專利名稱：二極管鉗位式五電平光伏逆變器及采用它的供電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種太陽能光伏發(fā)電用逆變器，尤其涉及一種二極管鉗位式五電平光伏逆變器及采用它的供電系統(tǒng)。
背景技術：
隨著能源和環(huán)境問題的日益嚴重，太陽能、風能等可再生能源發(fā)電增長迅速，對大容量功率變換裝置的要求也日益增加，其核心部件為大功率逆變器。由于器件可承受電壓和電流能力的限制，傳統(tǒng)兩電平逆變器難以直接實現高壓大功率化；同時在高壓應用中，兩電平逆變器輸出電壓的dv/dt很大，會導致絕緣問題和嚴重的電磁干擾。

實用新型內容本實用新型的目的就是為解決上述問題，提供一種二極管鉗位式五電平光伏逆變器及采用它的供電系統(tǒng)，它在保留多電平逆變器高效率和高電壓利用率優(yōu)點的基礎上，解決其電壓應力高的問題，并提供動態(tài)電壓共享、靜態(tài)電壓均衡等問題的解決方案。為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案一種二極管鉗位式五電平光伏逆變器，它包括逆變主電路和逆變控制器，逆變主電路的開關器件控制信號由逆變控制器提供；所述逆變主電路包括直流母線與三個結構完全相同的橋臂，各橋臂的直流輸入端接直流輸入，各橋臂的交流輸出端與電網連接，其中直流母線由四個電容(^(2、(3和C4串聯(lián)而成，即第一電容C1的正極與直流母線的正極連接，負極與第二電容C2的正極連接；第二電容C2的負極與第三電容C3的正極連接； 第三電容C3的負極與第四電容C4的正極連接；第四電容C4的負極與直流母線的負極連接。 提供五個不同的電平。三條橋臂結構相同，每條橋臂包含8個功率開關管(可為絕緣柵雙極型晶體管 IGBT或大功率晶體管GTR)、8個功率二極管、12個鉗位二極管，構成兩組串聯(lián)的開關電路和三組鉗位電路。以第一橋臂為例第一開關電路包含4個功率開關管和4個功率二極管，連接如下功率開關管之間連接第一功率開關管S1的集電極與直流母線的正極連接；第一功率開關管S1的發(fā)射極與第二功率開關管&的集電極連接；第二功率開關管&的發(fā)射極與第三功率開關管&的集電極連接；第三功率開關管&的發(fā)射極與第四功率開關管、的集電極連接；第四功率開關管、的發(fā)射極與第五功率開關管S/的集電極連接；功率開關管與功率二極管連接第一功率開關管S1與第一功率二極管D11并聯(lián)(S1的集電極與D11的陰極連接，S1 的發(fā)射極與D11的陽極連接)；第二功率開關管&與第二功率二極管D12并聯(lián)；[0018]第三功率開關管&與第三功率二極管D13并聯(lián)；第四功率開關管、與第四功率二極管D14并聯(lián)；第一開關電路包含4個功率開關管和4個功率二極管，連接如下第五功率開關管S/的發(fā)射極與第六功率開關管的集電極連接第六功率開關管的發(fā)射極與第七功率開關管的集電極連接第七功率開關管的發(fā)射極與第八功率開關管的集電極連接第八功率開關管的發(fā)射極與直流母線的負極連接。功率開關管與功率二極管連接第五功率開關管S/與第五功率二極管D21并聯(lián)第六功率開關管與第六功率二極管仏2并聯(lián)第七功率開關管S/與第七功率二極管Dm并聯(lián)第八功率開關管S/與第八功率二極管Dm并聯(lián)。兩組開關電路串聯(lián)連接，即，第四功率開關管、的發(fā)射極與第五功率開關管S1 ’的集電極連接，連接點作為A相輸出。開關器件狀態(tài)不同的情況下，A相輸出可能為五個不同的電平。所述三組鉗位電路分別為第一組鉗位電路，包括第一鉗位支路和第二鉗位支路。其中第一鉗位支路為第一鉗位二極管D1，其陰極與第一功率開關管S1的發(fā)射極連接，陽極與第一電容C1的負極和第二鉗位二極管的陰極連接；第二鉗位支路為串聯(lián)(即上一二極管的陽極與下一二極管的陰極連接)的第二、三、四鉗位二極管，因特性完全一致，因此以D/ X3表示(以下類似表示方法含義相同)，其中第四鉗位二極管的陽極與第五功率開關管S/的發(fā)射極連接；第二組鉗位電路，包括第三鉗位支路和第四鉗位支路。