CN204947920U - 五电平无变压器型逆变电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种五电平无变压器型逆变电路，其输入端为太阳能发电机，输出端为交流电网，其特征在于，它包含三个环节，分别是DC环节、MID环节和AC环节。其中，DC环节包括两个电感、两个开关管、两个二极管；MID环节包括四颗电容；AC环节包括六个二极管、五个开关管以及一个滤波电感和一个滤波电容。本实用新型实现了直流转化为交流的功能，并避免了输入端子出现高频共模电压，同时减小了电感容量和开关器件的开关损耗，降低了电磁干扰，实现了高效率转换。

Description

五电平无变压器型逆变电路

技术领域

本实用新型涉及一种直流电压转化为交流电压的电路，应用于新能源并网发电技术领域。

背景技术

太阳能发电作为新能源的重要组成部分，获得越来越大的发展。在太阳能发电系统中，将太阳能电池板发出的直流电转化为交流电的逆变转换电路作为太阳能发电系统的核心，有着非常重要的作用。

太阳能系统通常可以分为独立型和并网型，后者由于可以最大程度的利用太阳能电池板发出的能量，因此是目前光伏系统的主要应用类型。逆变器拓扑总体可以分为带变压器隔离和无变压器型。隔离变压器可以实现隔离和升压的作用，但工频变压器体积重、效率低、成本高，安装不便；高频变压器虽然体积和重量下降，但往往系统复杂，并且输出电流存在直流分量，效率也同样偏低；无变压器型逆变器由于系统结构简单、效率高、体积小且成本低获得快速的发展，成为并网光伏发电的主流。

由于在直流源和负载之间没有变压器隔离，无变压器型逆变器存在共模电流干扰的问题。一般由于太阳能电池板面积较大，对地寄生电容也较大，此电容随外界环境变化。由于寄生电容的存在，且逆变器中的开关器件在高频切换，因此在太阳能电池板端、寄生电容和逆变器中的开关管、滤波电感以及电网之间存在电流通路，从而有可能形成较大共模电流，此共模电流可能对操作人员人身安全带来隐患。因此有效抑制并完全消除共模电流是无变压器型逆变器需要解决的关键问题。

目前，对于中小功率的单相无变压器型并网光伏逆变器，往往采用双极性调制的全桥电路和半桥电路解决共模电流问题。双极性调制的全桥电路开关损耗大，逆变输出电压为两电平，所需要的滤波电感大，从而效率偏低；半桥电路的输入电压需要为全桥电压的两倍，往往需要两级电路实现，加大电路实现难度，同样存在转换效率低的问题；采用了单极性控制的全桥电路时，其逆变输出电压为三电平，所需滤波电感较小，但是无法有效的解决共模电流问题。

发明内容

本实用新型的目的是针对无变压器型并网光伏逆变器，提出一个新的直流转化为交流的电路，能够实现逆变电压输出为五电平，可以减小输出滤波电感，同时解决共模电流的问题，降低了开关器件的开关损耗低，从而可以实现较高的转化效率。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种五电平无变压器型逆变电路，其输入端为太阳能发电机，输出端为交流电网，其特征在于，包括：电感L1及电感L2，电感L1及电感L2的一端分别与太阳能发电机的正极及负极相连，在电感L1及电感L2的另一端之间跨接串联的开关管一及开关管二，电感L1另的一端还与二极管D1的阳极相连，电感L2的另一端还与二极管D2的阴极相连；

在二极管D1的阴极与二极管D2的阳极之间跨接串联的电容C1、电容C2、电容C3及电容C4，在电容C2与电容C3之间引出参考电位点(0)，该参考电位点直连至开关管一与开关管二之间，电容C1与电容C2之间的电路及电容C3与电容C4之间的电路分别连接至电感L1的一端与太阳能发电机的正极之间的电路及电感L2的一端与太阳能发电机的负极之间的电路；

