CN113258804A - 一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提出了一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器及其调制方法，包括第一分压电容、第二分压电容、七个开关管、飞跨电容及二个二极管；所述第一分压电容、第二分压电容串联后并联在第一输入点和第二输入点之间；第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三开关管、第四开关管串联连接后并联在第一输入点和第二输入点之间；飞跨电容与串联连接的第二开关管和第三开关管并联；第五开关管和第六开关管串联连接后与飞跨电容并联连接；第七开关管的输入端与第一电容和第二电容的中点连接，输出端与第二开关管和第三开关管的中间连接。可解决现有五电平光伏逆变器开关器件数量多、体积大和成本高的问题。

Description

一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器及其调制方法
技术领域
本公开属于逆变器技术领域，尤其涉及一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器及其方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
光伏发电在近年来得到了高速发展，已成为解决化石能源短缺和应对气候变化的重要途径。“1500V”这个电压等级成为了业内人士关注的新焦点。串联的光伏组件增多，而线缆、汇流箱、逆变器数量减少，成本便会下降，加上相同容量电站并网点减少，减少了变压器数量和成本，系统损耗降低，故1500V光伏发电系统在降低成本和损耗上优势明显。
逆变器作为光伏并网发电产业链末端的核心组件，随着电压等级的提高，对其性能也有了更高的要求。由于开关器件的电压应力限制，常用的两电平甚至是部分三电平逆变器拓扑已经不能满足1500V这个电压等级。因此，五电平逆变器成为新的研究热点，其优势是可以用低电压应力的开关器件实现高电压输出，而且输出波形质量也会更好。然而，随着电平数量的提升，使用的开关器件数量也会随之增加。从而开关器件的驱动电路也会随之增加，调制策略也会更加复杂，降低系统的可靠性，提高开关损耗。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器，减少了开关器件，降低了器件损耗，降低了经济成本。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器拓扑结构，包括：
包括第一分压电容、第二分压电容、七个开关管、飞跨电容及两个二极管；
所述第一分压电容、第二分压电容串联后并联在第一输入点和第二输入点之间；
第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三开关管、第四开关管串联连接后并联在第一输入点和第二输入点之间；
飞跨电容与串联连接的第二开关管和第三开关管并联；第五开关管和第六开关管串联连接后与飞跨电容并联连接；
第七开关管的输入端与第一电容和第二电容的中点连接，输出端与第二开关管和第三开关管的中间连接。
进一步的技术方案，所述第一开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管为带反并联二极管的开关管。
进一步的技术方案，所述第二开关管、第三开关管为不带反并联二极管的开关管。
进一步的技术方案，所述七个开关管根据实际电压和功率等级选用功率开关管，为MOSFET或IGBT。
第二方面，公开了一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器，包括直流电源和上述五电平逆变器拓扑结构，所述直流电源的正电平和负电平分别与第一输入端和第二输入端连接，第五关管和第六关管作为输出端连接PCC点进行并网。
进一步的技术方案，所述第一电容和第二电容的参数相同，两个电容串联共同分担直流电源的电压，且第一电容和第二电容充满电稳定后的电压为直流电源电压的一半。
进一步的技术方案，还包括控制单元，控制单元被配置为：生成触发脉冲控制五电平逆变器拓扑结构中各开关管的通断，通过不同开关管导通与关断的组合，实现五电平逆变拓扑结构的不同工作状态。
第三方面，公开了一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器的工作方法，包括：
生成触发脉冲控制五电平逆变器拓扑结构中各开关管的通断，通过不同开关管导通与关断的组合，实现五电平逆变拓扑结构的不同工作状态；
其中，第二开关管和第三开关管的控制信号互补，第五开关管和第六开关管的控制信号互补，两个控制信号互补为当其中一个控制信号为高电平，另一个控制信号为低电平，二者交替出现高电平。
进一步的技术方案，通过控制开关管的导通和关断来实现不同的输出电压电平等级，输出电压等级在+E和-E下均具有冗余的开关状态，利用冗余的开关状态稳定飞跨电容电压。
第四方面，公开了多相逆变器，由多个一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器拓扑结构组合。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
