一种单相三电平逆变电路

1.本发明属于逆变电路技术领域，特别是涉及一种单相三电平逆变电路。


背景技术：

2.光伏发电因其分布广泛、清洁无污染、资源丰富，具有良好的发展前景。目前常见的光伏并网逆变器可以分为隔离型并网逆变器和非隔离型并网逆变器两种。隔离型光伏并网逆变器由于存在工频变压器或高频变压器，使整机逆变效率和功率密度降低、成本增加。因此为了在中小功率光伏并网系统中提升整机效率、减小整机体积、降低成本，通常采样非隔离型光伏并网逆变器。
3.然而，非隔离型光伏并网逆变器结构不含变压器，在光伏电池阵列与大地之间的寄生电容、光伏并网逆变器与大地之间形成共模回路，从而产生共模电流(俗称“漏电流”)。高频开关动作导致的高频共模电压施加在寄生电容上，产生高频漏电流会带来传导和辐射干扰、进网电流谐波及损耗增加，甚至危害人员与设备安全。
4.目前，单相非隔离光伏并网逆变器一般采用双极性调制的全桥逆变器、共地型逆变器和半桥逆变器等。然而双极性调制的全桥逆变器输出两电平，需要较大的滤波电感以提升输出电能质量，但这种方法降低了逆变效率并增加了体积；专利cn102088252a公布了一种共地型逆变电路需要较多的功率开关器件，以实现负半周期的传能，并且所有开关均工作在高频状态，对功率开关管的性能要求较高，不利于整机成本的降低；半桥逆变电路的电网中性点电位被钳位至直流电压的一半，输出电压利用率仅50％，不利于中小功率光伏系统中的应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种单相三电平逆变电路，运用在中小功率非隔离型光伏并网逆变系统中，具有多种调节模态，实现无功功率传输能力。
6.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
7.本发明为一种单相三电平逆变电路，包括电路调节模块：
8.电路调节模块包括由第一开关电容c1和第二开关电容c2并联后形成的电容并联电路；
9.网正半周期释放电流：第二开关电容c2串联接入电网，逆变电路输出电压等于第二电容c2的电压，之后使得第一开关电容c1和第二开关电容c2并联后，由第一电容c1为第二电容c2补充能量，此时逆变电路的输出电压为0；电网负半周期续流：导通电路调节模块，逆变电路的输出电压为0，之后使得第一开关电容c1和第二开关电容c2并联后工作，逆变电路的输出电压等于直流输入电压u
pv
的负值。
10.进一步地，电网负半周期续流中：第一开关电容c1和第二开关电容c2并联后工作后，若第一电容c1电压大于或等于第二电容c2时，第一电容c1为第二电容c2充能，第二电容c2的电压值在整个电网周期内始终被限制不大于直流输入电压u
pv
。
11.进一步地，电路调节模块还包括，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3、第四功率开关管s4、第一功率二极管d1；
12.第一电容c1的正极与第一功率二极管d1的阳极和第二功率开关管s2的漏极相连；第一功率二极管d1的阴极与第二电容c2的正极和第三功率开关管s3的漏极相连；第一电容c1的负极与第一功率开关管s1的源极相连；第一功率开关管s1的漏极与第二功率开关管s2的源极、第二电容c2的负极和第四功率开关管s4的源极相连，第四功率开关管s4的漏极、第三功率开关管s3的源极均连接于电路调节模块的输出端口。
13.进一步地，还包括光伏直流电源u
pv
和单相交流配电网ug，光伏直流电源u
pv
的正负两极分别与第一电容c1的正负两极相连；电路调节模块的输出端口连接单相交流配电网ug，交流配电网的另一端连接直流侧光伏直流电源u
pv
的正极。
14.进一步地，交流配电网通过交流滤波电感l1和电路调节模块的输出端口连接。
15.进一步地，交流滤波为电感型滤波器或电容型滤波器和电感-电容组合型滤波器。
16.进一步地，功率二极管d1为肖特基二极管或硅功率开关二极管。
17.进一步地，功率开关为金属-氧化物半导体场效应晶体管。
18.上述单相三电平逆变电路的另一种电路变更：调换第一功率开关管s1分别和第一电容c1、第二功率开关管s2的连接端，第一功率开关管s1的漏极和直流侧光伏直流电源u
pv
的正极相连，调换第一功率二极管d1分别和第二电容c2、第二功率开关管s2的连接端，第一功率二极管d1的直流侧光伏直流电源u
pv
的负极相连。
19.本发明具有以下有益效果：
20.本发明将电网中性点直接与光伏板正极相连，无需额外控制即可消除非隔离型并网逆变系统中的漏电流；同时配电网中性点电位被钳位至输入侧直流电压值，输出电压利用率提升至100％；所构建的逆变电路控制简单，两个高频功率开关互补、两个工频频功率开关互补；第一电容由于与直流电源并联电容电压稳定波动小；第二电容在电网正半周期在开关频率刻度下充放电工作，在电网负半周期增加一个0电平模态，使得在整个电网负半周期内电流不经过第二电容，维持第二电容电压稳定，有利于减小开关电容容值，减少装置成本和提高装置功率密度；所构建的逆变电路还具有无功功率传输能力，适用于在中小功率非隔离型光伏并网逆变系统的应用。
