CN203119788U

CN203119788U - 三电平逆变单元与光伏逆变器

Info

Publication number: CN203119788U
Application number: CN 201220742492
Authority: CN
Inventors: 郭龙龙; 梁京哲; 刘杰; 王鹏飞
Original assignee: BEIJING JUNTAI LIANCHUANG LOW-CARBON ENERGY-SAVING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING JUNTAI LIANCHUANG LOW-CARBON ENERGY-SAVING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2022-12-28

Abstract

本实用新型提供了一种三电平逆变单元与光伏逆变器。该三电平逆变单元包括：第一开关模块，设置在直流侧的第一端与第一交流输出端之间；第二开关模块，设置在直流侧的第二端与第一交流输出端之间；续流模块，设置在第一交流输出端和第二交流输出端之间，包括第三开关模块和多个续流二极管，其中，多个续流二极管中的第五二极管的阳极端与第七二极管的阳极端连接于第二节点，第四二极管的阴极端与第六二极管的阴极端连接于第一节点，第四二极管的阳极端与第五二极管的阴极端连接于第二交流输出端，第六二极管的阳极端与第七二极管的阴极端连接于第一交流输出端，第三开关模块设置在第一节点和第二节点之间。光伏逆变器，包括上述三电平逆变单元。本实用新型节省设备成本，控制简单。

Description

三电平逆变单元与光伏逆变器

技术领域

本实用新型涉及电力电子领域，具体而言，涉及一种三电平逆变单元与光伏逆变器。

背景技术

为了提高逆变器的逆变效率，同时降低逆变器的体积和重量，近年来，逐渐出现了了多种新型逆变单元结构，利用了多种电路拓扑，如直流旁路拓扑，交流旁路拓扑（HERIC），H5拓扑，中点钳位型（Neutral Point Clamping,NPC）三电平拓扑，Conergy NPC三电平拓扑，Active NPC三电平拓扑等等。这些拓扑从原理上大体可以分为两类：第一类为H桥改进型拓扑结构，第二类为多电平改进型拓扑。其中第二类三电平（NPC）改进型拓扑，以其简单的结构和更高的效率在光伏逆变器的设计中得到了广泛的应用。

NPC三电平拓扑电路于上世纪80年代提出，其与传统的两个开关模块所构成的传统桥臂相比，可以额外输出一个零电位，图1是传统两个开关管半桥逆变单元的拓扑电路图，图2是传统NPC逆变单元的拓扑图。从图中可以看出，在直流输入电压为Vdc时，传统半桥拓扑电路开关器件S11闭合时节点A输出电压为+Vdc，在开关器件S12闭合时，节点A输出电压为-Vdc，因此，传统半桥拓扑电路只能输出-Vdc，+Vdc。而NPC拓扑电路通过增加了两组开关器件，在开关器件S21和开关器件S24闭合，开关器件S22和开关器件S23断开时，节点A可以输出0电位，从而NPC拓扑电路可以输出-Vdc，0，+Vdc三个电位。因此，NPC拓扑的输出特性，尤其是输出纹波特性优于传统两开关器件所组成的桥臂。

Conergy公司在NPC拓扑电路的基础上进行了改进，一般称之为ConergyNPC拓扑电路。图3A是现有NPC拓扑的电路，NPC拓扑电路每个开关周期的工作状态都分为两部分：有源状态和续流状态，图3B和图3C分别示出了现有NPC拓扑正向有源工作状态和正向续流工作状态，可以看出在有源状态时，仅有开关器件S31闭合，独自承担导通损耗；在续流状态时，开关器件S33闭合，开关器件S33和续流二极管D34共同承担导通损耗。图中仅仅示出了正向的工作状态，对于输出负向电压的情况时，有源状态为开关器件S32闭合，续流状态为开关器件S34和续流二极管D33共同承担导通损耗。

在一个逆变周期内，NPC拓扑逆变电路依次处于正向有源状态、正向续流状态、负向有源状态、反向续流状态，各开关管和续流二极管交替工作，输出逆变电源，在通过PWM波控制的情况下，通过控制有源状态和续流状态各自所占周期的比例，即可实现逆变器的指定电压输出。这种电路结构，在续流状态下，需要对两个开关器件S33和S34分别正向和负向续流控制，使用的开关器件较多，同时两个开关器件S33和S34没有共地节点，需要分别引入驱动装置，增加了设备成本。另外，在续流状态时，开关器件的反并联寄生二极管特性从很大程度上影响了逆变效率。