其中第三鉗位支路為串聯(lián)的第五、六鉗位二極管即&X2，第五鉗位二極管的陰極與第二功率開關管&的發(fā)射極連接，第六鉗位二極管的陽極與第二電容C2的負極和第七鉗位二極管的陰極連接；第四鉗位支路為串聯(lián)的第七、八鉗位二極管即D2’ X2，第八鉗位二極管的陽極與第六功率開關管S2’ 的發(fā)射極連接；第三組鉗位電路，包括第五鉗位支路和第六鉗位支路。其中第五鉗位支路為串聯(lián)的第九、十、十一鉗位二極管即D3X3，第九鉗位二極管的陰極與第三功率開關管&的發(fā)射極連接，第十一鉗位二極管的陽極與第三電容C3的負極和第十二鉗位二極管的陰極連接； 第六鉗位支路為第十二鉗位二極管即D/，其陽極與第七功率開關管的發(fā)射極連接。所述功率開關管為絕緣柵雙極型晶體管IGBT或大功率晶體管GTR。一種采用二極管鉗位式五電平光伏逆變器的供電系統(tǒng)，它包括多個太陽能電池板、多路直流升壓主電路、MPPT控制器和二極管鉗位式五電平光伏逆變器，是一種將太陽能光伏電池輸出的直流電逆變成交流電，并輸送給電網的裝置。它采用多路直流輸入，各路直流輸入通過升壓電路進行獨立的最大功率點跟蹤控制，充分發(fā)揮太陽能電池板的效率，再經過二極管鉗位式五電平逆變器將直流電逆變成交流電，輸送給電網，其中多路直流升壓主電路的各路直流輸入與對應的太陽能光伏電池板的各路直流輸出端連接，直流升壓電路輸出端與二極管鉗位式五電平光伏逆變器的直流輸入端連接；MPPT控制器，與多路升壓主電路的功率開關器件門極連接，控制上述多路直流升壓主電路進行獨立的最大功率點跟蹤控制，與上述多路直流升壓主電路構成多路直流升壓系統(tǒng)；二極管鉗位式五電平光伏逆變器的主電路，結構如前所述，其直流輸入端與上述多路直流升壓主電路的直流輸出端連接，其交流輸出端與電網連接；逆變控制器，與二極管鉗位式五電平逆變主電路的功率開關器件門極連接，對上述二極管鉗位式五電平逆變主電路進行并網控制，與上述五電平逆變主電路構成五電平逆變系統(tǒng)；多路直流升壓系統(tǒng)，由多路直流升壓主電路和MPPT控制器組成；五電平逆變系統(tǒng)，由上述五電平逆變主電路和逆變控制器構成；同時逆變主電路的逆變控制器與MPPT控制器通過通訊線路連接。本實用新型的特點如下1)將潔凈的、可再生能源-太陽能光伏發(fā)電轉換為交流電輸送給電網；2)多路直流輸入，多路獨立的最大功率點跟蹤控制，光伏電池板利用效率高；3)五電平逆變設計下每個功率器件僅承受1/5的母線電壓，因而可以使用低耐壓器件實現高壓大功率的輸出；在每個功率器件電壓等級不變的情況下，串聯(lián)器件數的增加可以使輸出電壓等級提高5倍，從而得到五倍的輸出功率；4)五電平逆變設計下電平數的增加可以改善輸出波形，減小輸出電壓波形畸變， 使THD大大降低，對電能質量影響小，有利于大規(guī)模光伏發(fā)電的并網；可以用較低的開關頻率獲得和高開關頻率下兩電平變換器相同的輸出電壓波形，因此開關損耗小，系統(tǒng)的效率高；由于電平數的增加，在相同的直流母線電壓和開關頻率條件下，與兩電平逆變器相比， 開關器件所承受的開關應力dv/dt大大減??；5) 二極管鉗位式五電平逆變器在開關狀態(tài)切換時，任一開關器件上都只承受直流母線一半的電壓，從而不會產生動態(tài)電壓共享問題；如果將二極管鉗位式五電平逆變器中每條橋臂的頂部和底部兩個開關管選擇漏電流較小的器件，則靜態(tài)時這兩個開關管上的壓降會被鉗位二極管鉗位在E，從而內部兩個開關管上的電壓也會固定在E，不需要在開關管上并聯(lián)額外的電阻就能實現靜態(tài)電壓均衡；從而可以保證即使在多功率管參數不一致和開關瞬態(tài)的不同步情況下，各功率管在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程中承受的電壓應力始終箝位于母線電容的電壓，從而不會產生個別功率管過壓，導致電路可靠性問題。

