一种五电平并网逆变结构、逆变器和光伏电源系统

1.本发明涉及逆变电路拓扑领域，具体涉及一种五电平并网逆变结构、逆变器和光伏电源系统。


背景技术：

2.太阳能是清洁可再生能源中非常重要的组成部分，而分布式光伏发电作为电网的重要组成部分也发挥着越来越大的作用。但是，光伏板与地面之间存在较大的寄生电容，产生的共模漏电流较大，不仅会降低系统效率，还可能影响人员与设备的安全。将电网中性点直接连接到输入电压正极或者负极的共地型结构，可以将寄生电容短路，可以完全消除漏电流。由于光伏板的输出电压需要通过逆变电路来与电网的峰值电压匹配；此外，通过增加输出电压等级的数量来提高电能质量已成为非隔离型逆变电路的另一项主要措施，这样有助于集成更小尺寸的交流滤波器。所以，逆变电路输出电压的降压特性和产生的漏电流是目前非隔离型逆变电路的两个主要缺点。此外，逆变电路输出电压为三电平时则需要配置一个较大的交流滤波器，以改善注入的电网电流的电能质量。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提出了一种五电平并网逆变结构、逆变器和光伏电源系统。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
5.一种五电平并网逆变结构，其特征在于，包括：逆变网络和交流滤波器；
6.所述逆变网络的输入端与直流源的正极相连；所述逆变网络的输出端与所述交流滤波器的输入端相连；所述交流滤波器的输出端与外部交流源的一端相连，所述外部交流源的另一端接地；所述直流源的负极、所述逆变网络的接地端和所述交流滤波器的接地端均接地；
7.所述逆变网络包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管、第八功率开关管、第九功率开关管、第一电容和第二电容；
8.所述第一功率开关管的漏极与所述第二功率开关管的漏极相连；所述第一功率开关管的源极、所述第五功率开关管的漏极与所述第一电容的正极相连；所述第二功率开关管的源极、所述第三功率开关管的漏极、所述第四功率开关管的源极与所述第一电容的负极相连；
9.所述第五功率开关管的源极、第六功率开关管的漏极与所述第七功率开关管的漏极相连；所述第四功率开关管的漏极与所述第二电容的正极相连；所述第八功率开关管的源极、所述第九功率开关管与所述第二电容的负极相连；所述第六功率开关管的源极与所述第八功率开关管的漏极相连；
10.所述第一功率开关管的漏极为所述逆变网络的输入端与直流源正极相连；所述第
六功率开关管的源极、所述第八功率开关管的漏极均为所述逆变网络的输出端；所述第三功率开关管的源极、所述第七功率开关管的源极和所述第九功率开关管的漏极均为逆变网络的接地端与直流源负极相连。
11.进一步地，所述第二功率开关管、所述第四功率开关管、所述第五功率开关管、所述第六功率开关管、所述第七功率开关管、所述第八功率开关管和所述第九功率开关管均是由功率晶体管和反并二极管组成，所述功率晶体管的漏极或集电极与所述反并二极管的阴极相连构成功率开关管的漏极，所述功率晶体管的源极或发射极与所述反并二极管的阳极相连构成功率开关管的源极。
12.进一步地，所述第一功率开关管和所述第三功率开关管是由不含有反并二极管的功率开关管或含有反并二极管的功率开关管的源极与功率开关管的阳极相连的串联结构。
13.进一步地，所述交流滤波器包括滤波电感和滤波电容，所述滤波电感的一端为交流滤波网络的输入端，所述滤波电感的另一端与所述滤波电容的正极相连，所述滤波电感与所述滤波电容的相连点为所述交流滤波器的输出端，所述滤波电容的负极为所述交流滤波器的接地端。
14.进一步地，所述逆变网络的功率开关管的驱动信号是由调制波和高频载波调制生成的，所述调制波为50hz的工频，所述载波的频率为100khz。
15.进一步地，所述五电平并网逆变结构包括以下工作模态：
16.模态一：所述逆变网络的输出电压等于所述直流源，所述第一功率开关管、所述第三功率开关管、所述第五功率开关管和所述第六功率开关管开通；所述第二功率开关管、所述第四功率开关管、所述第七功率开关管、所述第八功率开关管和所述第九功率开关管断开；
17.模态二：所述逆变网络的输出电压等于两倍的所述直流源，所述第二功率开关管、所述第四功率开关管、所述第五功率开关管、所述第六功率开关管和所述第九功率开关管开通；所述第一功率开关管、所述第三功率开关管、所述第七功率开关管和所述第八功率开关管断开；
18.模态三：所述逆变网络的输出电压等于0，所述第一功率开关管、所述第三功率开关管、所述第八功率开关管和所述第九功率开关管开通；所述第二功率开关管、所述第四功率开关管、所述第五功率开关管、所述第六功率开关管和所述第七功率开关管断开；
19.模态四：所述逆变网络的输出电压等于0；所述第二功率开关管、所述第四功率开关管、所述第八功率开关管和所述第九功率开关管开通；所述第一功率开关管、所述第三功率开关管、所述第五功率开关管、所述第六功率开关管和所述第七功率开关管断开；
