CN211377897U - 一种多电平升压电路、逆变装置、光伏发电装置和光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多电平升压电路、逆变装置、光伏发电装置和光伏发电系统，其在输出节点和第一二极管、第二二极管的公共点间设有TVS管，并通过配合其他辅助器件，不仅能够解决低输入电压情况下第二二极管的击穿问题，使得相关器件的选型较为容易，成本较低，并且该电路在增加相应器件后，正常的升压过程不受影响，输出端电压易受控制，同时还降低了在操作输入端时发生电击事故的概率。

Description

一种多电平升压电路、逆变装置、光伏发电装置和光伏发电 系统

技术领域

本实用新型涉及电路升压技术领域，更具体来讲，涉及一种多电平升压电路、逆变装置、光伏发电装置和光伏发电系统。

背景技术

光伏发电系统的输入电压在逐步提升，目前已提升到1500V，考虑到成本及其他因素，光伏逆变器的前级升压电路通常由两电平改为三电平电路。目前，如图1所示出的飞跨电容型三电平升压电路，当其应用于光伏发电领域并形成集散式光伏发电系统时，可能存在由于其他并联的升压电路已经上电从而建立了母线电压的情况。在该情况下，当图1示出的光伏组件PV还未接入该升压电路的输入端或光伏组件PV的电压较低时，即低输入电压情况，输入电压低于该升压电路的启动电压，母线电压将反作用于该升压电路，导致第二二极管D2基本要承受全部母线电压，容易导致其损坏，进而具有选型困难或成本偏高的问题。

为了解决该问题，一种现有技术在图1的基础上，通过在输出母线中点NE和第二二极管的阳极间设置一二极管，从而将半母线电压加载到第二二极管的阳极，使其在上述低输入电压情况下只需承受半母线电压，在其耐压值不高时也不易被击穿。

但在上述方案的升压电路在正常工作时，当下臂开关管Q2导通且飞跨电容处于充电周期时，半母线电压会通过该二极管为飞跨电容充电，会导致输出电容不均压，存在偏压风险，并且瞬间突变的充电电流会导致该二极管容易损坏，由于存在该非正常的充电回路，也会使飞跨电容的电压偏离设定值，难以控制。因而，上述方案尽管在低输入电压这一特殊情况能够解决相应问题，但新增器件仍然会对主要器件的正常工作产生影响，使得升压电路的输出难以控制。

此外，上述方案还存在以下问题，在低输入电压情况下，半母线电压会通过该二极管、飞跨电容C1、开关管Q1的体二极管传递至输入端，由于半母线电压可能高达750V，使得操作人员在操作输入端时可能发生电击事故。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述技术问题，提供一种多电平升压电路、逆变装置、光伏发电装置和光伏发电系统，其能够解决低输入电压情况下第二二极管易被击穿的问题，且不影响电路的正常工作，母线电压易受控制，并能够降低在操作输入端时发生电击事故的概率。

为实现上述目的，本实用新型的提供一种多电平升压电路，其具有第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端，并包括电感、第一可控开关、第二可控开关、第一电容、第一二极管、第二二极管以及输出电容组；其还包括第一TVS管和第三二极管；

所述第一可控开关和第二可控开关正向串接后构成第一支路；所述第一二极管和第二二极管正向串接后构成第二支路；所述第一电容构成第三支路；所述第一TVS管和第三二极管串接后构成第四支路；

所述输出电容组连接所述第一输出端和第二输出端，其包含至少两个串接的输出电容，以构成至少一个被配置为各输出电容间公共点的输出节点；

所述第一输入端通过所述电感连接第一可控开关的第一端和第一二极管的阳极，所述第二输入端连接第二可控开关的第二端和第二输出端；所述第二二极管的阴极连接第一输出端；

所述第一电容的一端连接第一二极管和第二二极管的公共点，其另一端连接第一可控开关和第二可控开关的公共点；所述第一TVS管的负极连接一输出节点，所述第三二极管的阴极连接第一二极管和第二二极管的公共点。

