出端同时作为双三电平在线拓扑可切换型逆变器的第一输出端，第三功率开关的功率输出端作为第一三电平逆变器的第二输出端；

所述第二三电平逆变器包括：第二直流电源、第三直流电容、第四直流电容、第二辅助开关、第五功率开关、第六功率开关、第七功率开关和第八功率开关；

第二直流电源的正极同时连接第三直流电容的一端、第五功率开关的功率输入端和第七功率开关的功率输入端，第二直流电源的负极同时连接第四直流电容的一端、第六功率开关的功率输出端和第八功率开关的功率输出端，第三直流电容的另一端同时连接第四直流电容的另一端和第二辅助开关的功率输入端，第二辅助开关的功率输出端和第五功率开关的功率输出端同时连接第六功率开关的功率输入端，第七功率开关的功率输出端连接第八功率开关的功率输入端，第二直流电源的负极作为第二三电平逆变器的第一输入端，第六功率开关的功率输入端作为第二三电平逆变器的第二输入端，第七功率开关的功率输出端作为双三电平在线拓扑可切换型逆变器的第二输出端；

第一三电平逆变器的第一输出端连接双向开关的功率输入端，双向开关的功率输出端连接第二三电平逆变器的第一输入端，第一三电平逆变器的第二输出端连接第二三电平逆变器的第二输入端。

本发明所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器，将两个带有辅助开关的三电平逆变器串联，并将两个三电平逆变器通过双向开关相连接，在直流电源输入电压的大小变化时，通过双向开关使逆变器在五电平级联型逆变器模式与三电平逆变器模式之间切换，减少了功率开关器件数量，使系统结构简单，系统的开关损耗降低了20%，进而使逆变器的工作效率提高了15%，同时输出电压的谐波畸变率降低了5%。

本发明所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器用于将直流电压转变为交流电压，以提高逆变器的工作效率并拓宽其工作范围。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器的结构示意图；

图2的虚线框内为具体实施方式二所述双向开关的结构示意图；

图3为等效的五电平级联型逆变器的结构示意图；

图4为等效的三电平逆变器的结构示意图；

图5为五电平级联型逆变器的输出电压波形图；

图6为三电平逆变器的输出电压波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器，它包括：第一三电平逆变器、第二三电平逆变器和双向开关3；

所述第一三电平逆变器包括：第一直流电源11、第一直流电容12、第二直流电容13、第一辅助开关14、第一功率开关15、第二功率开关16、第三功率开关17和第四功率开关18；

第一直流电源11的正极同时连接第一直流电容12的一端、第一功率开关15的功率输入端和第三功率开关17的功率输入端，第一直流电源11的负极同时连接第二直流电容13的一端、第二功率开关16的功率输出端和第四功率开关18的功率输出端，第一直流电容12的另一端同时连接第二直流电容13的另一端和第一辅助开关14的功率输入端，第一辅助开关14的功率输出端和第一功率开关15的功率输出端同时连接第二功率开关16的功率输入端，第三功率开关17的功率输出端连接第四功率开关18的功率输入端，第二直流电容13的一端、第二功率开关16的功率输出端和第四功率开关18的功率输出端同时作为第一三电平逆变器的第一输出端，第一功率开关15的功率输出端和第一辅助开关14的功率输出端同时作为双三电平在线拓扑可切换型逆变器的第一输出端，第三功率开关17的功率输出端作为第一三电平逆变器的第二输出端；

所述第二三电平逆变器包括：第二直流电源21、第三直流电容22、第四直流电容23、第二辅助开关24、第五功率开关25、第六功率开关26、第七功率开关27和第八功率开关28；