针对现有技术中NPC拓扑逆变单元使用的开关器件较多，驱动电路复杂的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种三电平逆变单元与光伏逆变器，以解决现有技术中NPC拓扑逆变单元使用的开关器件较多，驱动电路复杂的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种三电平逆变单元。该逆变单元，用于将直流侧的直流电能转换为交流侧的交流电能，其中直流侧的第一端连接直流输入的正向电压端，直流侧的第二端连接直流输入的负向电压端，交流侧通过第一交流输出端和第二交流输出端输出交流电能，包括：第一开关模块，设置在直流侧的第一端与第一交流输出端之间；第二开关模块，设置在直流侧的第二端与第一交流输出端之间；第一电容，设置在直流侧的第一端与第二交流输出端之间；第二电容，设置在直流侧的第二端与第二交流输出端之间；续流模块，设置在第一交流输出端和第二交流输出端之间，续流模块包括第三开关模块和多个续流二极管，其中，多个续流二极管包括：第四二极管、第五二极管、第六二极管以及第七二极管，第五二极管的阳极端与第七二极管的阳极端连接于第二节点，第四二极管的阴极端与第六二极管的阴极端连接于第一节点，第四二极管的阳极端与第五二极管的阴极端连接于第二交流输出端，第六二极管的阳极端与第七二极管的阴极端连接于第一交流输出端，第三开关模块设置在第一节点和第二节点之间。

进一步地，第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管以及第七二极管均为碳化硅肖特基二极管。

进一步地，第一开关模块包括并联连接的第一开关器件和第一二极管，其中第一二极管的阳极端连接第一交流输出端，第一二极管的阴极端连接直流侧的第一端；第二开关模块包括并联连接的第二开关器件和第二二极管，其中第二二极管的阳极端连接直流侧的第二端，第二二极管的阴极端连接第一交流输出端；第三开关模块包括并联连接的第三开关器件和第三二极管，其中第三二极管的阳极端连接第二节点，第三二极管的阴极端连接第一节点。

进一步地，第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件均为绝缘栅双极型晶体管。

进一步地，本实用新型提供的三电平逆变单元用于将光伏阵列输出的直流电能转换为符合电网要求的交流电能，其中，直流侧的第一端连接光伏阵列的正向电压端，直流侧的第二端连接光伏阵列的负向电压端，第一交流输出端和第二交流输出端与交流电网连接。

进一步地，第一交流输出端通过滤波装置与交流电网连接。

进一步地，本实用新型提供的逆变单元还包括第三电容，设置直流侧的第二端与地之间。

根据本申请的另一个方面，还提供了一种光伏逆变器。该光伏逆变器包括逆变单元，该逆变单元为上述介绍的任意一种三电平逆变单元。

进一步地，上述光伏逆变器包括三个三电平逆变单元，该三个光伏逆变单元的直流侧相互并联连接，每个三电平逆变单元用于逆变出一相交流电能。

应用本实用新型的技术方案，利用一个续流模块同时作为正向续流通路和负向续流通路，比现有的NPC拓扑结构的逆变单元少使用了一个续流模块，从而节省了开关器件的使用数量，相应简化了开关器件的驱动装置，减小了设备成本，控制驱动方法简单。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是传统两个开关管半桥逆变单元的拓扑电路图；

图2是传统NPC三电平逆变单元的拓扑图；

图3A是现有NPC三电平逆变单元拓扑的电路图；

图3B是现有NPC三电平逆变单元拓扑的正向有源工作状态的电流流向示意图；

图3C是现有NPC三电平逆变单元拓扑的正向续流工作状态的电流流向示意图；

图4是本实用新型实施例的三电平逆变单元示意图；

图5A是根据本实用实施例的三电平逆变单元正向续流工作状态的示意图；

图5B是根据本实用实施例的三电平逆变单元反向续流工作状态的示意图；

图6是根据本实用新型实施例的三电平逆变单元的调制信号波形图；

图7是根据本实用新型实施例的三电平逆变单元作为光伏逆变单元的连接图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