在二极管D1的阴极与二极管D2的阳极之间还跨接串联的开关管三、开关管四、开关管五及开关管六，在开关管四与开关管五之间引出逆变器输出电压点，逆变器输出电压点经由滤波电路与交流电网连接，滤波电路串接在逆变器输出电压点与参考电位点之间，参考电位点分别与二极管D5的阳极及二极管D6的阴极相连，二极管D5的阴极与开关管七的一端及二极管D7的阴极相连，二极管D6的阳极与开关管七的另一端及二极管D8的阳极相连，二极管D7的阳极及二极管D8的阴极与逆变器输出电压点相连，二极管D3的阳极与电容C1与电容C2之间的电路相连，二极管D3的阴极与开关管三与开关管四之间的电路相连，二极管D4的阴极与电容C3与电容C4之间的电路相连，二极管D3的阳极与开关管五与开关管六之间的电路相连。

优选地，所述开关管一、开关管二、开关管三、开关管四、开关管五、开关管六、开关管七或为内部带反并二极管的开关晶体管，或由独立的开关晶体管和独立的二极管反并联后组成，或使用独立的开关晶体管。

优选地，开关晶体管由开关器件组成。

优选地，所述开关器件或为IGBT晶体管，或为MOSFET晶体管组。

优选地，所述滤波电路或由滤波电感与滤波电容组成，或由滤波电感组成。

优选地，所述滤波电容或为单个电容，或为多个电容并联的组合。

优选地，所述电容C1、所述电容C2、所述电容C3及所述电容C4或为单个电解电容，或为多个电解电容并联的组合，或为电解电容与薄膜电容并联的组合。

本实用新型实现了直流转化为交流的功能，并避免了输入端子出现高频共模电压，同时减小了电感容量和开关器件的开关损耗，降低了电磁干扰，实现了高效率转换。

附图说明

图1为单相五电平无变压器型逆变器；

图2为变换电路工作状态；

图3为正半周A区，发电回路；

图4为正半周A区，续流回路；

图5为正半周B区，发电回路；

图6为正半周B区，续流回路；

图7为负半周A区，发电回路；

图8为负半周A区，续流回路；

图9为负半周B区，发电回路；

图10为负半周B区，续流回路；

图11为逆变输出五电平电压。

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本实用新型提出一种直流转化交流的电路，可用于太阳能并网发电，该电路的输入端为太阳能发电机SG，输出端为交流电网Ug。它包含三个环节，分别是DC环节、MID环节和AC环节。其中，DC环节包括两个电感L1～L2、两个开关管S1～S2、两个二极管D1～D2；MID环节包括四颗电容C1～C4；AC环节包括六个二极管D3～D8、五个开关管S3～S7以及一个滤波电感Lf和一个滤波电容Cf，见图1所示。

在DC环节，电感L1一端连接到太阳能发电机SG的正端，另一端连接到开关管S1的一端以及二极管D1的正极，开关管S1的另一端连接开关管S2的一端，开关管S2的另一端连接到电感L2和二极管D2的阴极，电感L2的另一端连接到太阳能发电机SG的负端。此外，二极管D1的阴极以及二极管D2的阳极分别连接到MID环节的1端及4端。

MID环节中电容C1～C4依次串联，其中电容C1的一端连接到DC环节中二极管D1的阴极和AC环节中开关管S3的一端；C1另一端连接到电容C2的一端、电感L1的一端以及AC环节二极管D3的阳极。电容C2的一端连接到C1的一端、C3的一端、电感L1的一端以及AC环节二极管D3的阳极；C2的另一端连接到C3的一端、DC环节S1、S2串联的中间、和AC环节二极管D5的阳极、D6的阴极以及电网的一端。电容C3的一端连接到C2的一端、DC环节S1、S2串联的中间、和AC环节二极管D5的阳极、D6的阴极以及电网的一端；电容C3的另一端连接到电容C4的一端、DC环节中电感L2的一端以及AC环节二极管D4的阴极。电容C4的一端连接到电容C3的一端、DC环节中电感L2的一端以及AC环节中二极管D4的阴极；C4的另一端连接到DC环节中二极管D2的阳极和AC环节中开关管S6的一端。DC环节中，两颗电容C2、C3串联，串联端记为“0”，并且和太阳能发电机SG并联，可以设定一个参考电位，记为“0V”，则MID环节中电容C2、C3相对于0V点的电压分别为+Upv和-Upv，当太阳能发电机SG的输出电压为Vdc时，电容C2、C3上的电压均为0.5Vdc，该电压可作为AC环节的输入电压。