圖1為本實用新型的整體結構圖；圖2為二極管鉗位式五電平逆變主電路結構示意圖，包含直流母線與一條橋臂。其中，1為直流升壓主電路，2為MPPT控制器，3為逆變主電路，4為逆變控制器，5 為太陽能電池，6為電網。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。圖1為采用二極管鉗位式五電平光伏逆變器的供電系統(tǒng)，它包括多個太陽能電池 5，各太陽能電池5與各自的直流升壓主電路1輸入端連接，各直流升壓主電路1則與MPPT控制器2連接，進行最大功率點跟蹤控制；所述各直流升壓主電路1的輸出端則與逆變主電路3的直流輸入端連接，逆變主電路3的交流輸出端則與電網6連接；同時逆變主電路3的逆變控制器4與MPPT控制器2連接。圖2中，它包括逆變主電路3，逆變主電路3與逆變控制器4連接；所述逆變主電路 3包括直流母線與三個結構完全相同的橋臂，各橋臂的直流輸入端接輸入的直流電流，各橋臂的交流輸出端與電網6連接；其中，各橋臂的結構為直流母線由四個電容(^(2、(3和C4串聯(lián)而成，即第一電容C1的正極與直流母線的正極連接，負極與第二電容C2的正極連接；第二電容C2的負極與第三電容C3的正極連接； 第三電容C3的負極與第四電容C4的正極連接；第四電容C4的負極與直流母線的負極連接。 提供五個不同的電平。三條橋臂結構相同，每條橋臂包含8個功率開關管(可為絕緣柵雙極型晶體管 IGBT或大功率晶體管GTR)、8個功率二極管、12個鉗位二極管，構成兩組串聯(lián)的開關電路和三組鉗位電路。以第一橋臂為例所述三組鉗位電路分別為第一組鉗位電路，包括第一鉗位支路和第二鉗位支路。其中第一鉗位支路為第一鉗位二極管D1，其陰極與第一功率開關管S1的發(fā)射極連接，陽極與第一電容C1的負極和第二鉗位二極管的陰極連接；第二鉗位支路為串聯(lián)(即上一二極管的陽極與下一二極管的陰極連接)的第二、三、四鉗位二極管，因特性完全一致，因此以D/ X3表示(以下類似表示方法含義相同)，其中第四鉗位二極管的陽極與第五功率開關管S/的發(fā)射極連接；第二組鉗位電路，包括第三鉗位支路和第四鉗位支路。其中第三鉗位支路為串聯(lián)的第五、六鉗位二極管即&X2，第五鉗位二極管的陰極與第二功率開關管&的發(fā)射極連接，第六鉗位二極管的陽極與第二電容C2的負極和第七鉗位二極管的陰極連接；第四鉗位支路為串聯(lián)的第七、八鉗位二極管即D2’ X2，第八鉗位二極管的陽極與第六功率開關管S2’ 的發(fā)射極連接；第三組鉗位電路，包括第五鉗位支路和第六鉗位支路。其中第五鉗位支路為串聯(lián)的第九、十、十一鉗位二極管即D3X3，第九鉗位二極管的陰極與第三功率開關管&的發(fā)射極連接，第十一鉗位二極管的陽極與第三電容C3的負極和第十二鉗位二極管的陰極連接； 第六鉗位支路為第十二鉗位二極管即D/，其陽極與第七功率開關管的發(fā)射極連接。
權利要求1.一種二極管鉗位式五電平光伏逆變器，其特征是，它包括逆變主電路，逆變主電路與逆變控制器連接；所述逆變主電路包括直流母線與三個結構完全相同的橋臂，各橋臂的直流輸入端與太陽能電池連接，各橋臂的交流輸出端與電網連接；其中，直流母線由多個電容串聯(lián)而成； 各橋臂的結構為兩組串聯(lián)的開關電路，其串聯(lián)接點處作為該相輸出端；所述兩組串聯(lián)的開關電路間跨接三個組鉗位電路，鉗位電路的輸入端與直流母線連接。