上述五电平逆变拓扑结构和五电平逆变器，与有源中点箝位型五电平逆变器和T型五电平逆变器相比，减少了一个开关器件；与二极管中点箝位型五电平逆变器相比，减少了一个开关器件和箝位二极管数量；与飞跨电容型五电平逆变器相比，减少了一个开关器件和飞跨电容数量。虽然减少一个开关器件，但是光伏逆变器的基本功能并未减少，能正常输出五个电压电平和单位功率因数。因此，本发明所述五电平逆变拓扑结构及五电平逆变器可解决现有五电平光伏逆变器开关器件数量多、体积大和成本高的问题。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例1的五电平逆变器的电路拓扑图；
图2是本公开实施例1的五电平逆变器的第一种开关状态的电路图；
图3是本公开实施例1的五电平逆变器的第二种开关状态的电路图；
图4是本公开实施例1的五电平逆变器的第三种开关状态的电路图；
图5是本公开实施例1的五电平逆变器的第四种开关状态的电路图；
图6是本公开实施例1的五电平逆变器的第五种开关状态的电路图；
图7是本公开实施例1的五电平逆变器的第六种开关状态的电路图；
图8是本公开实施例1的五电平逆变器的第七种开关状态的电路图；
图9是本公开实施例1的五电平逆变器的第八种开关状态的电路图；
图10是本公开实施例1的七开关五电平单相逆变器的输出相电压、相电流和飞跨电容电压波形图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器拓扑结构，包括第一分压电容C1，第二分压电容C2，带反并联二极管的开关管S1、S4、S5、S6、S7，不带反并联二极管的开关管S2、S3，和二极管D1、D2，和飞跨电容Cf。其中，第一分压电容C1和第二分压电容C2串联后并联在第一输入点I1和第二输入点I2之间；开关管S1、S2、D1、D2、S3和S4串联连接后并联在第一输入点I1和第二输入点I2之间；飞跨电容Cf与串联连接的开关管S2和S3并联；开关管S5和S6串联连接后与飞跨电容Cf并联连接；开关管S7的输入端与第一电容C1和第二电容C2的中点O点连接，输出端与开关管S2和S3的中间连接。
另一实施例子中，公开了五电平逆变器，参见附图1所示，包括直流电源和至少一个上述五电平逆变器拓扑结构，所述直流电源的正电平和负电平分别与第一输入端I1和第二输入端I2连接，开关管S5和S6作为输出端连接PCC点进行并网。
上述五电平逆变器还包括控制单元，生成触发脉冲控制五电平逆变器拓扑结构中各开关管的通断，通过不同开关管导通与关断的组合，实现所述五电平逆变拓扑结构的不同工作状态。
其中，开关管S2和开关管S3的控制信号互补，开关管S5和开关管S6的控制信号互补。两个控制信号互补为当其中一个控制信号为高电平，另一个控制信号为低电平，二者交替出现高电平。
第一电容C1和第二电容C2的参数相同，两个电容串联一起分担直流电源的电压Vdc＝4E，且第一电容C1和第二电容C2充满电稳定后的电压为直流电源电压的一半Vdc/2＝2E。
飞跨电容Cf承担着改变输出电平的任务，其电压稳定后的值为Vdc/4＝E。
上述开关管S1～S7可以根据实际电压和功率等级选用功率开关管，如MOSFET或IGBT，附图中以IGBT为例进行说明，而不限于此。
实施例二
本实施例的目的是提供一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器的控制方法，包括：通过控制信号的任意组合可以使得逆变器输出不同的电平信号，本实施例中，控制上述7个开关管S1-S7的开关状态，可以令输出端输出+2E，+E，0，-E，-2E共5个电平，如表1所示。
本实施的逆变器相对于传统的五电平逆变器，在仅需要7个开关管的前提下，使得最终的端口输出电平数量达到了五电平，减少了开关管的数量。以下介绍逆变器的控制方式和8种开关状态，不同的开关状态如下表1所示，其中用逻辑1代表开关管开通，逻辑0代表开关管关断，u0代表输出电平等级，io代表输出电流。
表1
Figure BDA0003073881540000061
如表1所示，通过控制开关管S1-S7的导通和关断来实现不同的输出电压电平等级，输出电压等级在+E和-E下均具有冗余的开关状态，即互相冗余的开关状态输出电平状态相同，但是流经飞跨电容的电流通路不同，飞跨电容的充放电状态也是不同的，可以通过合理选择冗余开关状态来对飞跨电容充放电，实现飞跨电容电压稳定。图2到图9为五电平逆变器的8种开关状态，下面分别对每一种状态进行说明。
(1)第一种开关状态
如图2所示，第一种开关状态下端口输出电压为+2E，此时第一开关管S1导通，第二开关管S5导通，第三开关管S2关断，第三开关管S3关断，第四开关管S4关断，第六开关管S6关断，第七开关管S7关断。电流的流向为：S1→S5，或者S5→S1。
(2)第二种开关状态
如图3所示，第二种开关状态下端口输出电压为+E，此时第一开关管S1导通，第六开关管S6导通，第二开关管S2关断，第三开关管S3关断，第四开关管S4关断，第五开关管S5关断，第七开关管S7关断。电流的流向为：S1→Cf→S5，此时飞跨电容Cf充电；或者S5→Cf→S1，此时飞跨电容Cf放电。
(3)第三种开关状态
如图4所示，第三种开关状态下端口输出电压也是为+E，此时第三开关管S3导通，第五开关管S5导通，第七开关管S7导通，第一开关管S1关断，第二开关管S2关断，第四开关管S4关断，第六开关管S6关断。电流的流向为：S7→S 3→Cf→S5，此时飞跨电容Cf放电。
(4)第四种开关状态
如图5所示，第四种开关状态下端口输出电压是为+0，此时第三开关管S3导通，第六开关管S6导通，第七开关管S7导通，第一开关管S1关断，第二开关管S2关断，第四开关管S4关断，第五开关管S5关断。电流的流向为：S7→S3→S6。
(5)第五种开关状态