AC环节中，开关管S3～S6依次首尾连接，S3和S4串联，S4和S5串联，S5和S6串联，S3的另一端连接DC环节二级管D1的阴极以及MID环节电容C1的一端，S6的另一端连接DC环节二级管D2的阳极以及MID环节电容C4的一端。二极管D3的阴极连接到开关管S3、S4中间，二极管D3的阳极连接到MID环节电容C1、C2中间，二极管D4的阳极连接到开关管S5、S6中间，二极管D4的阴极连接到MID环节电容C3、C4中间。电感Lf接开关管S4和S5之间，电容Cf接输出电感Lf和电网0V端之间。

DC环节可以实现对太阳能发电机SG输出电压的抬升，当SG输出电压低于电网电压当前值时，DC环节表现为升压电路，将抬升后的电压施加到MID环节，保证MID环节的电压大于电网电压当前值，可以实现向电网的功率输出。

MID环节主要由电解电容构成，在电网周期的不同时刻，MID环节的输出电压大小不同，是一个动态变化的电压值，该电压值根据太阳能发电机SG输出电压与电网电压当前值的大小关系确定。在传统的逆变器中，MID环节的电压都是固定值，这种低频率动态的电解电容电压变化可以提高电解电容的寿命，提高系统的可靠性。MID环节作为AC环节的输入端，向AC环节提供能量，进而向电网提供能量。

AC环节将MID环节输出的直流电压转换成交流电压。该环节根据电网电压值的大小，将MID环节动态的直流电压逆变成五电平的电压脉冲，并且保证该脉冲的幅值大于当前电网电压值。

在本实用新型提出的单相五电平无变压器型逆变器中，根据太阳能发电机SG输出电压与电网电压的大小关系，确定DC环节是否工作、MID环节输出电压的大小以及AC环节对应的工作回路。在正、负电网周期内，对应的DC环节、MID环节、AC环节工作电路均不相同，各有四种工作状态。

在这四种状态中，各开关管的驱动脉冲的时序见图2所示，其中S1～S7分别表示开关管S1～S7的驱动脉冲，DC环节的开关管S1、S2分时段根据电网电压的需要进行固定脉冲宽度的开关切换；AC环节的开关管S3～S7分时段根据电网电压的需要按照电网正弦波调制的脉冲宽度的开关切换。

(1)正半周期的工作状态

在电网的正半周期，当AC环节的输入电压值+Upv大于电网电压值Ug时，如图2中正半周期的A区所示，DC环节不工作，开关管S1、S2一直处于关断状态，二极管D1、D2截止，电感L1、L2无电流流过。太阳能发电机SG的输出电压+Upv经过AC环节的二极管D3直接施加到逆变开关管S4上，通过开关管S4、S7的高频率动作(比如20kHz)，实现直流到交流电压的变换，此时开关管S3一直处于关断状态。

在正半周期的A区，只有开关管S4、S7高频率工作，二者互补导通，其他开关管均不工作。

当AC环节的输入电压值+Upv小于电网电压值Ug时，如图2中正半周期的B区所示，DC环节工作，根据B区电网电压的大小，开关管S1高频率切换(比如20kHz)，通过电容C2端电压0.5Vdc、电感L1、二极管D1和电容C1的作用，将电容C1的端电压抬升到大于电容C2端电压0.5Vdc的幅度，则电容C1、C2串联后的电压一定大于Vdc，记为nVdc(2＞n＞1)，该电压作为AC环节的输入电压，同时开关管S3与开关管S4同步高频率切换，S7与S3、S4互补切换，实现了直流到交流电压的变换。

在正半周期的B区，开关管管S1、S3、S4、S7均高频率工作。

状态1：正半周期-A区-发电

当开关管S4导通时，电容C2上的电压+Upv作为AC环节的输入电压向电感Lf充电，电流从电容C2的2端流出，依次经过二极管D3、开关管S4、电感Lf、电网Ug，然后再流入到电容C2，此时逆变输出电压Vinv(即开关管S4、S5中间的连接点5与参考点0之间的电压)为0.5Vdc，电流流向见图3。

状态2：正半周期-A区-续流

当开关管S4关断时，开关S7导通，电容C2上的电压无法向电感Lf充电，由于电感电流不能突变，电流依次经过电感Lf、电网Ug、二极管D5、开关管S7、二极管D8，然后再流入到电感Lf，此时逆变输出电压Vinv为0V，电流流向见图4。

