專利名稱：一種光伏并網三電平逆變器的制作方法
技術領域：
本發明的技術方案涉及應用有控制極的半導體器件的不可逆的直流功率輸入變 換為交流功率輸出的以及用于與電源的供電系統一起使用的設備，具體地說是一種光伏并 網三電平逆變器。
背景技術：
太陽能光伏發電技術是新能源和可再生能源中最具有發展前途的方式，光伏并網 發電技術已成為太陽能光伏應用的主流。最新統計資料表明截止2008年底，全球總的裝 機容量已經達到了 13. 4GW ；較之2007年，2008年光伏系統總的裝機容量增長了 50%;并網 系統在2008年大約占總的裝機容量的99%。通常現有技術中，光伏并網逆變器包含工頻變壓器以實現電氣隔離，來滿足安全 要求，并可極大地減小光伏發電系統可能的漏電流，和電網中的直流注入。具有工頻變壓器 并采用單極性脈沖寬度調制方式下全橋逆變拓撲結構具有很好的性價比，在已存在的光伏 并網逆變器中得到了廣泛應用。然而，采用工頻變壓器的逆變器不僅增加了逆變器的體積、重量和成本，也降低了 逆變器的效率。針對這一問題，人們提出了無變壓器隔離的逆變器，并且在小于5kW的低功 率的場合下得到了廣泛的應用，無變壓器型逆變器不僅具有較小的體積、重量和成本，其效 率可提高1_2%。采用無變壓器型光伏并網逆變器必須解決由于“沒有變壓器隔離”而帶來的安全 問題和電網的直流注入以及可能的共模電流(漏電流)。產生共模電流的原因是在光伏 陣列和地之間存在一寄生電容CPvg，其數值范圍為50-150nF/kW，在潮濕環境或雨天會達 到200nF/kW。如果逆變器輸出的共模電壓可變，那么通過該寄生電容，在光伏陣列和地之間 就會有共模電流。共模電流會產生嚴重的傳導型和輻射型電磁干擾，導致電網電流產生畸 變，并增加系統的損耗。采用接地故障檢測裝置可以滿足安全需求，采用一些控制方法或一些拓撲結構也 可以避免或減少直流注入。然而，對于共模電流，雖然通過在諧振電路中加入阻尼元件，可 以減小甚至消除漏電流，但是，加入阻尼元件會帶來額外的損耗，降低逆變器的效率。因而， 人們更關注于不產生可變共模電壓的逆變器類型。全橋逆變拓撲結構具有很好的性價比，其輸入電壓大約為350V，在已存在的功率 拓撲中得到了廣泛的應用，然而在單極性脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)方 式下用于光伏并網，其共模電壓是變化的，會產生共模電流。(見論文“Acost-effective single-stage inverter with maximum power point tracking，， (IEEETransactions on Power Electronics, 2004,19(5) : 1289-1294.)和論文 “Acost-effective single-stage inverter with maximum power point tracking，， (IEEETransactions on Power Electronics,2004,19(5) 1289-1294.))目前，應用于光伏并網系統而不產生共模電流的逆變器有半橋逆變器、三電平逆變器及其改進形式。但是，較之全橋逆變器，上述類型逆變器的主要缺點是需要大 約兩倍于全橋逆變器的直流輸入電壓。如果逆變器輸出端電壓為交流220V，半橋逆變 器的輸入電壓要高于700V，這需要更多的光伏陣列串聯或者串聯前級升壓電路。而且 半橋類的逆變器需要耐壓等級更高的開關管，影響了開關頻率，增加了開關損耗。(見 論 文 “A reviewof single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules，，(IEEEtransactions on industry applications，2005，41 (5) :1292_1306))較之半橋逆變器，現有技術的三電平逆變器及其改進形式的效率提高了，并且 紋波減小了，但其輸入電壓的級別并沒有降低。