CN106921306A - T型有源钳位型五电平三相逆变器及并网逆变发电系统 - Google Patents

T型有源钳位型五电平三相逆变器及并网逆变发电系统 Download PDF

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杨勇
方刚
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Abstract

本发明涉及一种T型有源钳位型五电平三相逆变器，包括三个相同的T型有源钳位型五电平桥臂；T型有源钳位型五电平桥臂包括第一线路、第二线路、第三线路和钳位电容；第一线路包括串联的第一电力电子开关管、第二电力电子开关管、第三电力电子开关管、第四电力电子开关管，第一线路中包含第一连接点、第二连接点、第三连接点；第二线路包括串联的第五电力电子开关管、第六电力电子开关管；第三线路包括串联的第七电力电子开关管、第八电力电子开关管；钳位电容连接于第一连接点与第三连接点之间；第二连接点为输出端。本发明能够提高逆变器输入电压范围，提高逆变器的性能。

Description

T型有源钳位型五电平三相逆变器及并网逆变发电系统
技术领域
本发明涉及一种基于可再生清洁能源的并网逆变发电系统以及该并网逆变发电系统中应用的三相逆变器。
背景技术
近年来，随着全球能源危机和环境问题的日益严重，发展可再生清洁能源(如太阳能发电、风力发电、生物能发电等)成为各国发展的重点。而逆变器作为可再生能源发电与负载的接口，其性能直接影响整个可再生能源发电系统。多电平逆变器与两电平逆变器相比，具有电力电子器件电压应力低、输出波形总谐波畸变率低、电磁干扰小、损耗小等优点。因此，多电平逆变器在可再生能源发电系统(如光伏发电系统、风力发电系统等)得到广泛的应用，如T型三电平三相逆变器结构在光伏发电系统得到广泛的应用。随着光伏发电技术的发展，目前市场出现高压的电池板，使得光伏逆变器的输入电压达到1800V，而常规的T型三电平三相逆变器的输入电压小于需1000V，无法实现1800V的输入电压。为提高光伏逆变器的输入电压(如1800V以上)和进一步提高光伏逆变器的性能(如电流谐波、效率、共模变化等)，需要设计一种新型逆变器结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现高压输入且性能得到进一步提升的T型有源钳位型五电平三相逆变器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种T型有源钳位型五电平三相逆变器，与可再生清洁能源相连接并将所述可再生清洁能源逆变后提供给电网，所述T型有源钳位型五电平三相逆变器包括分别对应三相输出的三个相同的T型有源钳位型五电平桥臂；
所述T型有源钳位型五电平桥臂包括第一线路、第二线路、第三线路和钳位电容；所述第一线路包括串联的第一电力电子开关管、第二电力电子开关管、第三电力电子开关管、第四电力电子开关管，所述第一线路连接于所述可再生清洁能源所连接的直流母线两端，所述第一电力电子开关管与所述第二电力电子开关管的共同端构成第一连接点，所述第二电力电子开关管与所述第三电力电子开关管的共同端构成第二连接点，所述第三电力电子开关管与所述第四电力电子开关管的共同端构成第三连接点；所述第二线路包括串联的第五电力电子开关管、第六电力电子开关管，所述第二线路连接于所述直流母线上的电容中性点与所述第一连接点之间；所述第三线路包括串联的第七电力电子开关管、第八电力电子开关管，所述第三线路连接于所述直流母线上的电容中性点与所述第三连接点之间；所述钳位电容连接于所述第一连接点与所述第三连接点之间；所述第二连接点引出构成所述T型有源钳位型五电平桥臂的输出端。
优选的，所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第五电力电子开关管、所述第六电力电子开关管、所述第七电力电子开关管、所述第八电力电子开关管分别具有源极和漏极；
