CN207638580U - 四电平三相并网逆变器和发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种四电平三相并网逆变器和发电系统，四电平三相并网逆变器包括三个嵌套中性点钳位四电平桥臂；每个桥臂包括依次连接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、第五电力电子开关管、第六电力电子开关管以及连接在第二电力电子开关管和第三电力电子开关管的中点与中性点之间的第一电力二极管、连接在第四电力电子开关管和第五电力电子开关管的中点与中性点之间的第二电力二极管、连接在第一电力电子开关管和第二电力电子开关管的中点与中性点之间的第一飞跨电容、连接在第五电力电子开关管和第六电力电子开关管的中点与中性点之间的第二飞跨电容。本实用新型能够提高输入电压和逆变性能，易于控制。

Description

四电平三相并网逆变器和发电系统

技术领域

本实用新型属于电能逆变技术领域，具体涉及一种嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器以及应用该嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器的发电系统。

背景技术

随着能源的逐渐枯竭和环境问题的日益严重，新能源(如太阳能、风能、生物能等)被越来越多地利用而进行发电。在各种可再生能源中，太阳能是非常具有发展潜力的一种新能源。太阳能电池板输出的为直流电，需要经过逆变器逆变为交流电后供给负载或给电网。逆变器是光伏电池板和电网或负载接口，其性能直接影响光伏发电系统。因此，逆变器在太阳能光伏发电系统中起着关键作用。

若逆变器输出相电压为2个电平，这种电路称为二电平逆变器；若逆变器输出相电压为 3个电平或3个以上电平，这种电路称为多电平逆变器。多电平逆变器和二电平逆变器相比具有输出电压总谐波畸变率低、电磁干扰小、损耗小等优点。因此，多电平逆变器在光伏发电系统得到广泛的应用，如T型三电平三相逆变器等。

随着光伏发电技术的迅速发展，目前市场出现高压的光伏电池板，高压的光伏电池板经过串、并联之后直流输入电压达到1500V，而常规的商用功率50KW以下的T型三电平三相逆变器输入电压小于1000V，无法实现1500V的输入电压。对于1500V直流输入的三相光伏发电系统，现有的四电平三相并网逆变器结构方面主要是二极管钳位型四电平逆变器和飞跨电容型四电平逆变器的部分结构，但传统的二极管钳位型四电平逆变器和飞跨电容型四电平逆变器中半导体器件数量较多。另外，对于1500V直流输入的三相光伏发电系统还可采用五电平逆变器，但五电平三相逆变器存在电力电子开关器件多和控制复杂等不足。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种能够提高输入电压(如1500V以上)并提高性能(如电流谐波、共模电压变化等)且器件较少、易于控制的嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器，与发电装置相连接，所述四电平三相并网逆变器包括分别与三相电信号相连接的三个嵌套中性点钳位四电平桥臂；

每个所述嵌套中性点钳位四电平桥臂包括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、第五电力电子开关管、第六电力电子开关管、第一电力二极管、第二电力二极管、第一飞跨电容和第二飞跨电容；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通过漏极和源极依次串联并连接在所述发电装置的直流母线的正负极之间，所述第一电力二极管的阴极与所述第二电力电子开关管和所述第三电力电子开关管的中点相连接，所述第一电力二极管的阳极与所述第二电力二极管的阴极相连接并构成中性点O，所述第二电力二极管的阳极与所述第四电力电子开关管和所述第五电力电子开关管的中点相连接；所述第一飞跨电容的两端分别与所述第一电力电子开关管和所述第二电力电子开关管的中点、所述中性点O相连接，所述第二飞跨电容的两端分别与所述第五电力电子开关管和所述第六电力电子开关管的中点、所述中性点O相连接，所述第三电力电子开关管和所述第四电力电子开关管的中点构成所述嵌套中性点钳位四电平桥臂的输出端。

所述第一电力电子开关管的漏极与所述直流母线的正极相连接，所述第二电力电子开关管的漏极与所述第一电力电子开关管的源极相连接，所述第三电力电子开关管的漏极与所述第二电力电子开关管的源极相连接，所述第四电力电子开关管的漏极与所述第三电力电子开关管的源极相连接，所述第五电力电子开关管的漏极与所述第四电力电子开关管的源极相连接，所述第六电力电子开关管的漏极与所述第五电力电子开关管的源极相连接，所述第六电力电子开关管的源极与所述直流母线的负极相连接。

