CN111293914A - 一种高性能中点箝位三电平非隔离逆变器及其开关控制时序 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备非单位功率因数运行和进网直流成分抑制能力的高可靠分裂电感中点箝位型三电平非隔离逆变器，其中，逆变器包括电源支路(A)，第一及第二进网直流成分抑制支路(B、G)，第一及第二无功能量流通支路(C、D)，第一及第二高可靠逆变支路(E、F)，电源支路A由直流电源构成，第一及第二进网直流成分抑制支路B、G分别由两组分压电容构成。本发明在单极性SPWM调制方式下不产生高频漏电流和工频漏电流、具有更强的进网直流成分抑制能力、可避免桥臂直通风险。同时，所有功率开关管和二极管的电压应力均为输入直流电压的一半。此外，配合相应的开关控制时序，该逆变器可工作于非单位功率因数下，具备无功输出能力。

Description

一种高性能中点箝位三电平非隔离逆变器及其开关控制时序

技术领域

本发明涉及一种逆变器，尤其涉及一种具备非单位功率因数运行和直流成分抑制能力的高可靠分裂电感中点箝位三电平非隔离逆变器，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术

光伏发电作为一种清洁可持续能源得到了世界各国的广泛关注并被迅速普及应用，非隔离并网系统因不含低频和高频变压器而具有变换效率高、成本低、重量轻等突出优势，在新能源开发，特别是分布式光伏并网中被普及应用。但是，拿掉变压器的非隔离并网系统面临接触漏电流和进网直流电流分量这两大技术挑战。由于光伏电池板对地寄生电容的存在，并网逆变器中功率开关管的高频动作可能在寄生电容中产生漏电流。漏电流会造成进网电流畸变以及电磁干扰，危害设备的稳定运行及人员安全。同时，失去电网侧隔离进网电流直流成分的隔离变压器后，该直流成分可能引起配电网上级变压器偏磁饱和、电缆绝缘老化、逆变器寿命降低等问题。

随着基于并网逆变器的分布式电源在配电系统中数量和容量占比的提高，各国并网标准均提出要求其具备一定的无功输出能力。另外，随着分布式电源系统中直流汇集电压等级的逐渐提高，传统电压源逆变器桥臂开关管电压应力快速上升、且在误触发下的直通问题也日益突出。

日本学者Akira Nabae等人于1981年提出的二极管箝位三电平并网逆变器，由于功率器件的电压应力为输入直流电压的一半，其差模特性好，电路结构如附图1所示；其由于电容桥臂中点直接连接电网中性线，在非隔离并网系统中得到了广泛的应用；但其开关桥臂开关管存在直通风险。为了提高传统二极管箝位三电平并网逆变器的可靠性，专利CN101783611A发明一种分裂电感型电路结构，如附图2所示，虽然提高了并网逆变器的抗直通能力，但其无法运行于无功状态。随后，德国学者Michael Frisch等人公开了一种具有非单位功率因数运行能力的分裂电感型电路结构，如附图3所示，但其无功能量流通支路中功率器件电压等级为输入直流电压，不适合高压应用场合。

虽然二极管箝位三电平并网逆变器直流侧电容可以帮助抑制进网直流成分，但在续流阶段时进网电流并不流经直流侧电容，一定程度上限制了进网直流成分抑制能力的提升。为此，西班牙学者Roberto González等人提出了附加一组电容桥臂抑制进网直流成分的电路，如附图4所示，该电路的开关桥臂仍然面临直通风险。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种高性能中点箝位三电平非隔离逆变器，该技术方案构建了一种具备非单位功率因数运行和进网直流成分抑制能力的高可靠分裂电感中点箝位三电平非隔离逆变器及其开关控制时序，解决了现有技术的不足，应用范围更加广泛。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种高性能中点箝位三电平非隔离逆变器，其特征在于，所述逆变器包括电源支路(A)，第一及第二进网直流成分抑制支路(B、G)，第一及第二无功能量流通支路(C、D)，第一及第二高可靠逆变支路(E、F)。

作为本发明的一种改进，第一及第二无功能量流通支路(C、D)的有源箝位开关管连接至第一进网直流成分抑制支路(B)的中点、第一及第二高可靠逆变支路(E、F)的无源箝位二极管连接至第一进网直流成分抑制支路(B)的中点，从实现所有功率器件电压应力为输入直流电压的一半。

作为本发明的一种改进，第一高可靠逆变支路(E)与第二无功能量流通支路(D)，第二高可靠逆变支路(F)与第一无功能量流通支路(C)构成具有防直通能力的桥臂结构，从而大幅提高工作可靠性；

作为本发明的一种改进，第二进网直流成分抑制支路(G)的电容桥臂中点直接连接电网中性点，用于光伏并网应用时无需变压器进行隔离，不产生工频漏电流和开关频率成分的高频漏电流。

作为本发明的一种改进，第二进网直流成分抑制支路(G)为传能阶段的进网电流提供电容通路、第一及第二进网直流成分抑制支路(B、G)同时为续流阶段的进网电流提供电容通路，使得进网电流始终流经电容，从而隔离进入电网的直流成分。

作为本发明的一种改进，所述电源支路(A)由直流电源(如光伏电池阵列PV的输出) 构成；

第一进网直流成分抑制支路(B)由第一分压电容(C_dc1)和第二分压电容(C_dc2)构成，且第一分压电容(C_dc1)和第二分压电容(C_dc2)的容值大小相等、规格一致。

第二进网直流成分抑制支路(G)由第三分压电容(C_dc3)和第四分压电容(C_dc4)构成，且第三分压电容(C_dc3)和第四分压电容(C_dc4)的容值大小相等、规格一致。