所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管分别通过各自的源极和漏极接入所述第一线路中；所述第五电力电子开关管、所述第六电力电子开关管分别通过各自的源极和漏极接入所述第二线路中；所述第七电力电子开关管、所述第八电力电子开关管分别通过各自的源极和漏极接入所述第三线路中。
优选的，所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管分别包括串联线路，所述串联线路包括串联并采用相同驱动信号的第一子开关管、第二子开关管，所述第一子开关管、所述第二子开关管分别具有源极和漏极，所述第一子开关管、所述第二子开关管分别通过各自的源极和漏极接入所述串联线路，所述串联线路的两端分别构成其所在的所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管或所述第四电力电子开关管的源极和漏极。
优选的，所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第五电力电子开关管、所述第六电力电子开关管、所述第七电力电子开关管、所述第八电力电子开关管均采用绝缘栅双极型晶体管。
本发明还提供一种新型的基于可再生清洁能源的并网逆变发电系统，它包括可再生清洁能源、与所述可再生清洁能源相连接的直流母线、与所述直流母线相连接的逆变器、与所述逆变器相连接的LC滤波器，所述电网与所述LC滤波器相连接，其中所述逆变器采用上述T型有源钳位型五电平三相逆变器。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的T型有源钳位型五电平三相逆变器能够充分发挥五电平的优势，使得每一个电力电子开关管的承受电压仅为直流母线电压的几分之一，从而大大提高了逆变器的输入电压范围，且其输出相电压为5个电平，相比于传动T型三电平三相逆变器输出相电压为3个电平，大大提高了逆变器的性能。
附图说明
附图1为为本发明的基于可再生清洁能源的并网逆变发电系统的结构示意图。
附图2为本发明的T型有源钳位型五电平三相逆变器中对应于A相的T型有源钳位型五电平桥臂的原理图。
附图3为本发明的T型有源钳位型五电平三相逆变器中T型有源钳位型五电平桥臂在状态1时的信号流向示意图。
附图4为本发明的T型有源钳位型五电平三相逆变器中T型有源钳位型五电平桥臂在状态2时的信号流向示意图。
附图5为本发明的T型有源钳位型五电平三相逆变器中T型有源钳位型五电平桥臂在状态3时的信号流向示意图。
附图6为本发明的T型有源钳位型五电平三相逆变器中T型有源钳位型五电平桥臂在状态4时的信号流向示意图。
附图7为本发明的T型有源钳位型五电平三相逆变器中T型有源钳位型五电平桥臂在状态5时的信号流向示意图。
附图8为本发明的T型有源钳位型五电平三相逆变器中T型有源钳位型五电平桥臂在状态6时的信号流向示意图。
附图9为本发明的T型有源钳位型五电平三相逆变器中T型有源钳位型五电平桥臂在状态7时的信号流向示意图。
附图10为本发明的T型有源钳位型五电平三相逆变器中T型有源钳位型五电平桥臂在状态8时的信号流向示意图。
以上附图中：1、可再生清洁能源；2、逆变器；3、LC滤波器。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：一种新型的基于可再生清洁能源的并网逆变发电系统如附图1所示，它包括可再生清洁能源、与可再生清洁能源相连接的直流母线PN、与直流母线相连接的逆变器、与逆变器相连接的LC滤波器，电网与LC滤波器相连接。本实施例中，可再生清洁能源为光伏阵列，在该并网逆变发电系统中，可再生清洁能源由直流电源Edc和直流输入电阻Rdc等效。直流母线PN上设置有两个串联的母线电容Cdc，两个母线电容Cdc之间的共同端即为直流母线上的电容中性点O。在附图1中，ea、eb、ec分别为电网的三相电压，ia、ib、ic分别为逆变器输出的三相电流。L为滤波电感，C为滤波电容。