本实用新型实施例提供了一种三电平逆变单元，该三电平逆变单元用于将直流侧的直流电能转换为交流侧的交流电能。图4是根据本实用新型实施例的逆变单元的示意图，如图4所示，该逆变单元直流侧的第一端连接直流输入的正向电压端，直流侧的第二端连接直流输入的负向电压端，交流侧通过第一交流输出端A和第二交流输出端B输出交流电能，除此之外该逆变单元还包括：第一开关模块，设置在直流侧的第一端与第一交流输出端A之间；第二开关模块，设置在直流侧的第二端与第一交流输出端A之间；第一电容C1，设置在直流侧的第一端与第二交流输出端B之间；第二电容C2，设置在直流侧的第二端与第二交流输出端B之间；续流模块，设置在第一交流输出端A和第二交流输出端B之间，续流模块包括第三开关模块和多个续流二极管，其中，多个续流二极管包括：第四二极管D44、第五二极管D45、第六二极管D46以及第七二极管D47，第五二极管D45的阳极端与第七二极管D47的阳极端连接于第二节点D，第四二极管D42的阴极端与第六二极管D46的阴极端连接于第一节点C，第四二极管D44的阳极端与第五二极管D45的阴极端连接于第二交流输出端B，第六二极管D46的阳极端与第七二极管D47的阴极端连接于第一交流输出端A，第三开关模块设置在第一节点C和第二节点D之间。第二交流输出端B可以连接接地点N。

本实用新型实施例的三电平逆变单元利用一个续流模块同时作为正向续流通路和负向续流通路，比现有的NPC三电平拓扑结构的逆变单元少使用了一个续流模块，从而节省了开关器件的使用数量，相应简化了开关器件的驱动装置，减小了设备成本，控制驱动方法简单。

图5A是根据本实用实施例的三电平逆变单元正向续流工作状态的示意图，此时电流经过第四二极管D44、第三开关模块、第七二极管D47完成续流，图5B是根据本实用实施例的三电平逆变单元反向续流工作状态的示意图，此时电流经过第六二极管D46、第三开关模块、第五二极管D45完成续流，也就是第三开关模块在正向续流和反向续流中均起到续流作用，在续流时，电流需经过三个器件，但其中两个器件为导向压降很低的二极管。相比于现有NPC三电平电路结构两个开关器件的寄生效应效率更高。

进一步地，上述第三二极管D43、第四二极管D44、第五二极管D45、第六二极管D46以及第七二极管D47均可以使用碳化硅肖特基二极管，该器件的导通损耗更低，反向恢复更快，从而进一步提高了逆变器效率。同时，本实用新型也可以使用其它种类的导通损耗低的续流二极管。

上述第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块均可以采用开关器件与二极管并联的方式，具体地，第一开关模块包括并联连接的第一开关器件S41和第一二极管D41，其中第一二极管D41的阳极端连接第一交流输出端A，第一二极管D41的阴极端连接直流侧的第一端；第二开关模块包括并联连接的第二开关器件S42和第二二极管D42，其中第二二极管D42的阳极端连接直流侧的第二端，第二二极管D42的阴极端连接第一交流输出端A；第三开关模块包括并联连接的第三开关器件S43和第三二极管D43，其中第三二极管D43的阳极端连接第二节点D，第三二极管D43的阴极端连接第一节点C。

从而在正向有源状态和反向有源状态下，第一开关模块和第二开关模块分别开通，与NPC逆变拓扑的状态相同。

第一开关器件S41、第二开关器件S42、第三开关器件S43均可以使用绝缘栅双极型晶体管（IGBT），其控制端与逆变单元的控制器连接。

表1是本实施例三电平逆变单元中开关器件在各回路状态下的逻辑真值表，在表中，“0”代表断开；“1”代表闭合。

表1、三电平逆变单元中开关器件在各回路状态下的逻辑真值表

回路状态	S41	S43	S42
				正向有源	1	0	0
正向续流	0	1	0
				负向续流	0	1	0
负向有源	0	0	1

[0040] 图6是根据本实用新型实施例的三电平逆变单元的调制信号波形图，在图中，Sr为逆变单元驱动器初始的调制波，三角波为周期角波为周期性载波，通过载波与三角波的比较可以得到单个开关周期内的开关动作，V_AB为第一交流输出端A和第二交流输出端B之间输出的交流电压。，从输出电压波形上看，可以看到，该三电平逆变单元同样具有-Vdc，0，+Vdc三个输出电压。另外，在单相逆变器中，Sr为一与电网同步的连续正弦波，在此仅给出一个开关周期的调制方法，因此Sr看上去类似一条直线。实际上开关器件的开关频率一般在几千到几万赫兹不等，电网频率一般为50或60赫兹。