第二直流电源21的正极同时连接第三直流电容22的一端、第五功率开关25的功率输入端和第七功率开关27的功率输入端，第二直流电源21的负极同时连接第四直流电容23的一端、第六功率开关26的功率输出端和第八功率开关28的功率输出端，第三直流电容22的另一端同时连接第四直流电容23的另一端和第二辅助开关24的功率输入端，第二辅助开关24的功率输出端和第五功率开关25的功率输出端同时连接第六功率开关26的功率输入端，第七功率开关27的功率输出端连接第八功率开关28的功率输入端，第二直流电源21的负极作为第二三电平逆变器的第一输入端，第六功率开关26的功率输入端作为第二三电平逆变器的第二输入端，第七功率开关27的功率输出端作为双三电平在线拓扑可切换型逆变器的第二输出端；

第一三电平逆变器的第一输出端连接双向开关3的功率输入端，双向开关3的功率输出端连接第二三电平逆变器的第一输入端，第一三电平逆变器的第二输出端连接第二三电平逆变器的第二输入端。

具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器作进一步说明，本实施方式中，所述双向开关3包括：第一二极管31、第二二极管32、第三二极管33、第四二极管34和功率开关35；

第一二极管31的输出端和第三二极管33的输出端同时连接功率开关35的功率输入端，功率开关35的功率输出端同时连接第二二极管32的输入端和第四二极管34的输入端，第二二极管32的输出端连接第一二极管31的输入端，第四二极管34的输出端连接第三二极管33的输入端；

第二二极管32的输出端作为双向开关3的功率输出端，第三二极管33的输入端作为双向开关3的功率输入端。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器作进一步说明，本实施方式中，第一直流电源11和第二直流电源21具有相同的输出电压等级和功率等级。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器作进一步说明，本实施方式中，第一直流电容12、第二直流电容13、第三直流电容22和第四直流电容23具有相同的电容值。

双三电平在线拓扑可切换型逆变器的工作原理：

当直流电源的输出电压较低时，双向开关断开，本发明所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器为两个三电平逆变器级联，由于直流侧两个电容的电容值相同，因此两个电容连接点处的电压为直流电源电压的一半，每个逆变器能够输出三电平，再去掉一个重复的零电平，两个三电平逆变器级联以后能够输出五电平，称为此时的逆变器为五电平级联型逆变器，由于两个三电平逆变器输出端串联，从而将直流电源的输出电压进行叠加，提高逆变器的输出电压等级，拓展了逆变器的工作下限。逆变器采用现有技术中的载波移相多电平正弦波脉宽调制策略，降低输出电压谐波，其等效的五电平级联型逆变器的电路结构如图3所示。

当直流电源的输出电压较高时，双向开关闭合，两个直流电源的负极连通，第三功率开关17和第五功率开关25闭合，第四功率开关18、第六功率开关26和第二辅助开关24断开，从而两个直流电源的正极连通，第一功率开关15、第二功率开关16和第一辅助开关14构成新的三电平逆变器拓扑的左桥臂，第七功率开关27和第八功率开关28构成新的三电平逆变器拓扑的右桥臂，同样采用现有技术中的载波移相多电平正弦波脉宽调制策略，由于功率开关的总数变为原来的四分之一，因此有效降低了开关损耗，另外，两个直流电源变为并联关系，逆变器的输出电压变为原来的一半，在用于交流逆变电源等系统中时，能够降低输出电压和电流谐波，其等效的三电平逆变器的结构如图4所示。

通过适当的拓扑切换，在保证所述的逆变器的输出电压等级和输出电压谐波约束的前提下，采用单级式结构实现了较宽直流电源电压输入范围的DC-AC的功率变换，同时有效降低了总开关损耗，提高了系统效率。

采用MATLAB对本发明进行了初步仿真分析，仿真条件为，直流电压为200V时，逆变器工作在五电平级联型逆变器模式；直流电压为400V时，逆变器切换到三电平逆变器模式。在五电平级联型逆变器模式下，输出电压为五电平波形，输出电压最大值为400V，如图5所示，从而保证了较高的输出电压值。在直流电源电压变为400V时，切换为三电平逆变器模式，输出电压波形为三电平波形，输出电压最大值为400V，如图6所示，本发明在获得较好的输出电压波形的同时，降低了输出电压等级。