状态3：正半周期-B区-发电

当开关管S3、S4导通时，电容C1串联电容C2后的电压nVdc(即1点与0点间的电压)作为AC环节的输入电压向电感Lf充电，电流从电容C1的1端流出，依次经过开关管S3、开关管S4、电感Lf、电网Ug，然后再流入到电容C2，此时逆变输出电压Vinv为nVdc，电流流向见图5。

状态4：正半周期-B区-续流

当开关管S3、S4关断时，开关S7导通，电容C1、C2上的电压无法向电感Lf充电，由于电感电流不能突变，电流依次经过电感Lf、电网Ug、二极管D5、开关管S7、二极管D8，然后再流入到电感Lf，此时逆变输出电压Vinv为0V，该状态与A区的续流回路相同，电流流向见图6。

通过正半周期的四种工作状态，实现了逆变电压在0V、0.5Vdc、nVdc间的切换。

(2)负半周期的工作状态

在电网的负半周期，当AC环节的输入电压值|-Upv|大于电网电压值Ug时，如图2中负半周期的A区所示，DC环节不工作，开关管S1、S2一直处于关断状态，二极管D1、D2截止，电感L1、L2无电流流过。太阳能发电机SG的输出电压-Upv经过AC环节的二极管D4直接施加到逆变开关管S5上，通过开关管S5、S7的高频率动作(比如20kHz)，实现直流到交流电压的变换，此时开关管S6一直处于关断状态。

在负半周期的A区，只有开关管S5、S7高频率工作，二者互补导通，其他开关管均不工作。

当AC环节的输入电压值|-Upv|小于电网电压值Ug时，如图2中负半周期的B区所示，DC环节工作，根据B区电网电压的大小，开关管S2高频率切换(比如20kHz)，通过电容C3端电压0.5Vdc、电感L3、二极管D3和电容C4的作用，将电容C4的端电压抬升到大于电容C3端电压0.5Vdc的幅度，则电容C3、C4串联后的电压为一定大于Vdc，记为nVdc(2＞n＞1)，该电压作为AC环节的输入电压，同时开关管S5与开关管S6同步高频率切换，S7与S5、S6互补切换，实现了直流到交流电压的变换。

在负半周期的B区，开关管管S2、S5、S6、S7均高频率工作。

状态1：负半周期-A区-发电

当开关管S5导通时，电容C3上的电压-Upv作为AC环节的输入电压向电感Lf充电，电流从电容C3的0端流出，依次经过电网Ug、电感Lf、开关管S5、二极管D4，然后再流入到电容C3，此时逆变输出电压Vinv为-0.5Vdc，电流流向见图7。

状态2：负半周期-A区-续流

当开关管S5关断时，开关S7导通，电容C3上的电压无法向电感Lf充电，由于电感电流不能突变，电流依次经过二极管D7、开关管S7、二极管D6、电网Ug，然后再流入到电感Lf，此时逆变输出电压Vinv为0V，电流流向见图8。

状态3：负半周期-B区-发电

当开关管S5、S6导通时，电容C3串联电容C4后的电压nVdc(即0点与4点间的电压)作为AC环节的输入电压向电感Lf充电，电流从电容C3的0端流出，依次经过电网Ug、电感Lf、开关管S5、开关管S6，然后再流入到电容C4，此时逆变输出电压Vinv为-nVdc，电流流向见图9。

状态4：负半周期-B区-续流

当开关管S5、S6关断时，开关S7导通，电容C3、C4上的电压无法向电感Lf充电，由于电感电流不能突变，电流依次经过二极管D7、开关管S7、二极管D6、电网Ug，然后再流入到电感Lf，此时逆变输出电压Vinv为0V，该状态与A区的续流回路相同，电流流向见图10。

通过负半周期的四种工作状态，实现了逆变电压在0V、-0.5Vdc、-nVdc间的切换。

所以，在一个电网周期，逆变输出电压包括了-nVdc、-0.5Vdc、0V、0.5Vdc、nVdc五个电压等级，逆变电压波形见图11所示。

在正半周的A区，开关管S7上的开关电压为AC环节输入电压0.5Vdc；开关管S3(或负半周期的A区-S6)不工作，开关管S4(或负半周期的A区-S5)的开关电压为0.5Vdc。