上述并网逆变发电系统中的逆变器采用T型有源钳位型五电平三相逆变器。该T型有源钳位型五电平三相逆变器用于连接可再生清洁能源并将可再生清洁能源逆变后提供给电网。具体的，T型有源钳位型五电平三相逆变器包括分别对应三相输出的三个相同的T型有源钳位型五电平桥臂。以下以对应A相输出的T型有源钳位型五电平桥臂为例进行详细说明。
如附图2所示，T型有源钳位型五电平桥臂包括第一线路、第二线路、第三线路和钳位电容Cactive。
第一线路连接于可再生清洁能源所连接的直流母线两端，即P点和N点之间。该第一线路包括第一电力电子开关管S1、第二电力电子开关管S2、第三电力电子开关管S3和第四电力电子开关管S4，这四个电力电子开关管均采用绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)，它们均具有源极和漏极，且源极可漏极可互换。第一电力电子开关管S1、第二电力电子开关管S2、第三电力电子开关管S3、第四电力电子开关管S4分别通过各自的源极和漏极接入第一线路中而实现串联。对应图2中所示的接线方式，第一电力电子开关管S1的漏极与P点相连接，第一电力电子开关管S1的源极与第二电力电子开关管S2的漏极相连接，第二电力电子开关管S2的源极与第三电力电子开关管S3的漏极相连接，第三电力电子开关管S3的源极与第四电力电子开关管S4的漏极相连接，第四电力电子开关管S4的源极与N点相连接。在第一线路中，第一电力电子开关管S1与第二电力电子开关管S2的共同端构成第一连接点，第二电力电子开关管S2与第三电力电子开关管S3的共同端构成第二连接点，第三电力电子开关管S3与第四电力电子开关管S4的共同端构成第三连接点。
第一线路中的第一电力电子开关管S1、第二电力电子开关管S2、第三电力电子开关管S3和第四电力电子开关管S4可以进一步地采用以下结构形式：第一电力电子开关管S1、第二电力电子开关管S2、第三电力电子开关管S3、第四电力电子开关管S4各自分别包括一串联线路，每个电力电子开关管内所包含的串联线路中，包括两个串联的子开关管，分别称之为第一子开关管、第二子开关管，同一串联线路中的这两个子开关管采用相同的驱动信号进行驱动。具体的，第一电力电子开关管S1所包含的第一子开关管、第二子开关管分别为开关管S11和开关管S12；第二电力电子开关管S2所包含的第一子开关管、第二子开关管分别为开关管S21和开关管S22；第三电力电子开关管S3所包含的第一子开关管、第二子开关管分别为开关管S31和开关管S32；第四电力电子开关管S4所包含的第一子开关管、第二子开关管分别为开关管S41和开关管S42。每个串联线路中的各个子开关管也均采用IGBT管，它们分别具有源极和漏极第一子开关管、第二子开关管分别通过各自的源极和漏极接入串联线路，而串联线路的两端分别构成其所在的第一电力电子开关管S1、第二电力电子开关管S2、第三电力电子开关管S3或第四电力电子开关管S4的源极和漏极。对应图2中所示的接线方式，在第一电力电子开关管S1中，第一子开关管S11的漏极构成第一电力电子开关管S1的漏极并与P点相连接，第一子开关管S12的源极与第二子开关管S12的漏极相连接，第二子开关管S12的源极构成第一电力电子开关管S1的源极并与第二电力电子开关管S2的漏极相连接。第二电力电子开关管S2、第三电力电子开关管S3、第四电力电子开关管S4的结构与第一电力电子开关管S1的结构相类似，不再赘述。
第二线路连接于直流母线上的电容中性点O与第一线路中形成的第一连接点之间，它包括串联的第五电力电子开关管S5、第六电力电子开关管S6。第五电力电子开关管S5和第六电力电子开关管S6也采用IGBT管，从而第五电力电子开关管S5、第六电力电子开关管S6分别通过各自的源极和漏极接入第二线路中。对应于附图2中的接线方式，第五电力电子开关管S5的漏极与直流母线电容中性点O相连接，第五电力电子开关管S5的源极与第六电力电子开关管S6的源极相连接，第六电力电子开关管S6的漏极与第一连接点相连接。