第一无功能量流通支路(C)由第五功率开关管(S₅)和第五功率二极管(D₅)的并联组合、第九功率二极管(D₉)、第十功率二极管(D₁₀)构成；

第二无功能量流通支路(D)由第六功率开关管(S₆)和第六功率二极管(D₆)的并联组合、第十一功率二极管(D₁₁)、第十二功率二极管(D₁₂)构成；

第一高可靠逆变支路(E)由第一功率开关管(S₁)和第一功率二极管(D₁)的并联组合、第二功率开关管(S₂)和第二功率二极管(D₂)的并联组合、第七功率二极管(D₇)、第一分裂电感 (L₁)构成；

第二高可靠逆变支路(F)由第三功率开关管(S₃)和第三功率二极管(D₃)的并联组合、第四功率开关管(S₄)和第四功率二极管(D₄)的并联组合、第八功率二极管(D₈)、第二分裂电感 (L₂)构成。

作为本发明的一种改进，所述第一功率开关管(S₁)、第二功率开关管(S₂)、第三功率开关管(S₃)、第四功率开关管(S₄)、第五功率开关管(S₅)、第六功率开关管(S₆)为全控型器件，并分别配有反并联功率二极管；第七功率二极管(D₇)、第八功率二极管(D₈)、第九功率二极管(D₉)、第十功率二极管(D₁₀)、第十一功率二极管(D₁₁)、第十二功率二极管(D₁₂) 为不控型二极管器件。这种配置使得每个支路具有全控型器件，增加了控制自由度；同时实现了任何电容两端的开关支路均为全控型开关管和二极管的串联组合，避免了电容电压直通的风险，有利于提高电路可靠性。

作为本发明的一种改进，所述第一分压电容(C_dc1)的正端分别连接直流电源(PV)正输出端、第一功率开关管(S₁)的集电极、第一功率二极管(D₁)和第九功率二极管(D₉)的阴极以及第三分压电容(C_dc3)的正端；第一分压电容(C_dc1)的负端分别连接第五功率开关管(S₅)的发射极、第五功率二极管(D₅)的阳极、第七功率二极管(D₇)的阳极、第六功率开关管(S₆) 的集电极、第六功率二极管(D₆)和第八功率二极管(D₈)的阴极、第二分压电容(C_dc2)的正端；

所述第二分压电容(C_dc2)的负端分别连接直流电源(PV)负输出端、第四功率开关管(S₄) 的发射极、第四功率二极管(D₄)和第十二功率二极管(D₁₂)的阳极；

所述第一功率开关管(S₁)的发射极分别连接第一功率二极管(D₁)的阳极、第二功率开关管(S₂)的集电极、第二功率二极管(D₂)的阴极、第七功率二极管(D₇)的阴极；

所述第二功率开关管(S₂)的发射极分别连接第二功率二极管(D₂)的阳极、第一分裂电感(L₁)的一端、第十一功率二极管(D₁₁)的阴极；

所述第三功率开关管(S₃)的集电极分别连接第三功率二极管(D₃)的阴极、第十功率二极管(D₁₀)的阳极、第二分裂电感(L₂)的一端；第三功率开关管(S₃)的发射极分别连接第三功率二极管(D₃)和第八功率二极管(D₈)的阳极、第四功率开关管(S₄)的集电极、第四功率二极管(D₄)的阴极；

所述第五功率开关管(S₅)的集电极分别连接第五功率二极管(D₅)的阴极、第九功率二极管(D₉)的阳极、第十功率二极管(D₁₀)阴极；

所述第六功率开关管(S₆)的发射极分别连接第六功率二极管(D₆)和第十一功率二极管 (D₁₁)的阳极、第十二功率二极管(D₁₂)的阴极；

所述第一分裂电感(L₁)的另一端与第二分裂电感(L₂)的另一端连接构成该逆变器的输出端并接入电网后接地。

所述第三分压电容(C_dc3)的负端分别连接第四分压电容(C_dc4)的正端并接地。

基于高性能中点箝位三电平非隔离逆变器的开关控制时序，其特征在于，

单位功率因数下，在电网电压的正半周，第一功率开关管(S₁)按单极性SPWM方式高频动作，第四功率开关管(S₄)始终关断，在电网电压的负半周，第一功率开关管(S₁)始终关断，第四功率开关管(S₄)按单极性SPWM方式高频动作；第二功率开关管(S₂)和第六功率开关管(S₆)具有相同的驱动时序，在电网电压正半周，第二功率开关管(S₂)、第六功率开关管(S₆)始终导通，在电网电压的负半周，第二功率开关管(S₂)、第六功率开关管(S₆)始终关断；第三功率开关管(S₃)和第五功率开关管(S₅)具有相同的驱动时序，在电网电压的正半周，第三功率开关管(S₃)、第五功率开关管(S₅)始终关断，在电网电压的负半周，第三功率开关管(S₃)、第五功率开关管(S₅)始终导通；

非单位功率因数下，第一功率开关管(S₁)和第四功率开关管(S₄)的驱动时序分别与单位功率因数下一致；而在电网电压正半周，第二功率开关管(S₂)、第六功率开关管(S₆)始终导通，第三功率开关管(S₃)、第五功率开关管(S₅)按单极性SPWM方式高频动作，在电网电压的负半周，第二功率开关管(S₂)、第六功率开关管(S₆)按单极性SPWM方式高频动作，第三功率开关管(S₃)、第五功率开关管(S₅)始终导通。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，1)本发明通过将传统二极管箝位三电平并网逆变器有源开关管桥臂中点打开，分别连接两个电感接入电网，利用电感抑制桥臂短路时的直通电流，可以提高并网逆变系统的可靠性，并可保持恒定共模电压和低漏电流特性； 2)该方案采用两组分压电容结构，使得变换器在能量传递和续流阶段进网电流回路中均含有电容，可保证进网电流直流成分的可靠隔除；分别为两个分裂电感配置由两只二极管串联组成的有源开关箝位型续流二极管支路，使得逆变器可以运行于非单位功率因数下，具备无功能力可为电网提供支撑；3)该方案的逆变器中各功率开关管的电压应力为输入直流电压一半；本发明的单相结构也可以扩展至三相结构。