在某一实施例中：所述第四支路还设有限流电阻，其串接于所述第一TVS管和第三二极管。

在某一实施例中：所述输出电容组包含两个容值相同的输出电容。

为实现上述目的，本实用新型的第二方面提供了一种逆变装置，其包括后级逆变电路和前级电路；所述前级电路采用如上述技术方案中任一项所提供的多电平升压电路；

所述多电平升压电路用于将由其输入端输入的电压升压后从所述输出端输出；

所述逆变电路的输入端耦合该多电平升压电路的输出端，用以将其输出的直流电逆变为交流电。

为实现上述目的，本实用新型的第三方面提供了一种光伏发电装置，其包括光伏组件、前级电路和后级电路；所述前级电路采用如上述技术方案中任一项所提供的多电平升压电路；

所述光伏组件与多电平升压电路一一对应且与其输入端耦合；所述多电平升压电路用于将光伏组件的输出电压升压后由其输出端输出至后级电路。

为实现上述目的，本实用新型的第四方面提供了一种光伏发电系统，其特征在于：包括至少两个如上述技术方案所提供的光伏发电装置；其中，若干个光伏发电装置的前级电路的输出端并联后连接至后级电路。

相较于现有技术，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型实施例的多电平升压电路，第四支路具有第一TVS管，在低输入电压情况下，通过将第一TVS管的钳位电压参数选择在合适值使其可反向导通，使得第四支路可以由输出节点向第二二极管阳极导通并将其阳极电压钳位于某一合适的电压值，进而使得第二二极管两端所承受的电压低于所选耐压值，因而在常规成本下仍然能够保证第二二极管不被击穿，方便其低成本选型；

(2)本实用新型实施例的多电平升压电路，在正常工作时，由于存在第一TVS管，输出节点电压需比第二二极管阳极电压高出第一TVS管的钳位电压才能使第四支路由输出节点向第二二极管阳极导通；但由于在正常工作时，第一电容处于周期性充放电过程，使得第二二极管阳极电压一般在所连接的输出节点电压附近波动，其仅在第一电容放电后的电压值会稍低于该输出节点电压，因而只要将第一TVS管的钳位电压选择在合适值，输出节点电压便不能传递至第二二极管阳极，也就不会在第二二极管阳极电压稍低于其时通过第二二极管阳极对第一电容进行充电，从而使得输出电容不会因为第四支路的引入而产生不均压的问题；

(3)本实用新型实施例的多电平升压电路，由于正常工作时，第二二极管阳极电压可能会高于输出节点电压，因而第四支路所设的第三二极管还起到截止第四支路在该情况下第二二极管阳极电压传递至输出节点的作用，从而进一步地保证升压电路正常工作时输出电容能够均压；

(4)本实用新型实施例的多电平升压电路，由于第一TVS管在反向工作时能够分压，因而输出节点电压在通过该第一TVS管后会产生与其钳位电压相应的压降，使得第二二极管阳极电压能够被控制在低于输出节点电压的水平，这为解决输入端的电击事故提供了低电压环境；通过在第四支路上加设限流电阻，将电流限制在安全范围，降低输入端发生电击事故的概率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是常规的飞跨电容型三电平升压电路结构图；

图2是本实用新型实施例1的三电平升压电路结构图；

图3是本实用新型实施例2的三电平升压电路结构图；

图4是本实用新型实施例3的逆变装置的结构示意图；

图5是本实用新型实施例4的光伏发电装置的结构示意图；

图6是本实用新型实施例5的光伏发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的优选实施例，且不应被看作对其他实施例的排除。基于本实用新型实施例，本领域的普通技术人员在不作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本实用新型的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。