第三线路连接于直流母线上的电容中性点O与第一线路中形成的第三连接点之间，它包括串联的第七电力电子开关管S7、第八电力电子开关管S8。第七电力电子开关管S7和第八电力电子开关管S8采用IGBT管，从而第七电力电子开关管S7、第八电力电子开关管S8分别通过各自的源极和漏极接入第三线路中。对应于附图2中的接线方式，第七电力电子开关管S7的漏极与直流母线电容中性点O相连接，第七电力电子开关管S7的源极与第八电力电子开关管S8的源极相连接，第八电力电子开关管S8的漏极与第三连接点相连接。
钳位电容Cactive连接于第一连接点与第三连接点之间。第一线路中的第二连接点引出构成该相T型有源钳位型五电平桥臂的输出端A。
B相、C相输出的T型有源钳位型五电平桥臂与上述A相输出的T型有源钳位型五电平桥臂相同。
下面仍以A相输出的T型有源钳位型五电平桥臂为例说明电路的工作原理，这里以直流母线上的电容中性点O为参考电压点，直流母线的电压为Vdc。上述T型有源钳位型五电平桥臂中各个电力电子开关管在各自的驱动信号的控制下能够实现开通或断开。该T型有源钳位型五电平桥臂具有8个状态，这8个状态下逆变器的输出电压与逆变器的开关信号(表中对于各电力电子开关管以“1”代表其开通，以“0”代表其断开)和直流母线电压Vdc的关系如下表所示：
状态 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 输出电压
1 1 1 0 0 0 0 1 0
2 1 0 1 0 0 0 1 0
3 0 1 0 0 0 1 1 1
4 0 0 1 0 1 0 1 1 0
5 0 1 0 0 1 1 0 1 0
6 0 0 1 0 1 1 0 0
7 0 1 0 1 0 1 0 0
8 0 0 1 1 0 1 0 0
状态1：该状态下，第一电力电子开关管S1、第二电力电子开关管S2和第七电力电子开关管S7开通，其余电力电子开关管断开，此时电流流向如附图3所示，电流由直流母线的P点依次经过第一电力电子开关管S1和第二电力电子开关管S2后输出，输出电压为Vdc/2。
状态2：该状态下，第一电力电子开关管S1、第三电力电子开关管S3和第七电力电子开关管S7开通，其余电力电子开关管断开，此时电流流向如附图4所示，电流由直流母线依次经过第一电力电子开关管S1、钳位电容Cactive和第三电力电子开关管S3后输出，输出电压为Vdc/4。
状态3：该状态下，第二电力电子开关管S2、第六电力电子开关管S6、第七电力电子开关管S7和第八电力电子开关管S8开通，其余电力电子开关管断开，此时电流流向如附图5所示，电流由直流母线上的电容中性点依次经过第七电力电子开关管S7、第八电力电子开关管S8、钳位电容Cactive和第二电力电子开关管S2后输出，输出电压为Vdc/4。
状态4：该状态下，第三电力电子开关管S3、第五电力电子开关管S5、第七电力电子开关管S7和第八电力电子开关管S8开通，其余电力电子开关管断开，此时电流流向如附图6所示，电流由直流母线上的电容中性点O依次经过第七电力电子开关管S7、第八电力电子开关管S8和第三电力电子开关管S3后输出，输出电压为0。
状态5：该状态下，第二电力电子开关管S2、第五电力电子开关管S5、第六电力电子开关管S6和第八电力电子开关管S8开通，其余电力电子开关管断开，此时电流流向如附图7所示，电流由直流母线上的电容中性O点依次经过第五电力电子开关管S5、第六电力电子开关管S6和第二电力电子开关管S2后输出，输出电压为0。
状态6：该状态下，第三电力电子开关管S3、第五电力电子开关管S5和第六电力电子开关管S6开通，其余电力电子开关管断开，此时电流流向如附图8所示，电流由直流母线上的电容中性点O依次经过第五电力电子开关管S5、第六电力电子开关管S6、钳位电容Cactive和第三电力电子开关管S3后输出，输出电压为-Vdc/4。
状态7：该状态下，第二电力电子开关管S2、第四电力电子开关管S4和第六电力电子开关管S6开通，其余电力电子开关管断开，此时电流流向如附图9所示，电流由直流母线的N点依次经过第四电力电子开关管S4、钳位电容Cactive和第二电力电子开关管S2后输出，输出电压为-Vdc/4。
状态8：该状态下，第三电力电子开关管S3、第四电力电子开关管S4和第六电力电子开关管S6开通，其余电力电子开关管断开，此时电流流向如附图10所示，电流由直流母线的N点依次经过第四电力电子开关管S4和第三电力电子开关管S3后输出，输出电压为-Vdc/2。