20.模态五：所述逆变网络的输出电压等于负一倍的所述直流源；所述第一功率开关管、所述第三功率开关管、所述第四功率开关管和所述第八功率开关管开通；所述第二功率开关管、所述第五功率开关管、所述第六功率开关管、所述第七功率开关管和所述第九功率开关管断开；
21.模态六：逆变网络的输出电压等于二倍的所述直流源；所述第四功率开关管、所述第五功率开关管、所述第七功率开关管和所述第八功率开关管开通；所述第一功率开关管、所述第二功率开关管、所述第三功率开关管、所述第六功率开关管和所述第九功率开关管断开。
22.本发明还提供一种逆变器，包括如上述任一项所述的五电平并网逆变结构。
23.本发明还提供一种光伏电源系统，包括：
24.光电装置，所述光电装置作为直流电源，用于输出直流电压；
25.交流配电网；
26.如上所述的逆变器，所述逆变器的输入端与所述光电装置相连，所述逆变器的输出端与所述交流交流配电网相连，所述逆变器用于将所述直流电压转换成交流电压输出至所述交流交流配电网。
27.本发明的有益效果：
28.本发明逆变电路通过共地型结构使光伏板与地之间的寄生电容上的电压被钳位在0，可以完全消除非隔离型并网逆变系统中的漏电流；本发明逆变电路可输出五电平电压，减小交流滤波器体积、并网电流谐波，并实现升压功能；本发明逆变电路具有向电网输送无功功率的能力，适用于中小功率非隔离型光伏并网逆变系统应用。
附图说明
29.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
30.图1为本发明逆变电路的结构示意图；
31.图2为本发明逆变电路的功率开关管驱动信号示意图；
32.图3为本发明逆变电路模态一示意图；
33.图4为本发明逆变电路模态二示意图；
34.图5为本发明逆变电路模态三示意图；
35.图6为本发明逆变电路模态四示意图；
36.图7为本发明逆变电路模态五示意图；
37.图8为本发明逆变电路模态六示意图；
38.图9为本发明逆变电路的v
in
与v
ab
的波形图；
39.图10为本发明逆变电路的电容电压的波形；
40.图11为本发明逆变电路的单位功率因数下的运行波形；
41.图12为本发明逆变电路的非单位功率因数下进网电流超前时的运行波形；
42.图13为本发明逆变电路的非单位功率因数下进网电流滞后时的运行波形。
具体实施方式
43.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。
44.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。
45.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。
46.一种单相共地型五电平逆变电路，逆变电路包括直流源、逆变网络、交流滤波器以及外部交流源，如图1所示，直流源的正极与逆变网络的输入端相连，逆变网络的输出端与交流滤波器的输入端相连，交流滤波器的输出端与外部交流源的一端相连，外部交流源的另一端接地，直流源的负极、逆变网络的接地端和交流滤波器的接地端均接地，直流源为电压v
in
，外部交流源两端的电压为电网电压ug，外部交流源上的电流为进网电流ig。
47.逆变网络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、第五功率开关管s5、第六功率开关管s6、第七功率开关管s7、第八功率开关管s8、第九功率开关管s9、第一电容c1、第二电容c2。
48.第二功率开关管s2、第四功率开关管s4、第五功率开关管s5、第六功率开关管s6、第七功率开关管s7、第八功率开关管s8、第九功率开关管s9均是由功率晶体管和反并二极管组成，功率晶体管的漏极或集电极与反并二极管的阴极相连构成功率开关管的漏极，功率晶体管的源极或发射极与反并二极管的阳极相连构成功率开关管的源极。
49.第一功率开关管s1和第三功率开关管s3是不含有反并二极管的功率开关管或者含有反并二极管的功率开关管的源极与功率开关管的阳极相连的串联结构。
50.第一功率开关管s1的漏极与第二功率开关管s2的漏极相连，第一功率开关管s1的源极、第五功率开关管s5的漏极与第一电容c1的正极相连，第二功率开关管s2的源极、第三功率开关管s3的漏极、第四功率开关管s4的源极与第一电容c1的负极相连；
51.第五功率开关管s5的源极、第六功率开关管s6的漏极与第七功率开关管s7的漏极相连，第四功率开关管s4的漏极与第二电容c2的正极相连，第八功率开关管s8的源极、第九功率开关管s9与第二电容c2的负极相连，第六功率开关管s6的源极与第八功率开关管s8的漏极相连；
52.第一功率开关管s1的漏极为逆变网络的输入端与直流源v
in