实施例1

参照图2，本实用新型实施例1提供了一种三电平升压电路，具有输入端和输出端。所述输入端包括第一输入端、第二输入端，所述输出端包括第一输出端、第二输出端。

通常来说，本实施例的升压电路可用于各类应用场景，因而其输入端可与各类电源输入装置耦合，以从其接收电源输入。在本实用新型的各实施例中，均以光伏发电领域的应用场景为例介绍，因而升压电路的输入端耦合光伏组件PV1，其将光能转化为直流电能后输入升压电路，通过将其升压以对光能进行有效利用。光伏组件PV1的正极连接所述第一输入端，其负极连接所述第二输入端。其他实施例中，将光伏组件的正负极与升压电路的输入关系调换也是可行的。

此外，本实用新型的第一输出端和第二输出端之间设有输出电容组，其包含至少两个串接的输出电容(C2和C3)，以使第一输出端和第二输出端间构成至少一个输出节点，其被配置为各输出电容间的公共点。本实用新型的各实施例及相应附图中，均以三电平升压电路为例介绍，其输出电容组包含两个容值相同的输出电容，使得所述输出节点的电压为第一输出端和第二输出端电压的中间值。其他实施例中，输出电容组也可以包含更多的输出电容，以形成多电平升压电路，为了相应地实现本实用新型的目的，只需适应性地调整本实用新型相应器件的参数即可。值得说明的是，本实用新型实施例的三电平升压电路应用于光伏发电领域时，通常将输出端称为母线，各输出电容称为母线电容，而所述输出节点也相应地称为母线中点。

应当理解的是，本实用新型不限于上述光伏发电领域的应用场景，因此输入端和输出端的耦合形式不局限于本文中各具体实施例的形式。

实施例1的具体结构中，所述升压电路还包括以下器件：电感L1、第一可控开关Q1、第二可控开关Q2、第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一TVS管TVS1和第三二极管D3。

所述电感L1用于在工作周期中进行储存电能和释放电能的循环，以将输入端的电压升压后输出至输出端。此外，在本实用新型实施例1中，除电感L1外的其他各器件对应连接后构成以下的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路。

所述第一可控开关Q1和第二可控开关Q2正向串接后构成第一支路，其中，所述第一可控开关Q1的第一端和第二可控开关Q2的第二端分别构成第一支路的第一端和第二端。本实施例中，所述第一可控开关Q1和第二可控开关Q2可采用三极管、场效应管或IGBT。当其采用三极管时，所述第一可控开关Q1和第二可控开关Q2的第一端为集电极，第二端为发射极；当其采用场效应管时，所述第一可控开关Q1和第二可控开关Q2的第一端为漏极，第二端为源极；当其采用IGBT时，所述第一可控开关Q1和第二可控开关Q2的第一端为集电极，第二端为发射极。

所述第一二极管D1和第二二极管D2正向串接后构成第二支路，其中，所述第一二极管 D1的阳极和第二二极管D2的阴极分别构成第二支路的第一端和第二端。

所述第一电容C1构成第三支路，其两端分别构成该第三支路的第一端和第二端。

所述第一TVS管TVS1和第三二极管D3串接后构成第四支路，第三二极管D3的阴极和第一TVS管TVS1的负极分别构成该第四支路的第一端和第二端。

以下介绍实施例1的升压电路中各支路的具体连接关系：

所述第一输入端通过所述电感L1连接第一支路和第二支路的第一端，所述第二输入端连接第一支路的第二端和第二输出端，所述第二支路的第二端连接第一输出端。

所述第三支路的第一端连接第二支路中第一二极管D1和第二二极管D2的公共点，其第二端连接第一支路中第一可控开关Q1和第二可控开关Q2的公共点。所述第四支路的第一端连接第二支路中第一二极管D1和第二二极管D2的公共点，其第二端连接所述母线中点NE。

通过上述连接以形成本实施例的升压电路后，各支路主要实现如下作用。

包含可控开关的第一支路，用于在正常工作时控制升压电路中各回路的通断，使所述电感L1对应地处于储存电能和释放电能的状态，从而完成升压过程。本实施例中，所述第一可控开关Q1和第二可控开关Q2为各类晶体管，以通过电子信号快速且方便地控制其通断。