通过上述原理可以看出，T型有源钳位型五电平三相逆变器的输出有5个不同的电平，每一个电力电子开关管所承受的电压为直流母线电压的四分之一，从而该拓扑结构充分发挥了五电平的优势，提高了直流侧输入电压、提高了逆变器性能(电流纹波、效率、电压变化率等)。因此，其在高压直流输入的光伏发电系统有很好的应用前景。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种T型有源钳位型五电平三相逆变器，与可再生清洁能源相连接并将所述可再生清洁能源逆变后提供给电网，其特征在于：所述T型有源钳位型五电平三相逆变器包括分别对应三相输出的三个相同的T型有源钳位型五电平桥臂；
所述T型有源钳位型五电平桥臂包括第一线路、第二线路、第三线路和钳位电容；所述第一线路包括串联的第一电力电子开关管、第二电力电子开关管、第三电力电子开关管、第四电力电子开关管，所述第一线路连接于所述可再生清洁能源所连接的直流母线两端，所述第一电力电子开关管与所述第二电力电子开关管的共同端构成第一连接点，所述第二电力电子开关管与所述第三电力电子开关管的共同端构成第二连接点，所述第三电力电子开关管与所述第四电力电子开关管的共同端构成第三连接点；所述第二线路包括串联的第五电力电子开关管、第六电力电子开关管，所述第二线路连接于所述直流母线上的电容中性点与所述第一连接点之间；所述第三线路包括串联的第七电力电子开关管、第八电力电子开关管，所述第三线路连接于所述直流母线上的电容中性点与所述第三连接点之间；所述钳位电容连接于所述第一连接点与所述第三连接点之间；所述第二连接点引出构成所述T型有源钳位型五电平桥臂的输出端。
2.根据权利要求1所述的T型有源钳位型五电平三相逆变器，其特征在于：所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第五电力电子开关管、所述第六电力电子开关管、所述第七电力电子开关管、所述第八电力电子开关管分别具有源极和漏极；
所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管分别通过各自的源极和漏极接入所述第一线路中；所述第五电力电子开关管、所述第六电力电子开关管分别通过各自的源极和漏极接入所述第二线路中；所述第七电力电子开关管、所述第八电力电子开关管分别通过各自的源极和漏极接入所述第三线路中。
3.根据权利要求2所述的T型有源钳位型五电平三相逆变器，其特征在于：所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管分别包括串联线路，所述串联线路包括串联并采用相同驱动信号的第一子开关管、第二子开关管，所述第一子开关管、所述第二子开关管分别具有源极和漏极，所述第一子开关管、所述第二子开关管分别通过各自的源极和漏极接入所述串联线路，所述串联线路的两端分别构成其所在的所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管或所述第四电力电子开关管的源极和漏极。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的T型有源钳位型五电平三相逆变器，其特征在于：所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第五电力电子开关管、所述第六电力电子开关管、所述第七电力电子开关管、所述第八电力电子开关管均采用绝缘栅双极型晶体管。
5.一种并网逆变发电系统，包括可再生清洁能源、与所述可再生清洁能源相连接的直流母线、与所述直流母线相连接的逆变器、与所述逆变器相连接的LC滤波器，所述电网与所述LC滤波器相连接，其特征在于：所述逆变器采用权利要求1至4中任一项所述的T型有源钳位型五电平三相逆变器。
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