如图6所示，第五种开关状态下端口输出电压是为-0，此时第二开关管S2导通，第五开关管S5导通，第七开关管S7导通，第一开关管S1关断，第三开关管S3关断，第四开关管S4关断，第六开关管S6关断。电流的流向为：S5→S2→S7。
(6)第六种开关状态
如图7所示，第六种开关状态下端口输出电压是为-E，此时第二开关管S2导通，第六开关管S6导通，第七开关管S7导通，第一开关管S1关断，第三开关管S3关断，第四开关管S4关断，第五开关管S5关断。电流的流向为：S7→S2→Cf→S6，此时飞跨电容Cf放电。
(7)第七种开关状态
如图8所示，第七种开关状态下端口输出电压是也为-E，此时第四开关管S4导通，第五开关管S5导通，第一开关管S1关断，第二开关管S2关断，第三开关管S3关断，第六开关管S6关断，第七开关管S7关断。电流的流向为：S4→Cf→S5，此时飞跨电容Cf充电。
(8)第八种开关状态
如图9所示，第八种开关状态下端口输出电压是为-2E，此时第四开关管S4导通，第六关管S6通，第一开关管S1关断，第二开关管S2关断，第三开关管S3关断，第五关管S5断，第七开关管S7关断。电流的流向为：S4→S6或者S6→S4。
如图10所示，通过PWM调制策略，合理选择上述八种开关状态，使得提出来的新型五电平逆变器能够稳定的输出高质量的相电压和相电流，并且利用冗余的开关状态能够稳定飞跨电容电压。
该新型五电平光伏逆变器对传统的8开关管T型五电平逆变器进行优化，减少了一个开关管的数量，且不影响光伏逆变器的正常运行，能实现多个电平的输出，有利于减少谐波分量，降低开关器件开关频率。该五电平逆变器拓扑电路包括逆变拓扑结构和悬浮电容，该逆变拓扑结构能够提供5种电平模式，8个工作状态。其中包括两对冗余工作状态，从而可以实现悬浮电容电压的稳定控制。
在另一实施例子中，多个单相五电平逆变拓扑结构电路经过三相桥或者四相桥的组合，形成多相逆变器，实现不同的功能。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器拓扑结构，其特征是，包括：
包括第一分压电容、第二分压电容、七个开关管、飞跨电容及二个二极管；
所述第一分压电容、第二分压电容串联后并联在第一输入点和第二输入点之间；
第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三开关管、第四开关管串联连接后并联在第一输入点和第二输入点之间；
飞跨电容与串联连接的第二开关管和第三开关管并联；第五开关管和第六开关管串联连接后与飞跨电容并联连接；
第七开关管的输入端与第一电容和第二电容的中点连接，输出端与第二开关管和第三开关管的中间连接。
2.如权利要求1所述的一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器拓扑结构，其特征是，所述第一开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管为带反并联二极管的开关管。
3.如权利要求1所述的一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器拓扑结构，其特征是，所述第二开关管、第三开关管为不带反并联二极管的开关管。
4.如权利要求1所述的一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器拓扑结构，其特征是，所述七个开关管开关管根据实际电压和功率等级选用功率开关管，为MOSFET或IGBT。
5.一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器，其特征是，包括直流电源和上述权利要求1-4任一所述的五电平逆变器拓扑结构，所述直流电源的正电平和负电平分别与第一输入端和第二输入端连接，第五关管和第六关管作为输出端连接PCC点进行并网。
6.如权利要求5所述的一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器，其特征是，所述第一电容和第二电容的参数相同，两个电容串联共同分担直流电源的电压，且第一电容和第二电容充满电稳定后的电压为直流电源电压的一半。
7.如权利要求5所述的一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器，其特征是，还包括控制单元，控制单元被配置为：生成触发脉冲控制五电平逆变器拓扑结构中各开关管的通断，通过不同开关管导通与关断的组合，实现五电平逆变拓扑结构的不同工作状态。
8.一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器的工作方法，其特征是，包括：
生成触发脉冲控制五电平逆变器拓扑结构中各开关管的通断，通过不同开关管导通与关断的组合，实现五电平逆变拓扑结构的不同工作状态；
其中，第二开关管和第三开关管的控制信号互补，第五开关管和第六开关管的控制信号互补，两个控制信号互补为当其中一个控制信号为高电平，另一个控制信号为低电平，二者交替出现高电平。
9.如权利要求8所述的一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器的工作方法，其特征是，通过控制开关管的导通和关断来实现不同的输出电压电平等级，输出电压等级在+E和-E下均具有冗余的开关状态，利用冗余的开关状态稳定飞跨电容电压。
10.多相逆变器，其特征是，由多个权利要求5-7任一所述的一种减少开关管数量的五电平光伏逆变器拓扑结构组合。
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