Claims (4)

1.双三电平在线拓扑可切换型逆变器，其特征在于，它包括：第一三电平逆变器、第二三电平逆变器和双向开关（3）；

所述第一三电平逆变器包括：第一直流电源（11）、第一直流电容（12）、第二直流电容（13）、第一辅助开关（14）、第一功率开关（15）、第二功率开关（16）、第三功率开关（17）和第四功率开关（18）；

第一直流电源（11）的正极同时连接第一直流电容（12）的一端、第一功率开关（15）的功率输入端和第三功率开关（17）的功率输入端，第一直流电源（11）的负极同时连接第二直流电容（13）的一端、第二功率开关（16）的功率输出端和第四功率开关（18）的功率输出端，第一直流电容（12）的另一端同时连接第二直流电容（13）的另一端和第一辅助开关（14）的功率输入端，第一辅助开关（14）的功率输出端和第一功率开关（15）的功率输出端同时连接第二功率开关（16）的功率输入端，第三功率开关（17）的功率输出端连接第四功率开关（18）的功率输入端，第二直流电容（13）的一端、第二功率开关（16）的功率输出端和第四功率开关（18）的功率输出端同时作为第一三电平逆变器的第一输出端，第一功率开关（15）的功率输出端和第一辅助开关（14）的功率输出端同时作为双三电平在线拓扑可切换型逆变器的第一输出端，第三功率开关（17）的功率输出端作为第一三电平逆变器的第二输出端；

所述第二三电平逆变器包括：第二直流电源（21）、第三直流电容（22）、第四直流电容（23）、第二辅助开关（24）、第五功率开关（25）、第六功率开关（26）、第七功率开关（27）和第八功率开关（28）；

第二直流电源（21）的正极同时连接第三直流电容（22）的一端、第五功率开关（25）的功率输入端和第七功率开关（27）的功率输入端，第二直流电源（21）的负极同时连接第四直流电容（23）的一端、第六功率开关（26）的功率输出端和第八功率开关（28）的功率输出端，第三直流电容（22）的另一端同时连接第四直流电容（23）的另一端和第二辅助开关（24）的功率输入端，第二辅助开关（24）的功率输出端和第五功率开关（25）的功率输出端同时连接第六功率开关（26）的功率输入端，第七功率开关（27）的功率输出端连接第八功率开关（28）的功率输入端，第二直流电源（21）的负极作为第二三电平逆变器的第一输入端，第六功率开关（26）的功率输入端作为第二三电平逆变器的第二输入端，第七功率开关（27）的功率输出端作为双三电平在线拓扑可切换型逆变器的第二输出端；

第一三电平逆变器的第一输出端连接双向开关（3）的功率输入端，双向开关（3）的功率输出端连接第二三电平逆变器的第一输入端，第一三电平逆变器的第二输出端连接第二三电平逆变器的第二输入端。

2.根据权利要求1所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器，其特征在于，所述双向开关（3）包括：第一二极管（31）、第二二极管（32）、第三二极管（33）、第四二极管（34）和功率开关（35）；

第一二极管（31）的输出端和第三二极管（33）的输出端同时连接功率开关（35）的功率输入端，功率开关（35）的功率输出端同时连接第二二极管（32）的输入端和第四二极管（34）的输入端，第二二极管（32）的输出端连接第一二极管（31）的输入端，第四二极管（34）的输出端连接第三二极管（33）的输入端；

第二二极管（32）的输出端作为双向开关（3）的功率输出端，第三二极管（33）的输入端作为双向开关（3）的功率输入端。

3.根据权利要求1或2所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器，其特征在于，第一直流电源（11）和第二直流电源（21）具有相同的输出电压等级和功率等级。

4.根据权利要求1或2所述的双三电平在线拓扑可切换型逆变器，其特征在于，第一直流电容（12）、第二直流电容（13）、第三直流电容（22）和第四直流电容（23）具有相同的电容值。

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