2.如權利要求1所述的二極管鉗位式五電平光伏逆變器，其特征是，所述開關電路由八對并聯(lián)的開關管與功率二極管組成，其中，第一組開關電路為第一功率開關 S1與第一功率二-極管D11并聯(lián)；第二功率開關·？ S2與第二功率二-極管D12并聯(lián)；第三功率開關·？ S3與第三功率二-極管D13并聯(lián)；第四功率開關·^s4與第四功率二-極管D14并聯(lián)；第二組開關電路為第五功率開關·？ S/與第五功率—二極々f D21并聯(lián)第六功率開關·？ S2'與第六功率—二極々f D22并聯(lián)第七功率開關·^S3'與第七功率—二極々f D23并聯(lián)第八功率開關·？ S/與第八功率—二極々f D24并聯(lián)同時，第一功率開關管S1的集電極與直流母線的正極連接； 第一功率開關管S1的發(fā)射極與第二功率開關管&的集電極連接； 第二功率開關管&的發(fā)射極與第三功率開關管&的集電極連接； 第三功率開關管&的發(fā)射極與第四功率開關管、的集電極連接； 第四功率開關管、的發(fā)射極與第五功率開關管S/的集電極連接； 第五功率開關管S/的發(fā)射極與第六功率開關管的集電極連接； 第六功率開關管的發(fā)射極與第七功率開關管的集電極連接； 第七功率開關管的發(fā)射極與第八功率開關管的集電極連接； 第八功率開關管的發(fā)射極與直流母線的負極連接。
3.如權利要求2所述的二極管鉗位式五電平光伏逆變器，其特征是，所述三個組鉗位電路分別為第一組鉗位電路，包括第一鉗位支路和第二鉗位支路；其中第一鉗位支路為第一鉗位二極管D1，其陰極與第一功率開關管S1的發(fā)射極連接，陽極與第一電容C1的負極和第二鉗位二極管的陰極連接；第二鉗位支路為串聯(lián)的第二、三、四鉗位二極管，即上一二極管的陽極與下一二極管的陰極連接，因特性完全一致，因此以D/ X3表示，以下相同表示方法含義相同，其中第四鉗位二極管的陽極與第五功率開關管S/的發(fā)射極連接；第二組鉗位電路，包括第三鉗位支路和第四鉗位支路；其中第三鉗位支路為串聯(lián)的第五、六鉗位二極管即&X2，第五鉗位二極管的陰極與第二功率開關管&的發(fā)射極連接，第六鉗位二極管的陽極與第二電容C2的負極和第七鉗位二極管的陰極連接；第四鉗位支路為串聯(lián)的第七、八鉗位二極管即D2’ X2，第八鉗位二極管的陽極與第六功率開關管S2’的發(fā)射極連接；第三組鉗位電路，包括第五鉗位支路和第六鉗位支路；其中第五鉗位支路為串聯(lián)的第九、十、十一鉗位二極管即D3X3，第九鉗位二極管的陰極與第三功率開關管&的發(fā)射極連接，第十一鉗位二極管的陽極與第三電容C3的負極和第十二鉗位二極管的陰極連接；第六鉗位支路為第十二鉗位二極管即D/，其陽極與第七功率開關管的發(fā)射極連接。
4.如權利要求2所述的二極管鉗位式五電平光伏逆變器，其特征是，所述功率開關管為絕緣柵雙極型晶體管IGBT或大功率晶體管GTR。
5.一種采用權利要求1所述的二極管鉗位式五電平光伏逆變器的供電系統(tǒng)，其特征是，它包括多個太陽能電池，各太陽能電池與各自的直流升壓主電路輸入端連接，各直流升壓主電路則與MPPT控制器連接，進行最大功率點跟蹤控制；所述各直流升壓主電路的輸出端則與逆變主電路的直流輸入端連接，逆變主電路的交流輸出端則與電網連接；同時逆變主電路的逆變控制器與MPPT控制器連接。
專利摘要本實用新型公開了一種二極管鉗位式五電平光伏逆變器及采用它的供電系統(tǒng)，屬于太陽能光伏發(fā)電技術領域，它將太陽能光伏電池輸出的直流電逆變成交流電，并輸送給電網的逆變器，各路直流輸入通過升壓電路進行獨立的最大功率點跟蹤控制，充分發(fā)揮太陽能電池板的效率，再經過多電平逆變器進行高效的逆變，整個系統(tǒng)發(fā)電效率高，注入電網的諧波小，減小了對電網電能質量的影響。其逆變主電路與逆變控制器連接；逆變主電路包括直流母線與三個結構完全相同的橋臂，各橋臂的直流輸入端接直流輸入，各橋臂的交流輸出端與電網連接；逆變器拓撲具有如下特點開關器件所承受的開關應力dv/dt小，無動態(tài)電壓共享問題，不需要額外的器件就能實現靜態(tài)電壓均衡。
文檔編號H02M7/487GK202276295SQ201120435170
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月5日 優(yōu)先權日2011年11月5日
發(fā)明者牛新生, 王春義 申請人:山東電力研究院