在正半周的在B区，开关管S7上的开关电压为AC环节输入电压nVdc的一半，S7的开关电压为0.5nVdc；开关管S3、开关管S4(或正半周的B区-S5、S6)串联分担AC环节的输入电压nVdc，则S3、S4(或S5、S6)的开关电压为0.5nVdc。所以在一个开关周期里，根据太阳能发电机SG与电网电压的关系，B区开关管S3、S4、S5、S6、S7的开关电压为在0.5Vdc-Vdc之间。

相对于全桥或半桥等电路，开关管的开关电压始终为输入电压Vdc，所以该五电平逆变电路中开关管的开关损耗相对较小，有利于提高转换效率，同时开关动作时dv/dt小，引起的电磁干扰较小。

在该电路中，电网的中点与电容C2、C3的中点连接，作用于太阳能电池板对地寄生电容的共模电压等于电容C2、C3上的电压0.5Vdc，所以不会形成共模电流。

该电路中，逆变输出电压波形为五电平，谐波含量少，所需的滤波电感量小，有利于降低系统成本和功率损耗。

Claims (7)

1.一种五电平无变压器型逆变电路，其输入端为太阳能发电机(SG)，输出端为交流电网(Ug)，其特征在于，包括：电感L1及电感L2，电感L1及电感L2的一端分别与太阳能发电机(SG)的正极及负极相连，在电感L1及电感L2的另一端之间跨接串联的开关管一(S1)及开关管二(S2)，电感L1另的一端还与二极管D1的阳极相连，电感L2的另一端还与二极管D2的阴极相连；

在二极管D1的阴极与二极管D2的阳极之间跨接串联的电容C1、电容C2、电容C3及电容C4，在电容C2与电容C3之间引出参考电位点(0)，该参考电位点(0)直连至开关管一(S1)与开关管二(S2)之间，电容C1与电容C2之间的电路及电容C3与电容C4之间的电路分别连接至电感L1的一端与太阳能发电机(SG)的正极之间的电路及电感L2的一端与太阳能发电机(SG)的负极之间的电路；

在二极管D1的阴极与二极管D2的阳极之间还跨接串联的开关管三(S3)、开关管四(S4)、开关管五(S5)及开关管六(S6)，在开关管四(S4)与开关管五(S5)之间引出逆变器输出电压点(5)，逆变器输出电压点(5)经由滤波电路与交流电网(Ug)连接，滤波电路串接在逆变器输出电压点(5)与参考电位点(0)之间，参考电位点(0)分别与二极管D5的阳极及二极管D6的阴极相连，二极管D5的阴极与开关管七(S7)的一端及二极管D7的阴极相连，二极管D6的阳极与开关管七(S7)的另一端及二极管D8的阳极相连，二极管D7的阳极及二极管D8的阴极与逆变器输出电压点(5)相连，二极管D3的阳极与电容C1与电容C2之间的电路相连，二极管D3的阴极与开关管三(S3)与开关管四(S4)之间的电路相连，二极管D4的阴极与电容C3与电容C4之间的电路相连，二极管D3的阳极与开关管五(S5)与开关管六(S6)之间的电路相连。

2.如权利要求1所述的一种五电平无变压器型逆变电路，其特征在于：所述开关管一(S1)、开关管二(S2)、开关管三(S3)、开关管四(S4)、开关管五(S5)、开关管六(S6)、开关管七(S7)或为内部带反并二极管的开关晶体管，或由独立的开关晶体管和独立的二极管反并联后组成，或使用独立的开关晶体管。

3.如权利要求2所述的一种五电平无变压器型逆变电路，其特征在于：开关晶体管由开关器件组成。

4.如权利要求3所述的一种五电平无变压器型逆变电路，其特征在于：所述开关器件或为IGBT晶体管，或为MOSFET晶体管组。

5.如权利要求1所述的一种五电平无变压器型逆变电路，其特征在于：所述滤波电路或由滤波电感与滤波电容组成，或由滤波电感组成。

6.如权利要求5所述的一种五电平无变压器型逆变电路，其特征在于：所述滤波电容或为单个电容，或为多个电容并联的组合。

7.如权利要求1所述的一种五电平无变压器型逆变电路，其特征在于：所述电容C1、所述电容C2、所述电容C3及所述电容C4或为单个电解电容，或为多个电解电容并联的组合，或为电解电容与薄膜电容并联的组合。