現有技術的三電平逆變器及其改進形式 雖然不產生共模電壓，但其主要缺點是需要大約兩倍于全橋逆變器的直流輸入電壓。如 果逆變器輸出端電壓為交流220V，現有技術的三電平逆變器的輸入電壓要高于700V，這 需要更多的光伏陣列串聯或者串聯前級升壓電路，要耐壓等級更高的開關管，影響了開 關頻率，增加了開關損耗(見論文“Multilevel converters for single-phase grid connectedphotovoltaic systems—an overview" (IEEE International Symposium on IndustrialElectronics, Pertoria, South Africa,1998.)禾口 論文"A cost-effective single-stageinverter with maximum power point tracking，， (IEEE Transactions on PowerElectronics,2004，19(5) 1289-1294.))。CN101783611A公開了分裂電感三電平光伏并網逆變器及其控制方法，其目的之一 是減小漏電流。然而CN101783611A并沒有解決現有技術的三電平逆變器的上述諸多缺點， 這一點可參見該專利文獻的第7頁0042，0043的說明。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種光伏并網三電平逆變器，是無共模電流、 差模電壓小、電流紋波小和高效率的應用于光伏并網的三電平逆變器，克服了現有技術的 三電平逆變器需要大約兩倍于全橋逆變器的直流輸入電壓的缺點。本發明解決該技術問題所采用的技術方案是一種光伏并網三電平逆變器，由光 伏陣列模塊、六個同樣的開關管、兩個同樣的二極管、兩個相同的電容器、兩個相同的電感 和電網組成；電容器9和電容器10串聯后的正極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的正極 節點21，電容器9和電容器10串聯后的負極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的負極節點 22，開關管1、開關管2、開關管3和開關管4串聯后的正極聯接于光伏陣列模塊13的輸出 端的正極節點23，開關管1、開關管2、開關管3和開關管4串聯后的負極聯接于光伏陣列模 塊13的輸出端的負極節點24，電容器9和電容器10串聯的中間節點18連接二極管7的正 極，二極管7的負極與開關管1的發射極連接于節點19，電容器9和電容器10的中間節點 18還連接二極管8的負極，二極管8的正極與開關管4的集電極連接于節點20，開關管1 的發射極與開關管2的集電極的連接點為節點19，開關管2的發射極與開關管3的集電極 的連接點為節點16，開關管3的發射極與開關管4的集電極的連接點為節點20，節點16位 于開關管2和開關管3的中間節點，電感11 一端連接到節點16，電感11另一端與電網14 的一端連接于節點25，電網14的另一端通過節點26后分為兩條支路，其中一條與地線15 相連接于節點26，另一條支路通過電感12在中間節點17處連接于開關管5的發射極和開 關管6的集電極，開關管5的集電極極連接到節點19，開關管6的發射極連接到節點20。
上述一種光伏并網三電平逆變器，其中所有開關管均為絕緣柵雙極型晶體管 IRG4PSC71UD，所有二極管均為快恢復二極管HFA25TB60，所用電容器的電容值為300uF，所 用電感的電感值為1. 5mH，所用光伏陣列模塊的型號為165(36)P/G1573*824的太陽電池板 串并聯組成，其輸出電壓介于350伏到550伏之間，電網電壓220V，電網頻率50Hz，額定功 率5kW，開關頻率20kHz。上述一種光伏并網三電平逆變器，其中所涉及到的光伏陣列模塊、開關管、二極 管、電容器、電感和電網都是公知的，所有元器件都可以通過商購等公知途徑獲得；其中所 有元器件的連接也都是普通的線路連接方法。