本实施例的三电平逆变单元可以作为光伏逆变器的逆变单元，用于将光伏阵列输出的直流电能转换为符合电网要求的交流电能，图7是根据本实用新型实施例的三电平逆变单元作为光伏逆变单元的连接图，这种情况下直流侧的第一端连接光伏阵列PV1的正向电压端，直流侧的第二端连接光伏阵列PV1的负向电压端，第一交流输出端A和第二交流输出端B与电网连接。优选地第一交流输出端A通过滤波装置L与电网连接，以提高电能质量。并可以在直流侧的第二端与地之间设置第三电容V_PE。

本实施例的逆变单元可以适用于光伏逆变器。本实用新型的另一个方面还提供了一种光伏逆变器，包括上述实施例中的三电平逆变单元。

优选地，该光伏逆变器为三相逆变器，包括了三个上述逆变单元，三个光伏逆变单元的直流侧相互并联后，连接光伏阵列的输出，每个光伏逆变单元用于逆变出一相交流电能。

应用本实用新型的技术方案，减少了一个开关器件及其驱动装置的成本；相比传统全桥拓扑，具有更高的效率，在一定条件下可以超越Conergy NPC拓扑的效率；调制算法进一步简化，系统可靠性提高。

显然，本领域的技术人员应该明白，本实用新型中所提到的各个模块和/或单元均为有确定形状、构造且占据一定空间的模块和/或单元。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种三电平逆变单元，用于将直流侧的直流电能转换为交流侧的交流电能，其中所述直流侧的第一端连接所述直流输入的正向电压端，所述直流侧的第二端连接所述直流输入的负向电压端，所述交流侧通过第一交流输出端和第二交流输出端输出交流电能，其特征在于，包括：

第一开关模块，设置在所述直流侧的第一端与所述第一交流输出端之间；

第二开关模块，设置在所述直流侧的第二端与所述第一交流输出端之间；

第一电容，设置在所述直流侧的第一端与所述第二交流输出端之间；

第二电容，设置在所述直流侧的第二端与所述第二交流输出端之间；

续流模块，设置在所述第一交流输出端和第二交流输出端之间，所述续流模块包括第三开关模块和多个续流二极管，其中，所述多个续流二极管包括：第四二极管、第五二极管、第六二极管以及第七二极管，所述第五二极管的阳极端与所述第七二极管的阳极端连接于第二节点，所述第四二极管的阴极端与所述第六二极管的阴极端连接于第一节点，所述第四二极管的阳极端与所述第五二极管的阴极端连接于所述第二交流输出端，所述第六二极管的阳极端与所述第七二极管的阴极端连接于所述第一交流输出端，所述第三开关模块设置在所述第一节点和所述第二节点之间。

2.根据权利要求1所述的三电平逆变单元，其特征在于，所述第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管以及第七二极管均为碳化硅肖特基二极管。

3.根据权利要求1所述的三电平逆变单元，其特征在于，

所述第一开关模块包括并联连接的第一开关器件和第一二极管，其中所述第一二极管的阳极端连接所述第一交流输出端，所述第一二极管的阴极端连接所述直流侧的第一端；

所述第二开关模块包括并联连接的第二开关器件和第二二极管，其中所述第二二极管的阳极端连接所述直流侧的第二端，所述第二二极管的阴极端连接所述第一交流输出端；

所述第三开关模块包括并联连接的第三开关器件和第三二极管，其中第三二极管的阳极端连接所述第二节点，所述第三二极管的阴极端连接所述第一节点。

4.根据权利要求3所述的三电平逆变单元，其特征在于，所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第三开关器件均为绝缘栅双极型晶体管。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的三电平逆变单元，其特征在于，用于将光伏阵列输出的直流电能转换为符合电网要求的交流电能，其中，所述直流侧的第一端连接所述光伏阵列的正向电压端，所述直流侧的第二端连接所述光伏阵列的负向电压端，所述第一交流输出端和所述第二交流输出端与交流电网连接。

6.根据权利要求5所述的三电平逆变单元，其特征在于，所述第一交流输出端通过滤波装置与所述交流电网连接。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的三电平逆变单元，其特征在于，还包括第三电容，设置所述直流侧的第二端与地之间。

8.一种光伏逆变器，包括逆变单元，其特征在于，所述逆变单元为根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的三电平逆变单元。

9.根据权利要求8所述的光伏逆变器，用于三相逆变，其特征在于，包括三个所述三电平逆变单元，该三个逆变单元的直流侧相互并联连接，每个所述三电平逆变单元用于逆变出一相交流电能。