附图说明

图1是二极管箝位三电平并网逆变器的电路结构图。

图2是专利CN101783611A公开的一种分裂电感型并网逆变器的电路结构图。

图3是一种具有非单位功率因数运行能力的分裂电感型并网逆变器的电路结构图

图4是一种采用电容隔直措施抑制进网直流成分的并网逆变器的电路结构图。

图5是本发明并网逆变器单相电路的结构图。

图6是为本发明逆变器提供的开关控制时序示意图。

图7(a)至图7(h)是本发明逆变器在图6所示开关控制时序下开关频率刻度的工作模态图，其中，图7(a)、图7(b)、图7(c)和图7(d)为电网电压正半周的等效工作模态图，图7(a) 为模态1的示意图；图7(b)为模态2的示意图；图7(c)为模态3的示意图；图7(d)为模态4的示意图；图7(e)、图7(f)、图7(g)和图7(h)为电网电压负半周的工作原理图。

图8(a)是本发明的桥臂输出电压u₁₃的波形图，图8(b)是本发明的桥臂输出电压u₂₃的波形图。

图9(a)是本发明逆变器中第一分裂电感的电流波形图；图9(b)是本发明逆变器中第二分裂电感的电流波形图。

图10(a)是本发明逆变器中第一功率开关管工作电压波形图；图10(b)是本发明逆变器中第二功率开关管工作电压波形图；图10(c)是本发明逆变器中第五功率开关管工作电压波形图。

图11是二极管箝位三电平并网逆变器的漏电流波形图。

图12是本发明单相逆变器并网运行时的漏电流波形图。

图13(a)是二极管箝位三电平并网逆变器电网正半周时的功率传递模态的等效模态图；图13(b)是二极管箝位三电平并网逆变器电网正半周时的续流模态的等效模态图。

图14(a)是在给定进网电流参考(i_g ^*＝20sinωt+1)时二极管箝位三电平并网逆变器的进网电流波形图；图14(b)是在给定进网电流参考(i_g ^*＝20sinωt+1)时二极管箝位三电平并网逆变器的进网电流波形图的频谱分析，其中，0Hz频率成分即为进网直流成分。

图15(a)是在给定进网电流参考(i_g ^*＝20sinωt+1)时，图4所示的并网逆变器进网电流波形图；图15(b)是在给定进网电流参考(i_g ^*＝20sinωt+1)时，图4所示的并网逆变器进网电流波形图的频谱分析，其中，0Hz频率成分即为进网直流成分。

图16(a)是在给定进网电流参考(i_g ^*＝20sinωt+1)时本发明单相逆变器的进网电流波形图；图16(b)是在给定进网电流参考(i_g ^*＝20sinωt+1)时本发明单相逆变器的进网电流波形图的频谱分析，其中，0Hz频率成分即为进网直流成分。

图17(a)至图17(e)是逆变器在直通故障时的波形图，其中，图17(a)是电网频率刻度下的驱动时序图，图17(b)为开关频率刻度下的驱动时序图，图17(c)是直通时刻二极管箝位三电平并网逆变器中桥臂开关管S₁～S₄的电流波形展开图，图17(d)是直通时刻图2所示逆变器中桥臂开关管S₁～S₄的电流波形展开图，图17(e)是直通时刻本发明逆变器中桥臂开关管S₁～S₄的电流波形展开图。

图18是图3所示逆变器在非单位功率因数下电网电压和进网电流波形图，其中，图18(a)是功率因数超前时的电网电压和进网电流波形；图18(b)是功率因数滞后时的电网电压和进网电流波形。

图19是本发明单相逆变器在非单位功率因数下电网电压和进网电流波形图，其中，图19(a)是功率因数超前时的电网电压和进网电流波形；图19(b)是功率因数滞后时的电网电压和进网电流波形。

图20是本发明拓展至三相逆变结构的电路图。

图21是本发明中高可靠逆变支路和无功能量流通支路的电路结构图。

图22是本发明逆变器的拓展例1的电路结构图。

图23是本发明逆变器的拓展例2的电路结构图。

图24是本发明逆变器的拓展例3的电路结构图。

上述附图的主要符号及标号名称：A——电源支路；B、G——第一、第二进网直流成分抑制支路；C、D——第一、第二无功能量流通支路；E、F——第一、第二高可靠逆变支路；PV——太阳能电池板；U_pv——太阳能电池板输出电压；C_dc1、C_dc2、C_dc3、C_dc4——直流电容；S₁～S₆——功率开关管及驱动信号；v_M——调制波；v_tri——载波；i_ref——进网电流参考；D₁～D₁₂——功率二极管；L₁、L₂——第一、第二分裂电感；S_x1～S_x6、D_x1～D_x12、 L_x1～L_x2(x＝a，b，c)——每相的功率开关管、功率二极管、分裂电感；u₁₃——图1中逆变桥中点1和3之间电压；u₂₃——图1中逆变桥中点2和点3之间的电压；i_L1、i_L2——第一、第二分裂电感的电流；u_g——电网及电网电压；i_g——进网电流。

附表1是二极管箝位三电平并网逆变器和本发明在基波频率和开关频率处的漏电流。

附表2是不同直流偏置时二极管箝位三电平并网逆变器，附图4和本发明的进网直流分量。

附表3是不同直通故障时间内二极管箝位三电平并网逆变器，附图2和本发明的桥臂功率开关管电流变化量。

附表4是二极管箝位三电平并网逆变器，附图2和本发明的无功运行分析。

附表5是二极管箝位三电平并网逆变器，附图3和本发明电路中功率元件的电压应力。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图5，一种高性能中点箝位三电平非隔离逆变器，所述逆变器包括电源支路(A)，第一及第二进网直流成分抑制支路(B、G)，第一及第二无功能量流通支路(C、D)，第一及第二高可靠逆变支路(E、F)；