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均采用绝缘栅双极型晶体管。

本发明还提供一种发电系统，包括发电装置、与所述发电装置相连接的三相并网逆变器、与所述三相并网逆变器相连接的三相滤波器、与所述三相滤波器相连接的电网或负载，所述三相并网逆变器采用上述嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器。

所述发电装置为可再生能源发电装置。

所述可再生能源发电装置为光伏阵列。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型结合了飞跨电容拓扑和二极管钳位拓扑各自的优点，能够充分发挥四电平的优势，可以应用于输入电压高于1000V的场合，能够提高直流侧输入电压并提高逆变器的电流纹波、效率、电压变化率等特性。因此，本实用新型在高压直流输入的逆变系统和发电系统中有很好的应用前景。

附图说明

附图1为应用嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器的发电系统的结构示意图。

附图2为嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器中A相嵌套中性点钳位四电平桥臂的示意图。

附图3为嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器中A相嵌套中性点钳位四电平桥臂的多相载波调制原理示意图。

附图4为嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器中A相嵌套中性点钳位四电平桥臂飞跨电容平衡控制流程图。

以上附图中：

1、(可再生能源)发电装置；2、嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器；3、三相滤波器。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例一：如附图1所示，发电系统包括发电装置1、与发电装置1相连接的三相并网逆变器、与三相并网逆变器相连接的三相滤波器3、与三相滤波器3相连接的电网或负载。其中，发电装置1为可再生能源发电装置，如光伏阵列，其由直流电源E_dc和直流输入电阻R_dc等效；三相滤波器3为三相LC滤波器，L为滤波电感，C为滤波电容；e_a、e_b、e_c分别为三相电网电压。而三相并网逆变器则采用以下嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2，该嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2输出的三相电路分别为i_a、i_b、i_c。

嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2包括分别与三相电信号A、B、C相连接的三个嵌套中性点钳位四电平桥臂。三个嵌套中性点钳位四电平桥臂结构相同，因此以下以A相电信号所连接的A相嵌套中性点钳位四电平桥臂为例进行说明。

如附图2所示，每个嵌套中性点钳位四电平桥臂包括第一电力电子开关管Sa1、第二电力电子开关管Sa2、第三电力电子开关管Sa3、第四电力电子开关管Sa4、第五电力电子开关管Sa5、第六电力电子开关管Sa6、第一电力二极管Da1、第二电力二极管Da2、第一飞跨电容Ca1和第二飞跨电容Ca2。

第一电力电子开关管Sa1、第二电力电子开关管Sa2、第三电力电子开关管Sa3、第四电力电子开关管Sa4、第五电力电子开关管Sa5、第六电力电子开关管Sa6通过漏极和源极依次串联，即第二电力电子开关管Sa2的漏极与第一电力电子开关管Sa1的源极相连接构成节点P1，第三电力电子开关管Sa3的漏极与第二电力电子开关管Sa2的源极相连接构成节点P2，第四电力电子开关管Sa4的漏极与第三电力电子开关管Sa3的源极相连接，第五电力电子开关管Sa5的漏极与第四电力电子开关管Sa4的源极相连接构成节点N2，第六电力电子开关管Sa6的漏极与第五电力电子开关管Sa5的源极相连接构成节点N1。上述各电力电子开关管串联后连接在发电装置1的直流母线的正负极之间，即第一电力电子开关管Sa1 的漏极与直流母线的正极P相连接，第六电力电子开关管Sa6的源极与直流母线的负极N 相连接。第一电力二极管Da1的阴极与第二电力电子开关管Sa2和第三电力电子开关管Sa3 的中点(即第二电力电子开关管Sa2的源极、第三电力电子开关管Sa3的漏极)相连接，第一电力二极管Da1的阳极与第二电力二极管Da2的阴极相连接并构成中性点O，第二电力二极管Da2的阳极与第四电力电子开关管Sa4和第五电力电子开关管Sa5的中点(即第四电力电子开关管Sa4的源极、第五电力电子开关管Sa5的漏极)相连接。第一飞跨电容Ca1 的两端分别与第一电力电子开关管Sa1和第二电力电子开关管Sa2的中点(即第一电力电子开关管Sa1的源极、第二电力电子开关管Sa2的漏极)、中性点O相连接，第二飞跨电容 Ca2的两端分别与第五电力电子开关管Sa5和第六电力电子开关管Sa6的中点(即第五电力电子开关管Sa5的源极、第六电力电子开关管Sa6的漏极)、中性点O相连接。第三电力电子开关管Sa3和第四电力电子开关管Sa4的中点(即第三电力电子开关管Sa3的源极、第四电力电子开关管Sa4的漏极)构成嵌套中性点钳位四电平桥臂的输出端A。A相嵌套中性点钳位四电平桥臂的输出端A的输出电流为i_a，B相嵌套中性点钳位四电平桥臂的输出端B 的输出电流为i_b，C相嵌套中性点钳位四电平桥臂的输出端C的输出电流为i_c。