21.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
23.图1为单相三电平逆变电路的结构示意图。
24.图2为单相三电平逆变电路的功率开关管驱动信号示意图；
25.图3为单相三电平逆变电路在电网电压正、负半周的模态示意图；
26.图4为单相三电平逆变电路非单位功率因数工作电网电压正、负半周模态5的示意图
27.图5为单相三电平逆变电路处于三电平输出时的运行波形。
28.图6为单相三电平逆变电路处于三电平输出时的单位功率因数与非单位功率因数下的运行波形。
29.图7为单相三电平逆变电路第二电容电压的波形图。
30.图8为本发明提供的单相三电平逆变电路的结构图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.本发明为一种单相三电平逆变电路，包括电路调节模块：
34.电路调节模块包括由第一开关电容c1和第二开关电容c2并联后形成的电容并联电路；
35.网正半周期释放电流：第二开关电容c2串联接入电网，逆变电路输出电压等于第二电容c2的电压，之后使得第一开关电容c1和第二开关电容c2并联后，由第一电容c1为第二电容c2补充能量，此时逆变电路的输出电压为0；电网负半周期续流：导通电路调节模块，逆变电路的输出电压为0，之后使得第一开关电容c1和第二开关电容c2并联后工作，逆变电路的输出电压等于直流输入电压的负值。
36.进一步地，电网负半周期续流中：第一开关电容c1和第二开关电容c2并联后工作后，若第一电容c1电压大于或等于第二电容c2时，第一电容c1为第二电容c2充能，第二电容c2的电压值在整个电网周期内始终被限制不大于直流输入电压。
37.其中，具体的，单相三电平逆变电路包括：光伏直流电源u
pv
、第一电容c1、第二电容c2、第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3、第四功率开关管s4、第一功率二极管d1、交流滤波电感l1和单相交流配电网ug。
38.光伏直流电源u
pv
的正负两极分别与第一电容c1的正负两极相连；第一电容c1的正极与第一功率二极管d1的阳极和第二功率开关管s2的漏极相连；第一功率二极管d1的阴极与第二电容c2的正极和第三功率开关管s3的漏极相连；第一电容c1的负极与第一功率开关管s1的源极相连；第一功率开关管s1的漏极与第二功率开关管s2的源极、第二电容c2的负极和第四功率开关管s4的源极相连；第四功率开关管s4的漏极与第三功率开关管s3的源极和逆变器输出端口a相连；逆变器输出端口a与交流滤波电感l1的左端相连；交流滤波电感l1的右端与交流配电网的一端相连；交流配电网的另一端连接逆变器输出端口b即与直流侧光伏直流电源u
pv
的正极相连。
39.图2所示为单相三电平逆变电路功率开关管驱动信号示意图，其中调制波vm为工频为50hz，v
tri
为高频三角载波信号。vm与v
tri
调制产生s1、s2、s3、s4的驱动信号，其中，功率开
关s1与s2为互补的高频开关，s3与s4是互补的工频开关，通过控制功率开关管的切换方式，使电路完成电平转换。
40.图3所示为本发明逆变电路在单位功率因数工作模态图，其中，图3a、图3b为电网电压正半周的工作模态图，图3a为模态1的示意图，图3b为模态2的示意图；图3c、图3d为电网电压负半周的工作模态图，图3c为模态3的示意图，图3d为模态4的示意图。
41.模态1如图3a所示，为电网正半周期能量传递模态，开通第二功率开关管s2、第三功率开关管s3，第一功率开关管s1、第四功率开关管s4断开，使第二电容c2串联接入电网放电，此时本发明单相三电平逆变电路的输出电压等于第二电容c2的电压。
42.模态2如图3b所示，为电网正半周期续流及对第二电容c2的充能模态，开通第一功率开关管s1、第三功率开关管s3，第二功率开关管s2、第四功率开关管s4断开，由于模态1下的第二电容c2独立为电网供电，导致第二电容c2的电压小于第一电容c1的电压，此时第一功率二极管d1阳极电位高于第一功率二极管d1阴极电位，二极管d1导通，使得第一电容c1为第二电容c2充能第二电容c2电压等于直流电压u
pv
，进网电流流过第一功率二极管d1和第三功率开关管s3和交流滤波电感l1回到电网，如此，单相三电平逆变电路的输出电压等于0。