第一及第二无功能量流通支路(C、D)的有源箝位开关管连接至第一进网直流成分抑制支路(B)的中点、第一及第二高可靠逆变支路(E、F)的无源箝位二极管连接至第一进网直流成分抑制支路(B)的中点，从实现所有功率器件电压应力为输入直流电压的一半。

第一高可靠逆变支路(E)与第二无功能量流通支路(D)，第二高可靠逆变支路(F)与第一无功能量流通支路(C)构成具有防直通能力的桥臂结构，从而大幅提高工作可靠性；

第二进网直流成分抑制支路(G)的电容桥臂中点直接连接电网中性点，用于光伏并网应用时无需变压器进行隔离，不产生工频漏电流和开关频率成分的高频漏电流。

第二进网直流成分抑制支路(G)为传能阶段的进网电流提供电容通路、第一及第二进网直流成分抑制支路(B、G)同时为续流阶段的进网电流提供电容通路，使得进网电流始终流经电容，从而隔离进入电网的直流成分。

所述电源支路(A)由直流电源(如光伏电池阵列PV的输出)构成；

第一进网直流成分抑制支路(B)由第一分压电容(C_dc1)和第二分压电容(C_dc2)构成，且第一分压电容(C_dc1)和第二分压电容(C_dc2)的容值大小相等、规格一致；

第二进网直流成分抑制支路(G)由第三分压电容(C_dc3)和第四分压电容(C_dc4)构成，且第三分压电容(C_dc3)和第四分压电容(C_dc4)的容值大小相等、规格一致；

第一无功能量流通支路(C)由第五功率开关管(S₅)和第五功率二极管(D₅)的并联组合、第九功率二极管(D₉)、第十功率二极管(D₁₀)构成；

第二无功能量流通支路(D)由第六功率开关管(S₆)和第六功率二极管(D₆)的并联组合、第十一功率二极管(D₁₁)、第十二功率二极管(D₁₂)构成；

第一高可靠逆变支路(E)由第一功率开关管(S₁)和第一功率二极管(D₁)的并联组合、第二功率开关管(S₂)和第二功率二极管(D₂)的并联组合、第七功率二极管(D₇)、第一分裂电感 (L₁)构成；

第二高可靠逆变支路(F)由第三功率开关管(S₃)和第三功率二极管(D₃)的并联组合、第四功率开关管(S₄)和第四功率二极管(D₄)的并联组合、第八功率二极管(D₈)、第二分裂电感 (L₂)构成。

所述第一功率开关管(S₁)、第二功率开关管(S₂)、第三功率开关管(S₃)、第四功率开关管(S₄)、第五功率开关管(S₅)、第六功率开关管(S₆)为全控型器件，并分别配有反并联功率二极管；第七功率二极管(D₇)、第八功率二极管(D₈)、第九功率二极管(D₉)、第十功率二极管(D₁₀)、第十一功率二极管(D₁₁)、第十二功率二极管(D₁₂)为不控型二极管器件。这种配置使得每个支路具有全控型器件，增加了控制自由度；同时实现了任何电容两端的开关支路均为全控型开关管和二极管的串联组合，避免了电容电压直通的风险，有利于提高电路可靠性。

所述第一分压电容(C_dc1)的正端分别连接直流电源(PV)正输出端、第一功率开关管(S₁) 的集电极、第一功率二极管(D₁)和第九功率二极管(D₉)的阴极以及第三分压电容(C_dc3)的正端；第一分压电容(C_dc1)的负端分别连接第五功率开关管(S₅)的发射极、第五功率二极管(D₅) 的阳极、第七功率二极管(D₇)的阳极、第六功率开关管(S₆)的集电极、第六功率二极管(D₆) 和第八功率二极管(D₈)的阴极、第二分压电容(C_dc2)的正端；

所述第二分压电容(C_dc2)的负端分别连接直流电源(PV)负输出端、第四功率开关管(S₄) 的发射极、第四功率二极管(D₄)和第十二功率二极管(D₁₂)的阳极；

所述第一功率开关管(S₁)的发射极分别连接第一功率二极管(D₁)的阳极、第二功率开关管(S₂)的集电极、第二功率二极管(D₂)的阴极、第七功率二极管(D₇)的阴极；

所述第二功率开关管(S₂)的发射极分别连接第二功率二极管(D₂)的阳极、第一分裂电感(L₁)的一端、第十一功率二极管(D₁₁)的阴极；

所述第三功率开关管(S₃)的集电极分别连接第三功率二极管(D₃)的阴极、第十功率二极管(D₁₀)的阳极、第二分裂电感(L₂)的一端；第三功率开关管(S₃)的发射极分别连接第三功率二极管(D₃)和第八功率二极管(D₈)的阳极、第四功率开关管(S₄)的集电极、第四功率二极管(D₄)的阴极；

所述第五功率开关管(S₅)的集电极分别连接第五功率二极管(D₅)的阴极、第九功率二极管(D₉)的阳极、第十功率二极管(D₁₀)阴极；

所述第六功率开关管(S₆)的发射极分别连接第六功率二极管(D₆)和第十一功率二极管 (D₁₁)的阳极、第十二功率二极管(D₁₂)的阴极；

所述第一分裂电感(L₁)的另一端与第二分裂电感(L₂)的另一端连接构成该逆变器的输出端并接入电网后接地。

所述第三分压电容(C_dc3)的负端分别连接第四分压电容(C_dc4)的正端并接地。

基于高性能中点箝位三电平非隔离逆变器的开关控制时序，单位功率因数下，在电网电压的正半周，第一功率开关管(S₁)按单极性SPWM方式高频动作，第四功率开关管(S₄)始终关断，在电网电压的负半周，第一功率开关管(S₁)始终关断，第四功率开关管(S₄)按单极性SPWM方式高频动作；第二功率开关管(S₂)和第六功率开关管(S₆)具有相同的驱动时序，在电网电压正半周，第二功率开关管(S₂)、第六功率开关管(S₆)始终导通，在电网电压的负半周，第二功率开关管(S₂)、第六功率开关管(S₆)始终关断；第三功率开关管(S₃) 和第五功率开关管(S₅)具有相同的驱动时序，在电网电压的正半周，第三功率开关管(S₃)、第五功率开关管(S₅)始终关断，在电网电压的负半周，第三功率开关管(S₃)、第五功率开关管(S₅)始终导通；