上述各电力电子开关管，即第一电力电子开关管Sa1、第二电力电子开关管Sa2、第三电力电子开关管Sa3、第四电力电子开关管Sa4、第五电力电子开关管Sa5、第六电力电子开关管Sa6，均采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。

上述嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2采用的调制方法为：比较调制波Smod与第一载波Sa1car、第二载波Sa2car和第三载波Sa3car，根据调制波Smod、第一载波Sa1car、第二载波Sa2car和第三载波Sa3car之间的关系来决定第一电力电子开关管Sa1、第二电力电子开关管Sa2、第三电力电子开关管Sa3、第四电力电子开关管Sa4、第五电力电子开关管Sa5、第六电力电子开关管Sa6的开通或关断，从而使嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于具有不同输出电压的不同状态。

对于图2，以直流母线负极N点为参考电压点，第一飞跨电容Ca1和第二飞跨电容Ca2 电压分别控制稳态在E_dc/3。对于三相并网逆变器的A相桥臂，逆变器输出电压与逆变的电力电子开关管开关状态的关系、飞跨电容的充放电与电流的关系如图表1所示(其中“1”代表电力电子开关管开通，“0”代表电力电子开关管关断)。嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2其他的桥臂与A相桥臂类似。在每个嵌套中性点钳位四电平桥臂中，第一电力电子开关管Sa1的驱动信号与第六电力电子开关管Sa6的驱动信号互补，第二电力电子开关管Sa2的驱动信号与第四电力电子开关管Sa4的驱动信号互补，第三电力电子开关管Sa3的驱动信号与第五电力电子开关管Sa5的驱动信号互补。

表1逆变器输出电压和飞跨电容充放电与开关状态的关系

上述嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2采用的多载波调制的原理如图3所示。调制波Smod分别与第一载波Sa1car、第二载波Sa2car和第三载波Sa3car进行比较来决定各电力电子开关管的开通和关断。其中，第一载波Sa1car的波形、第二载波Sa2car的波形、第三载波Sa3car的波形均为锯齿波，第一载波Sa1car介于-1至1之间，第二载波Sa2car介于0至1之间，第三载波Sa3car介于-1至0之间，且第一载波Sa1car、第二载波Sa2car和第三载波Sa3car均为对称波形、周期相同；调制波Smod的波形为抛物线的一部分。

1、调制波Smod、当第二载波Sa2car、第一载波Sa1car、第三载波Sa3car由高到低排序时，第一电力电子开关管Sa1、第二电力电子开关管Sa2、第三电力电子开关管Sa3均开通，嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于输出电压为E_dc的第一状态。

2、第二载波Sa2car、调制波Smod、第一载波Sa1car、第三载波Sa3car由高到低排序时，第一电力电子开关管Sa1和第三电力电子开关管Sa3开通，第二电力电子开关管Sa2关断，嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于输出电压为2E_dc/3的第二状态，或者第二电力二极管Da2和第三电力电子开关管Sa3开通，第一电力电子开关管Sa1关断，嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于输出电压为2E_dc/3的第三状态。

为了实现飞跨电容电压的平衡控制，可以通过使用冗余电压矢量来。如第二状态和第三状态三相并网逆变器输出的电压相同，都为2E_dc/3。但第二状态和第三状态对飞跨电容电压 Ca1和第二飞跨电容Ca2电压的作用效果不一样。则可通过逆变器输出电流方向、第一飞跨电容Ca1的电压和第二飞跨电容Ca2电压来选择合适的电力电子开关状态继续判断。

如图4所示，当嵌套中性点钳位四电平桥臂的输出电流大于0，若第一飞跨电容Ca1的电压V_ca1小于基准电压V_ref，则嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于第二状态，否则嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于第三状态。当嵌套中性点钳位四电平桥臂的输出电流小于0，若第一飞跨电容Ca1的电压V_ca1大于基准电压V_ref，则嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于第二状态，否则嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于第三状态。