第二支路的第一端和第二端分别指向输入端和输出端，且其内两个二极管的公共点连接具有电容器件的所述第三支路，用以在相应的器件间形成电流的单向导通特性，防止电能反窜回输入端，造成电能损失。

第三支路中的第一电容C1作为飞跨电容，用于在正常工作时储存和释放电能，同样起到对输入电压升压的作用。正常工作时，由于第一电容C1的容量选择，其电压值基本上保持在半母线电压附近，但由于其存在充放电过程，因而其电压值仍会有所波动。

第四支路则用于在所述低输入电压情况下对第二二极管D2阳极电压进行钳位，防止其被击穿。同时，其所采用的TVS管还可以保证该第四支路不参与电路正常工作时的电能消耗，下文将详述其工作原理。

由于本实用新型的升压电路在正常工作时，其对输入电压升压的具体工作过程和原理已为本领域技术人员的公知常识，本实用新型便不再赘述。以下具体介绍其如何在所述低输入电压情况下防止第二二极管D2被击穿，并使得升压电路在正常工作时母线电容能够均压。

在所述低输入电压情况下，通过将第一TVS管TVS1的钳位电压参数选择在合适值使其可反向导通，即第四支路可以由母线中点NE向C点导通并将C点电压钳位于某一合适电压值，进而使得第二二极管D2两端所承受的电压低于其所选耐压值，因而在常规成本下仍然能够保证第二二极管D2不被击穿，方便其低成本选型。

由于在输入电压达到1500V的情况下，第二二极管D2的耐压值一般选为1200V，因而在本实施例中，第一TVS管TVS1的钳位电压一般选择在300V左右。当母线电压为1500V时，母线中点电压为750V，那么C点电压大约在450V，第二二极管D2两端的压差在1050V左右，因而在常规成本下，其仍然能够保证第二二极管D2不被击穿，方便其低成本选型。显然在该情况下，第一TVS管TVS1的钳位电压不能高于450V，否则便不能实现在第二二极管D2耐压值选择为1200V时，通过第四支路在所述低输入电压情况下对其进行保护的作用。

此外，由于第一TVS管TVS1在反向工作时能够分压，因而母线中点电压在通过该第一 TVS管TVS1后会产生与其钳位电压相应的压降，使得C点电压能够被控制在低于母线中点电压的水平，这为解决输入端的电击事故提供了低电压环境。

而在正常工作时，由于存在第一TVS管TVS1，母线中点电压需比C点电压高出第一TVS 管TVS1的钳位电压才能使第四支路由母线中点NE向C点导通。但是在正常工作时，第一电容C1处于周期性充放电过程，使得C点电压一般在半母线电压至母线电压间波动，其在第一电容C1放电后的电压值会稍低于半母线电压。因而，在正常工作时，只要将第一TVS管TVS1 的钳位电压选择在合适值，母线中点电压便不能传递至C点，也就不会在C点电压稍低于其时通过C点对第一电容C1进行充电，从而使得母线电容不会因为第四支路的引入而产生不均压的问题。本实施例中，第一TVS管TVS1的钳位电压一般选择在300V左右，其符合正常工作时第一TVS管TVS1截止母线中点电压传递至C点的要求。

值得说明的是，由于正常工作时，C点电压可能会高于母线中点电压，因而本实施例中的第三二极管D3还起到截止第四支路在该情况下C点电压传递至母线中点NE的作用，从而进一步地保证升压电路正常工作时母线电容能够均压。

实施例2

参照图3，实施例2在实施例1的基础上对其改进。实施例1虽然在低输入电压情况下降低了C点电压，使其大约稳定在450V左右，从而在C点提供了低电压环境，但该C点电压仍然会通过第一电容C1、第一可控开关Q1的体二极管传递至输入端，若输入端的电阻不够大，仍然可能发生电击事故。