非单位功率因数下，第一功率开关管(S₁)和第四功率开关管(S₄)的驱动时序分别与单位功率因数下一致；而在电网电压正半周，第二功率开关管(S₂)、第六功率开关管(S₆)始终导通，第三功率开关管(S₃)、第五功率开关管(S₅)按单极性SPWM方式高频动作，在电网电压的负半周，第二功率开关管(S₂)、第六功率开关管(S₆)按单极性SPWM方式高频动作，第三功率开关管(S₃)、第五功率开关管(S₅)始终导通。

应用实施例：参见图5，一种高性能中点箝位三电平非隔离逆变器，所述逆变器包括电源支路(A)，第一及第二进网直流成分抑制支路(B、G)，第一及第二无功能量流通支路(C、D)，第一及第二高可靠逆变支路(E、F)；,

如图5所示为本发明逆变器的单相结构电路原理图，其中，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅、第六功率开关管S₆均采用全控型器件；

第一分压电容C_dc1的正端分别连接直流电源PV正输出端、第一功率开关管S₁的集电极、第一功率二极管D₁和第九功率二极管D₉的阴极以及第三分压电容C_dc3的正端；第一分压电C_dc1的负端分别连接第五功率开关管S₅)的发射极、第五功率二极管D₅的阳极、第七功率二极管D₇的阳极、第六功率开关管S₆的集电极、第六功率二极管D₆和第八功率二极管D₈的阴极、第二分压电容C_dc2的正端；第二分压电容C_dc2的负端分别连接直流电源PV负输出端、第四功率开关管S₄的发射极、第四功率二极管D₄和第十二功率二极管D₁₂的阳极；第一功率开关管S₁的发射极分别连接第一功率二极管D₁的阳极、第二功率开关管S₂的集电极、第二功率二极管D₂的阴极、第七功率二极管D₇的阴极；第二功率开关管S₂的发射极分别连接第二功率二极管D₂的阳极、第一分裂电感L₁的一端、第十一功率二极管D₁₁的阴极；第五功率开关管S₅的集电极分别连接第五功率二极管D₅的阴极、第九功率二极管D₉的阳极、第十功率二极管D₁₀阴极；第三功率开关管S₃的集电极分别连接第三功率二极管D₃的阴极、第十功率二极管D₁₀的阳极、第二分裂电感L₂的一端；第三功率开关管S₃的发射极分别连接第三功率二极管D₃和第八功率二极管D₈的阳极、第四功率开关管S₄的集电极、第四功率二极管D₄的阴极；第六功率开关管S₆的发射极分别连接第六功率二极管D₆和第十一功率二极管D₁₁的阳极、第十二功率二极管 D₁₂的阴极；第一分裂电感L₁的另一端与第二分裂电感L₂的另一端连接构成该逆变器的输出端并接入电网后接地。

图6是本发明逆变器提供的开关控制时序的原理图，为非单位功率因数调制方式，在电在电网电压的正半周，第一功率开关管S₁按单极性SPWM方式高频动作，第四功率开关管S₄始终关断；在负半周，第一功率开关管S₁始终关断，第四功率开关管S₄按单极性 SPWM方式高频动作；第二功率开关管S₂和第六功率开关管S₆具有相同的驱动时序，在电网电压正半周，第二功率开关管S₂和第六功率开关管S₆始终导通；在电网电压的负半周，当进网电流与电网电压同相时，第二功率开关管S₂和第六功率开关管S₆始终关断，当进网电流与电网电压反相时，第二功率开关管S₂和第六功率开关管S₆按单极性SPWM 方式高频动作；第三功率开关管S₃、第五功率开关管S₅具有相同的驱动时序，在电网电压的正半周，当进网电流与电网电压同相时，第三功率开关管S₃、第五功率开关管S₅始终关断，当进网电流与电网电压反相时，第三功率开关管S₃、第五功率开关管S₅按单极性SPWM方式高频动作；在电网电压的负半周，第三功率开关管S₃、第五功率开关管S₅始终导通。

图7为本发明逆变器在驱动信号下稳态时工作模态等效电路图。为了方便分析，做如下假设：1)所有功率开关管和二极管均为理想器件，不考虑开关时间及导通压降；2)所有电感和电容均为理想元件，且C_dc1＝C_dc2、C_dc3＝C_dc4，L₁＝L₂；3)逆变器运行于非单位功率因数下，电网电压u_g超前于进网电流i_g。下面以电网电压正半周即图7(a)、(b)、(c)和(d) 为例进行介绍，电网电压负半周即图7(e)、(f)、(g)和(h)的分析与之类似；

图7(a)和图7(b)为单位功率因数下的工作模式；

模态1(t₁-t₂)：如图7(a)所示，电网电压与进网电流处于同相位，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂和第六功率开关管S₆导通，进网电流流经第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂，第一分裂电感L₁进入电网；第六功率开关管S₆导通但不流过电流；

模态2(t₂-t₃)：如图7(b)所示，电网电压与进网电流仍处于同相位，第一功率开关管 S₁关断，第二功率开关管S₂、第六功率开关管S₆仍处于导通状态，第一功率开关管S₁两端的电压被箝位于输入直流电压的一半，第一分裂电感L₁的电流处于续流状态，且流经两条支路，第一条支路由第二功率开关管S₂与第七功率二极管D₇串联构成，第二条支路由第六功率开关管S₆与第十一功率二极管D₁₁组成；单位功率因数下其余时刻与模态1 及模态2工作原理类似；