正极相连，第六功率开关管s6的源极、第八功率开关管s8的漏极均为逆变网络的输出端，第三功率开关管s3的源极、第七功率开关管s7的源极和第九功率开关管s9的漏极均为逆变网络的接地端与直流源v
in
负极相连。
53.交流滤波器包括滤波电感lf和滤波电容cf，滤波电感lf的一端为交流滤波网络的输入端，另一端与滤波电容cf的正极相连，滤波电感lf与滤波电容cf的相连的点连接交流滤波器的输出端，滤波电容cf的负极为交流滤波器的接地端。
54.单相共地型五电平逆变电路的功率开关管驱动信号是由调制波um和载波v
tri
比较生成的，调制波um为工频，频率为50hz；载波v
tri
为100khz，；二者调制产生驱动信号来控制功率开关管的切换方式，来完成逆变网络的状态切换，实现直流源与外部交流源的能量交换；
55.本发明逆变电路在开关频率刻度的工作模态包括模态一、模态二、模态三、模态四、模态五和模态六，如图2所示，模态一为t
3-t4时段的工作模态，模态二为t
4-t5时段的工作模态，模态三为t
1-t2时段的单位功率因数工作模态，模态四为t
6-t7时段的工作模态，模
态五为t
8-t9时段的单位功率因数工作模态，模态六为t
9-t
10
时段的单位功率因数工作模态。
56.模态一的逆变网络的输出电压等于直流源为v
in
，如图3所示，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3、第五功率开关管s5和第六功率开关管s6开通，第二功率开关管s2、第四功率开关管s4、第七功率开关管s7、第八功率开关管s8和第九功率开关管s9断开，进网电流ig可以双向流动。
57.模态二的逆变网络的输出电压等于两倍的直流源为2v
in
，如图4所示，第二功率开关管s2、第四功率开关管s4、第五功率开关管s5、第六功率开关管s6和第九功率开关管s9开通，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3、第七功率开关管s7和第八功率开关管s8断开，进网电流ig可以双向流动。
58.模态三的逆变网络的输出电压等于0，如图5所示，是电网正半周的续流模态，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3、第八功率开关管s8和第九功率开关管s9开通，第二功率开关管s2、第四功率开关管s4、第五功率开关管s5、第六功率开关管s6和第七功率开关管s7断开，进网电流ig可以双向流动。
59.模态四的逆变网络的输出电压等于0，如图6所示，是电网负半周的续流模态，第二功率开关管s2、第四功率开关管s4、第八功率开关管s8和第九功率开关管s9开通，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3、第五功率开关管s5、第六功率开关管s6和第七功率开关管s7断开，进网电流ig可以双向流动。
60.模态五的逆变网络的输出电压等于负一倍的直流源为-v
in
，如图7所示，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3、第四功率开关管s4和第八功率开关管s8开通，第二功率开关管s2、第五功率开关管s5、第六功率开关管s6、第七功率开关管s7和第九功率开关管s9断开，进网电流ig可以双向流动；
61.模态六的逆变网络的输出电压等于二倍的直流源为-2v
in
，如图8所示，第四功率开关管s4、第五功率开关管s5、第七功率开关管s7和第八功率开关管s8开通，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3、第六功率开关管s6和第九功率开关管s9断开，进网电流ig可以双向流动；
62.当所有功率开关管依照驱动信号工作时，逆变网络不断在上述五种输出电平之间切换，实现输入直流电压与外部交流电的能量交换。
63.本发明逆变电路处于五电平输出时的运行波形，如图9所示为v
dc
与v
ab
的波形图，输入电压(图例中为200v)低于输出五电平电压峰值(图例中为400v)，故逆变电路可实现升压功能。
64.本发明逆变电路处于五电平输出时电容电压的波形，如图10所示，可以看出，电容电压(图例中为200v)等于输入电压。
65.本发明逆变电路处于五电平输出时的单位功率因数、进网电流超前、进网电流滞后时的运行波形，如图11、图12和图13所示，可知，单相五电平逆变电路具有向电网传输无功功率的能力。
66.综上，本发明的一种单相共地型五电平逆变电路及其开关控制策略，通过共地型结构使光伏板与地之间的寄生电容上的电压被钳位在0v，可以完全消除非隔离型并网逆变系统中的漏电流，输出的五电平电压可以减小交流滤波器体积以及电网电流谐波，并实现升压功能。该逆变电路具有向电网输送无功功率的能力，适用于中小功率非隔离型光伏并
网逆变系统应用。
67.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。