为使输入端的操作更加安全，实施例2的第四支路上还设有限流电阻R1，其串接于第三二极管D3和第一TVS管TVS1，以将电流限制在安全范围，降低输入端发生电击事故的概率。

实施例3-5

以下通过实施例3-5介绍上述多电平升压电路的具体应用，当然，其具体的应用场景并不限于这些实施例。

参照图4，本实用新型实施例3提供了一种逆变装置，其包括前级电路和后级逆变电路。所述前级电路采用上述技术方案所述的多电平升压电路。

所述多电平升压电路用于将由其输入端输入的电压升压后从所述输出端输出，所述逆变电路的输入端耦合该多电平升压电路的输出端，用以将其输出的直流电逆变为交流电。

参照图5，本实用新型实施例4提供了一种光伏发电装置，其包括光伏组件PV、前级电路和后级电路；所述前级电路采用如上述技术方案所述的多电平升压电路。

所述光伏组件PV与多电平升压电路一一对应且与其输入端耦合；所述升压电路用于将光伏组件PV的输出电压升压后由其输出端输出至后级电路。

参照图6，本实用新型实施例5提供了一种光伏发电系统，包括至少两个如实施例4所提供的光伏发电装置；其中，若干个光伏发电装置的前级电路的输出端并联后连接至后级电路，从而构成集散式光伏发电系统。

实施例3-5的装置和系统，由于采用了前述实施例的多电平升压电路，因而其继承了该升压电路的全部优势。

上述说明书和实施例的描述，用于解释本实用新型保护范围，但并不构成对本实用新型保护范围的限定。通过本实用新型或上述实施例的启示，本领域普通技术人员结合公知常识、本领域的普通技术知识和/或现有技术，通过合乎逻辑的分析、推理或有限的试验可以得到的对本实用新型实施例或其中一部分技术特征的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多电平升压电路，其具有第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端，并包括电感、第一可控开关、第二可控开关、第一电容、第一二极管、第二二极管以及输出电容组；其特征在于：还包括第一TVS管和第三二极管；

所述第一可控开关和第二可控开关正向串接后构成第一支路；所述第一二极管和第二二极管正向串接后构成第二支路；所述第一电容构成第三支路；所述第一TVS管和第三二极管串接后构成第四支路；

所述输出电容组连接所述第一输出端和第二输出端，其包含至少两个串接的输出电容，以构成至少一个被配置为各输出电容间公共点的输出节点；

所述第一输入端通过所述电感连接第一可控开关的第一端和第一二极管的阳极，所述第二输入端连接第二可控开关的第二端和第二输出端；所述第二二极管的阴极连接第一输出端；

所述第一电容的一端连接第一二极管和第二二极管的公共点，其另一端连接第一可控开关和第二可控开关的公共点；所述第一TVS管的负极连接一输出节点，所述第三二极管的阴极连接第一二极管和第二二极管的公共点。

2.如权利要求1所述的多电平升压电路，其特征在于：所述第四支路还设有限流电阻，其串接于所述第一TVS管和第三二极管。

3.如权利要求1-2中任一项所述的多电平升压电路，其特征在于：所述输出电容组包含两个容值相同的输出电容。

4.一种逆变装置，其特征在于：包括后级逆变电路和前级电路；所述前级电路采用如权利要求1-3中任一项所述的多电平升压电路；

所述多电平升压电路用于将由其输入端输入的电压升压后从其输出端输出；

所述逆变电路的输入端耦合该多电平升压电路的输出端，用以将其输出的直流电逆变为交流电。

5.一种光伏发电装置，其特征在于：包括光伏组件、前级电路和后级电路；所述前级电路采用如权利要求1-3中任一项所述的多电平升压电路；

所述光伏组件与多电平升压电路一一对应且与其输入端耦合；所述多电平升压电路用于将光伏组件的输出电压升压后由其输出端输出至后级电路。

6.一种光伏发电系统，其特征在于：包括至少两个如权利要求5所述的光伏发电装置；其中，若干个光伏发电装置的前级电路的输出端并联后连接至后级电路。

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