图7(c)和图7(d)为非单位功率因数下的工作模式；

模态7(t₄-t₅)：如图7(c)所示，此时电网电压与进网电流处于反相位，电网电压处于正半周，而进网电流处于负半周，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂和第六功率开关管S₆导通，电路输出电压为U_pv，第一分裂电感L₁储能，其电流逐渐增大；第二分裂电感L₂的电流流经第九功率二极管D₉、第十功率二极管D₁₀进入电网，其电流逐渐减小；第六功率开关管S₆导通但不流过电流；

模态7(t₅-t₆)：如图7(d)所示，电网电压与进网电流仍处于反相位，电网电压处于正半周，而进网电流处于负半周，第一功率开关管S₁、第四功率开关管S₄关断，第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第五功率开关管S₅、第六功率开关管S₆处于导通状态，第一功率开关管S₁、第四功率开关管S₄两端的电压均被箝位于输入直流电压的一半，第一分裂电感L₁的电流流经两条支路续流，第一条支路由第二功率开关管S₂与第七功率二极管D₇串联构成，第二条支路由第六功率开关管S₆与第十一功率二极管D₁₁构成；第二分裂电感L₂的电流也流经两条支路续流，第一条支路由第三功率开关管S₃与第八功率二极管D₈串联构成，第二条支路由第五功率开关管S₅与第十功率二极管D₁₀构成；非单位功率因数下其余时刻与模态3及模态4工作原理类似。

图8～图10为本发明逆变器在驱动信号下的是本发明的桥臂输出电压，分裂电感的电流波形和功率开关管工作电压波形的仿真结果图。仿真例的具体参数如下：电池板电压 U_pv＝720V、电网电压U_g＝220V(rms)、电网频率f_g＝50Hz、额定功率P_N＝3kW；分裂电感 L₁＝L₂＝1.72mH；电池板对地寄生电容C_pv1＝C_pv2＝0.15μF；开关频率f_s＝18kHz；从图10(a)、图10(b)和图10(c)可以看出，本发明逆变器中第一功率开关管、第二功率开关管和第五功率开关管的电压应力均为输入电源电压的一半。

图11是二极管箝位三电平并网逆变器的漏电流波形图，从图11中可以看出，二极管箝位三电平并网逆变器漏电流较低，具有优良的漏电流的特性。

图12是本发明单相逆变器并网运行时的漏电流波形图，从图12中可以看出，与二极管箝位三电平并网逆变器的漏电流特性类似，本发明的逆变器漏电流也较低。

图13(a)和图13(b)分别是二极管箝位三电平并网逆变器电网正半周时功率传递模态和续流模态的等效模态图，其电网电压负半周工作特性与正半周类似；从图13中可以看出，在功率传递模态，进网电流始终流经隔离电容，可抑制进网直流成分；而在续流模态，进网电流直接经过功率二极管D₇，功率开关管S₂以及滤波电感L₁进入电网，此时进网直流成分将无法被直流侧电容隔除。

图14、图15和图16为二极管箝位三电平并网逆变器，图4所示并网逆变器以及本发明的进网直流成分仿真结果图，从图中可以看出，二极管箝位三电平并网逆变器进网直流抑制效果略差，图4所示并网逆变器以及本发明的逆变器均有较好的进网直流成分抑制效果。

图17展示了逆变器在直通故障时的波形图，从图17(c)、图17(d)和图17(e)中二极管箝位三电平并网逆变器，图2所示并网逆变器以及本发明逆变器的直通故障时的波形图可以看出，二极管箝位三电平并网逆变器在直通故障发生时，流过桥臂功率开关管的电流急剧增大，而图2所示并网逆变器以及本发明逆变器由于分裂电感的作用，可以有效抑制电流的变化，保护功率开关管的安全，提高电路的可靠性。

图18和图19分别是图3所示并网逆变器以及本发明逆变器在非单位功率因数下的工作情况，从图中可以看出，图3所示并网逆变器以及本发明逆变器均可工作于非单位功率因数下，为电网提供无功支撑；而由图2所示的专利CN101783611A公开的分裂电感型并网逆变器的结构可以看出，由于其未提供无功能量流通支路，因此图2所示的分裂电感型并网逆变器不具有非单位功率因数运行能力；此外，由于图3所示并网逆变器与图1 所示的二极管箝位三电平并网逆变器均使用了一组电容桥臂，根据图13的工作原理图以及图14的仿真结果可以得知，图3所示并网逆变器的直流抑制效果较差。通过以上分析可以看出，本发明逆变器的在并网运行时漏电流低，且具有较高的电路的可靠性和进网直流成分抑制能力。

附表1是二极管箝位三电平并网逆变器和本发明在基波频率和开关频率处漏电流幅值，从表中可以看出，本发明与二极管箝位三电平并网逆变器具有相同的漏电流抑制效果，具体如下：

表1电路的漏电流

附表2是不同直流偏置时二极管箝位三电平并网逆变器，附图4和本发明的进网直流分量，直流偏置分别为0.1A，0.5A和1A，从表中可以看出，二极管箝位三电平并网逆变器的在不同直流偏置下的进网直流成分均较高，而附图4和本发明的进网直流分量在不同直流偏置下均较低，可以有效地抑制进网直流成分，具体如下：

表2不同直流偏置时电路进网直流分量：

附表3是不同直通故障时间内二极管箝位三电平并网逆变器，附图2和本发明的桥臂功率开关管电流变化量，从表中可以看出二极管箝位三电平并网逆变器在直通故障出现时，开关管电流急剧变化，幅值较大；而附图2和本发明中由于逆变上下桥臂分别由功率开关管和功率二极管串联组成，且输出侧使用两只电感可以有效地抑制直通故障发生时的功率开关管中电流变化，提高电路运行可靠性，具体如下：

表3不同直通故障时间内桥臂功率开关管电流变化量：

附表4是二极管箝位三电平并网逆变器，附图2和本发明的无功运行能力对比，从表中可以看出，本发明通过构建无功流动支路，具有无功运行能力，具体如下：

表4电路的无功运行能力

附表5是二极管箝位三电平并网逆变器，附图3和本发明电路中功率元件的电压应力，从表中可以看出，本发明中功率开关管的电压应力为输入直流电压的一半，且无功能量流通支路中二极管的电压应力也为输入直流电压的一半，相比于附图3中二极管的电压应力得到有效降低，具体如下：