43.模态3如图3c所示，为电网负半周期续流模态，开通第二功率开关管s2、第四功率开关管s4，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3断开，此时，该逆变器输出的a、b点电位相等，第二电容c2不参与充放电两端电压保持不变，如此，单相三电平逆变电路的输出电压等于0。
44.模态4如图3d所示，为电网负半周期能量传递及第二电容c2充能模态，开通第一功率开关管s1、第四功率开关管s4，第二功率开关管s2、第三功率开关管s3断开，由第一电容c1为电网提供反向电压，如此，单相三电平逆变电路的输出电压等于直流输入电压的负值。同时若第一电容c1电压小于第二电容c2，可由第一电容c1为第二电容c2补充能量；若第一电容c1电压大于或等于第二电容c2时，第一功率二极管d1的阴极电位高于阳极电位而截止，第二电容c2充能结束，因此第二电容c2的电压值在整个电网周期内始终被限制不大于直流输入电压。
45.该发明逆变器输出0电平下存在模态2和模态3两种开关模态，其中模态2在电网正半周期的0电平模态下输入直流侧电源为开关电容c2充电，补充了在电网正半周期模态1传能模态下开关电容c2放电损失的电能，使得开关电容c2工作在开关频率；在电网负半周期由于开关电容c2无放电过程，若在电网负半周期的0电平下为开关电容c2充电，电网电流将由开关电容c2正极流向负极，使得开关电容c2电压在电网负半周期持续上升，造成输出三电平劣化，因此在电网负半周期增加一个0电平模态3，保证在整个电网负半周期下电流不经过开关电容c2，维持了开关电容c2电压稳定。
46.图4所示为本发明逆变电路在非单位功率因数工作模态图，其中，图4a、图4b为电网电压正半周的工作模态图，图4a为模态5的示意图，图4b为模态6的示意图；图4c、图4d为电网电压负半周的工作模态图，图4c为模态7的示意图，图4d为模态8的示意图。
47.模态5如图4a所示，电网电压为正、进网电流为负，功率开关管的开关状态与模态1相同，单相三电平逆变电路的输出电压等于第二电容c2的电压。
48.模态6如图4b所示，电网电压为正、进网电流为负，功率开关管的开关状态与模态2相同，进网电流流过交流滤波电感l1、第二电容c2、第一功率开关管s1和第一电容c1后流回
电网，由于第一电容c1和第二电容c2上的电压相等，因此单相三电平逆变电路的输出电压等于0。
49.模态7如图4c所示，电网电压为负、进网电流为正，功率开关管的开关状态与模态3相同，单相三电平逆变电路的输出电压等于0。
50.模态8如图4d所示，电网电压为负、进网电流为正，功率开关管的开关状态与模态4相同，单相三电平逆变电路的输出电压等于输入电压的负值。
51.图5为本发明提供的一种单相三电平逆变电路处于三电平输出时的运行波形，其中，图5a为该逆变器输出的u
ab
的波形图，u
ab
的峰值电压与光伏直流电源电压u
pv
和第二电容c2电压一致为400v；图5b为电网电压ug的波形图，ug的峰值电压为311v，频率为工频50hz。
52.图6为本发明提供的一种单相三电平逆变电路处于三电平输出时的单位功率因数与非单位功率因数下的运行波形，其中，图6a为单位功率因数下的运行波形，电网电压ug与进网电流ig同相位，进网电流ig峰值为6.43a；图6b为电网电流超前电压20
°
时的运行波形，图6c为电网电流滞后电压20
°
时的运行波形。因此，单相三电平逆变电路具有向电网传输无功功率的能力。
53.图7为本发明提供的一种单相三电平逆变电路第二电容电压的波形，可以看出，当第二电容c2容值为0.1mf，在40khz的开关频率下时，第二电容c2的电压被稳定在400v，仅在电网正半周期的开关频率刻度下波动。
54.本实施例的功率开关s
1-s4可为金属-氧化物半导体场效应晶体管或其它全控型器件。本实施例的功率二极管d1可为肖特基二极管或硅功率开关二极管等。
55.图8为本发明提供的一种单相三电平逆变电路的实施例二，在实施例二将电网中性点与输入直流电源负极相连形成共地结构，此时开关电容在电网负半周期内为电网供能，在电网正半周期内由直流电源为电网供能，利用四个模态控制各个开关管可实现开关电容电压在单位功率因数下的全电网周期内不大于输入直流电压，仅在电网负半周期下开关电容存在开关频率刻度的充放电波动，为电网高质量供能。是图1中电路的变形：调换第一功率开关管s1分别和第一电容c1、第二功率开关管s2的连接端，第一功率开关管s1的漏极和直流侧光伏直流电源u
pv
的正极相连，调换第一功率二极管d1分别和第二电容c2、第二功率开关管s2的连接端，第一功率二极管d1的直流侧光伏直流电源u
pv
的负极相连。
56.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
57.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。