3、第二载波Sa2car、第一载波Sa1car、调制波Smod、第三载波Sa3car由高到低排序时，第一电力电子开关管Sa1开通，第二电力电子开关管Sa2和第三电力电子开关管Sa3关断，嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于输出电压为E_dc/3的第四状态，或者第一电力电子开关管Sa1和第二电力电子开关管Sa2关断，第三电力电子开关管Sa3开通，嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于输出电压为E_dc/3的第五状态。

当嵌套中性点钳位四电平桥臂的输出电流大于0，若第二飞跨电容Ca2的电压V_ca2大于基准电压V_ref，则嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于第五状态，否则嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于第四状态。当嵌套中性点钳位四电平桥臂的输出电流小于 0，若第二飞跨电容Ca2的电压V_ca2小于基准电压V_ref，则嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于第五状态，否则嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于第四状态；

4、第二载波Sa2car、第一载波Sa1car、第三载波Sa3car、调制波Smod由高到低排序时，第一电力电子开关管Sa1、第二电力电子开关管Sa2、第三电力电子开关管Sa3均关断，嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2处于输出电压为0的第六状态。

上述嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2及其调制方法，能够实现四电平逆变器有效控制，属于新型逆变器结构和逆变器调制方法在可再生能源发电系统(如光伏发电，风力发电等)中的应用。该嵌套中性点钳位四电平三相并网逆变器2结合二极管钳位型四电平逆变器和飞跨电容型四电平逆变器各自优势，提高了直流侧输入电压和提高了逆变器性(电流纹波、效率、电压变化率等)。所实用新型的调制方法采用载波调制和通过逆变器的冗余矢量相结合来实现逆变器飞跨电容电压平衡，大大简化控制算法。因此，该拓扑和控制方法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实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种四电平三相并网逆变器，与发电装置相连接，其特征在于：所述四电平三相并网逆变器包括分别与三相电信号相连接的三个嵌套中性点钳位四电平桥臂；

每个所述嵌套中性点钳位四电平桥臂包括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、第五电力电子开关管、第六电力电子开关管、第一电力二极管、第二电力二极管、第一飞跨电容和第二飞跨电容；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通过漏极和源极依次串联并连接在所述发电装置的直流母线的正负极之间，所述第一电力二极管的阴极与所述第二电力电子开关管和所述第三电力电子开关管的中点相连接，所述第一电力二极管的阳极与所述第二电力二极管的阴极相连接并构成中性点O，所述第二电力二极管的阳极与所述第四电力电子开关管和所述第五电力电子开关管的中点相连接；所述第一飞跨电容的两端分别与所述第一电力电子开关管和所述第二电力电子开关管的中点、所述中性点O相连接，所述第二飞跨电容的两端分别与所述第五电力电子开关管和所述第六电力电子开关管的中点、所述中性点O相连接，所述第三电力电子开关管和所述第四电力电子开关管的中点构成所述嵌套中性点钳位四电平桥臂的输出端。

2.根据权利要求1所述的四电平三相并网逆变器，其特征在于：所述第一电力电子开关管的漏极与所述直流母线的正极相连接，所述第二电力电子开关管的漏极与所述第一电力电子开关管的源极相连接，所述第三电力电子开关管的漏极与所述第二电力电子开关管的源极相连接，所述第四电力电子开关管的漏极与所述第三电力电子开关管的源极相连接，所述第五电力电子开关管的漏极与所述第四电力电子开关管的源极相连接，所述第六电力电子开关管的漏极与所述第五电力电子开关管的源极相连接，所述第六电力电子开关管的源极与所述直流母线的负极相连接。

3.根据权利要求1所述的四电平三相并网逆变器，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均采用绝缘栅双极型晶体管。

4.一种发电系统，包括发电装置、与所述发电装置相连接的三相并网逆变器、与所述三相并网逆变器相连接的三相滤波器、与所述三相滤波器相连接的电网或负载，其特征在于：所述三相并网逆变器采用如权利要求1至3中任一项所述的四电平三相并网逆变器。

5.根据权利要求4所述的发电系统，其特征在于：所述发电装置为可再生能源发电装置。

6.根据权利要求5所述的发电系统，其特征在于：所述可再生能源发电装置为光伏阵列。