表5.电路中功率元件的电压应力

图20所示为本发明逆变器拓展得到的三相并网逆变电路结构原理图，三相共用电源支路、第一及第二进网直流成分抑制支路，其原理与单相电路相似。

图21是本发明逆变器所包含的基本单元及其拓展结构。其中，图21(a)和图21(b)分别为中点箝位单元和无功续流单元，将图21(a)中的箝位二极管替换为开关管可得到图21(c)所示结构，将图21(b)中的功率开关管替换为功率二极管可得到图21(d)所示结构。

图22是本发明逆变器的拓展例1的电路结构图，在拓展例1中，电源支路(22A)由直流电源(PV)构成；第一进网直流成分抑制支路(22B)由第一分压电容(C_dc1)和第二分压电容(C_dc2)构成；第二进网直流成分抑制支路(22G)由第三分压电容(C_dc3)和第四分压电容(C_dc4)构成；第一无功能量流通支路(22C)由第五功率二极管(D₅)、第九功率二极管(D₉)、第十功率二极管(D₁₀)构成；第二无功能量流通支路(22D)由第六功率二极管(D₆)、第十一功率二极管(D₁₁)、第十二功率二极管(D₁₂)构成；第一高可靠逆变支路(22E)由第一功率开关管(S₁) 和第一功率二极管(D₁)的并联组合、第二功率开关管(S₂)和第二功率二极管(D₂)的并联组合、第七功率二极管(D₇)、第一分裂电感(L₁)构成；第二高可靠逆变支路(22F)由第三功率开关管(S₃)和第三功率二极管(D₃)的并联组合、第四功率开关管(S₄)和第四功率二极管(D₄)的并联组合、第八功率二极管(D₈)、第二分裂电感(L₂)构成；本拓展例1的功率开关管的驱动时序与图6所示的开关控制时序一致。

图23是本发明逆变器的拓展例2的电路结构图，在拓展例2中，电源支路(23A)由直流电源(PV)构成；第一进网直流成分抑制支路(23B)由第一分压电容(C_dc1)和第二分压电容(C_dc2)构成；第二进网直流成分抑制支路(23G)由第三分压电容(C_dc3)和第四分压电容(C_dc4)构成；第一无功能量流通支路(23C)由第五功率开关管(S₅)和第五功率二极管(D₅)的并联组合、第九功率二极管(D₉)、第十功率二极管(D₁₀)构成；第二无功能量流通支路(23D)由第六功率开关管(S₆)和第六功率二极管(D₆)的并联组合、第十一功率二极管(D₁₁)、第十二功率二极管(D₁₂)构成；第一高可靠逆变支路(23E)由第一功率开关管(S₁)和第一功率二极管(D₁)的并联组合、第二功率开关管(S₂)和第二功率二极管(D₂)的并联组合、第七功率开关管(S₇)和第七功率二极管(D₇)的并联组合、第一分裂电感(L₁)构成；第二高可靠逆变支路(23F) 由第三功率开关管(S₃)和第三功率二极管(D₃)的并联组合、第四功率开关管(S₄)和第四功率二极管(D₄)的并联组合、第八功率开关管(S₈)和第八功率二极管(D₈)的并联组合、第二分裂电感(L₂)构成；本拓展例2的功率开关管的驱动时序与图6所示的开关控制时序一致。

图24是本发明逆变器的拓展例3的电路结构图，在拓展例3中，电源支路(24A)由直流电源(PV)构成；第一进网直流成分抑制支路(24B)由第一分压电容(C_dc1)和第二分压电容(C_dc2)构成；第二进网直流成分抑制支路(24G)由第三分压电容(C_dc3)和第四分压电容(C_dc4)构成；第一无功能量流通支路(24C)由第五功率二极管(D₅)、第九功率二极管(D₉)、第十功率二极管(D₁₀)构成；第二无功能量流通支路(24D)由第六功率二极管(D₆)、第十一功率二极管(D₁₁)、第十二功率二极管(D₁₂)构成；第一高可靠逆变支路(24E)由第一功率开关管(S₁) 和第一功率二极管(D₁)的并联组合、第二功率开关管(S₂)和第二功率二极管(D₂)的并联组合、第七功率开关管(S₇)和第七功率二极管(D₇)的并联组合、第一分裂电感(L₁)构成；第二高可靠逆变支路(24F)由第三功率开关管(S₃)和第三功率二极管(D₃)的并联组合、第四功率开关管(S₄)和第四功率二极管(D₄)的并联组合、第八功率开关管(S₈)和第八功率二极管(D₈)的并联组合、第二分裂电感(L₂)构成；本拓展例3的功率开关管的驱动时序与图6所示的开关控制时序一致。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种变换，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高性能中点箝位三电平非隔离逆变器，其特征在于，所述逆变器包括电源支路(A)，第一及第二进网直流成分抑制支路(B、G)，第一及第二无功能量流通支路(C、D)，第一及第二高可靠逆变支路(E、F)。

2.根据权利要求1所述的高性能中点箝位三电平非隔离逆变器，其特征在于，所述第一及第二无功能量流通支路(C、D)的有源箝位开关管连接至第一进网直流成分抑制支路(B)的中点、第一及第二高可靠逆变支路(E、F)的无源箝位二极管连接至第一进网直流成分抑制支路(B)的中点。

3.根据权利要求1所述的高性能中点箝位三电平非隔离逆变器，其特征在于，所述第一高可靠逆变支路(E)与第二无功能量流通支路(D)，第二高可靠逆变支路(F)与第一无功能量流通支路(C)构成具有防直通能力的桥臂结构。

4.根据权利要求1所述的高性能中点箝位三电平非隔离逆变器，其特征在于，所述第二进网直流成分抑制支路(G)的电容桥臂中点直接连接电网中性点，用于光伏并网应用时无需变压器进行隔离，不产生工频漏电流和开关频率成分的高频漏电流。

5.根据权利要求4所述的高性能中点箝位三电平非隔离逆变器，其特征在于，所述第二进网直流成分抑制支路(G)为传能阶段的进网电流提供电容通路、第一及第二进网直流成分抑制支路(B、G)同时为续流阶段的进网电流提供电容通路，使得进网电流始终流经电容，从而隔离进入电网的直流成分。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的高性能中点箝位三电平非隔离逆变器，其特征在于，所述电源支路(A)由直流电源构成；

第一进网直流成分抑制支路(B)由第一分压电容(C_dc1)和第二分压电容(C_dc2)构成；

第二进网直流成分抑制支路(G)由第三分压电容(C_dc3)和第四分压电容(C_dc4)构成；

第一无功能量流通支路(C)由第五功率开关管(S₅)和第五功率二极管(D₅)的并联组合、第九功率二极管(D₉)、第十功率二极管(D₁₀)构成；

第二无功能量流通支路(D)由第六功率开关管(S₆)和第六功率二极管(D₆)的并联组合、第十一功率二极管(D₁₁)、第十二功率二极管(D₁₂)构成；

第一高可靠逆变支路(E)由第一功率开关管(S₁)和第一功率二极管(D₁)的并联组合、第二功率开关管(S₂)和第二功率二极管(D₂)的并联组合、第七功率二极管(D₇)、第一分裂电感(L₁)构成；

第二高可靠逆变支路(F)由第三功率开关管(S₃)和第三功率二极管(D₃)的并联组合、第四功率开关管(S₄)和第四功率二极管(D₄)的并联组合、第八功率二极管(D₈)、第二分裂电感(L₂)构成。

7.根据权利要求6所述的高性能中点箝位三电平非隔离逆变器，其特征在于，所述第一功率开关管(S₁)、第二功率开关管(S₂)、第三功率开关管(S₃)、第四功率开关管(S₄)、第五功率开关管(S₅)、第六功率开关管(S₆)为全控型器件。

8.根据权利要求7所述的高性能中点箝位三电平非隔离逆变器，其特征在于，所述第一分压电容(C_dc1)的正端分别连接直流电源(PV)正输出端、第一功率开关管(S₁)的集电极、第一功率二极管(D₁)和第九功率二极管(D₉)的阴极以及第三分压电容(C_dc3)的正端；第一分压电容(C_dc1)的负端分别连接第五功率开关管(S₅)的发射极、第五功率二极管(D₅)的阳极、第七功率二极管(D₇)的阳极、第六功率开关管(S₆)的集电极、第六功率二极管(D₆)和第八功率二极管(D₈)的阴极、第二分压电容(C_dc2)的正端；

所述第二分压电容(C_dc2)的负端分别连接直流电源(PV)负输出端、第四功率开关管(S₄)的发射极、第四功率二极管(D₄)和第十二功率二极管(D₁₂)的阳极；

所述第一功率开关管(S₁)的发射极分别连接第一功率二极管(D₁)的阳极、第二功率开关管(S₂)的集电极、第二功率二极管(D₂)的阴极、第七功率二极管(D₇)的阴极；

所述第二功率开关管(S₂)的发射极分别连接第二功率二极管(D₂)的阳极、第一分裂电感(L₁)的一端、第十一功率二极管(D₁₁)的阴极；

所述第三功率开关管(S₃)的集电极分别连接第三功率二极管(D₃)的阴极、第十功率二极管(D₁₀)的阳极、第二分裂电感(L₂)的一端；第三功率开关管(S₃)的发射极分别连接第三功率二极管(D₃)和第八功率二极管(D₈)的阳极、第四功率开关管(S₄)的集电极、第四功率二极管(D₄)的阴极；

所述第五功率开关管(S₅)的集电极分别连接第五功率二极管(D₅)的阴极、第九功率二极管(D₉)的阳极、第十功率二极管(D₁₀)阴极；

所述第六功率开关管(S₆)的发射极分别连接第六功率二极管(D₆)和第十一功率二极管(D₁₁)的阳极、第十二功率二极管(D₁₂)的阴极；

所述第一分裂电感(L₁)的另一端与第二分裂电感(L₂)的另一端连接构成该逆变器的输出端并接入电网后接地。

所述第三分压电容(C_dc3)的负端分别连接第四分压电容(C_dc4)的正端并接地。

9.基于高性能中点箝位三电平非隔离逆变器的开关控制时序，其特征在于，

单位功率因数下，在电网电压的正半周，第一功率开关管(S₁)按单极性SPWM方式高频动作，第四功率开关管(S₄)始终关断，在电网电压的负半周，第一功率开关管(S₁)始终关断，第四功率开关管(S₄)按单极性SPWM方式高频动作；第二功率开关管(S₂)和第六功率开关管(S₆)具有相同的驱动时序，在电网电压正半周，第二功率开关管(S₂)、第六功率开关管(S₆)始终导通，在电网电压的负半周，第二功率开关管(S₂)、第六功率开关管(S₆)始终关断；第三功率开关管(S₃)和第五功率开关管(S₅)具有相同的驱动时序，在电网电压的正半周，第三功率开关管(S₃)、第五功率开关管(S₅)始终关断，在电网电压的负半周，第三功率开关管(S₃)、第五功率开关管(S₅)始终导通；

非单位功率因数下，第一功率开关管(S₁)和第四功率开关管(S₄)的驱动时序分别与单位功率因数下一致；而在电网电压正半周，第二功率开关管(S₂)、第六功率开关管(S₆)始终导通，第三功率开关管(S₃)、第五功率开关管(S₅)按单极性SPWM方式高频动作，在电网电压的负半周，第二功率开关管(S₂)、第六功率开关管(S₆)按单极性SPWM方式高频动作，第三功率开关管(S₃)、第五功率开关管(S₅)始终导通。

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