本發明的有益效果是A.本發明一種光伏并網三電平逆變器突出的實質性特點是(1)電容器9和電容器10的中間節點18通過二極管7與開關管1連接于節點19， 使得電流從節點18單向流通到節點19，電容器9和電容器10的中間節點18通過二極管8 與開關管4連接于節點20，使得電流從節點20單向流通到節點18。二極管7和二極管8 保證了電流的單向性。(2)在電網14電壓正半周期，當開關管1和開關管4導通時，由于二極管7和二極 管8的箝位作用以及電容電容器9和電容器10的均壓作用，開關管1和開關管4上的開關 電壓為輸入電壓Vin的一半，從而減小了開關損耗，并同時降低了電網電流的紋波，共模電 壓為Vin/2，差模電壓為Vin。(3)在電網電14電壓正半周期，當開關管1和開關管4關斷，而開關管3和開關管 5導通時，由于二極管7和二極管8的箝位作用，開關電壓為輸入電壓Vin的一半，從而減小 了開關損耗，并同時降低了電網電流的紋波，共模電壓為Vin/2，差模電壓為0。(4)在電網14電壓負半周期，當開關管1和開關管4導通時，由于二極管7和二極 管8的箝位作用以及電容電容器9和電容器10的均壓作用，開關管1和開關管4上的開關 電壓為輸入電壓Vin的一半。從而減小了開關損耗，并同時降低了電網電流的紋波，共模電 壓為Vin/2，差模電壓為-Vin。(5)在電網14電壓負半周期，當開關管1和開關管4關斷，而開關管2和開關管6 導通時，由于二極管7和二極管8的箝位作用，開關電壓為輸入電壓Vin的一半，從而減小了 開關損耗，并同時降低了電網電流的紋波，共模電壓為Vin/2，差模電壓為0。(6)在電網14電壓正半周期，當開關管1和開關管4關斷，而開關管3和開關管5 導通時，電感11和電感12電流分為兩路，一路流經開關管6和開關管3的續流二極管，另 一路流經開關管2和開關管5的續流二極管，電流的兩路流通使得導通損耗減小，這一階段 雖然開關管3和開關管5導通，但并沒有電流流過，因此開關管的損耗為零。(7)在電網14電壓負半周期，當開關管1和開關管4關斷，而開關管2和開關管6 導通時，電感11和電感12電流分為兩路，一路流經開關管5和開關管2的續流二極管，另 一路流經開關管3和開關管6的續流二極管，電流的兩路流通使得導通損耗減小。這一階 段雖然開關管2和開關管6導通，但并沒有電流流過，因此開關管的損耗為零。(8)由上述的第(2)、(3)、(4)和(5)點可知，本發明一種光伏并網三電平逆變器 共模電壓恒定，從而共模電流為零；在電網14的正半周期，差模電壓在0，Vin之間調制，而 在電網14電壓的負半周期，差模電壓在_Vin，0之間調制，較之差模電壓在整個周期在-Vin，Vin調制的逆變器(如雙極性脈寬調制全橋逆變器)，差模電壓減小。(9)由上述的(8)點可知，差模電壓減小，因而，輸出到電網14的電流紋波減小。(10)由上述的第(6)、(7)、⑶和(9)點可知，本發明一種光伏并網三電平逆變器 的開關損耗小，導通損耗小，因此本發明逆變器的效率高。(11)電感11和電感12對稱聯結于電網14的兩端，消除了差模電壓對共模電流的影響。B.本發明一種光伏并網三電平逆變器突出的顯著進步是(1)本發明一種光伏并網三電平逆變器的輸出電壓和并網電流與二極管箝位式三 電平逆變器的一致，其共模電壓都為恒定值，不同的是本發明一種光伏并網三電平逆變器 的輸入電壓僅為二極管箝位式三電平逆變器輸入電壓的一半，從而提高了光伏逆變系統的效率。(2)CN101783611A目的之一是減小漏電流；而本發明一種光伏并網三電平逆變器 的結構本身能夠保證不產生漏電流。(3)綜合上述特點，本發明一種光伏并網三電平逆變器不產生共模電流，同時該逆 變器具有輸出紋波小，差模電壓小和很高的效率，特別適合于無變壓器型單相光伏并網系 統。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1是本發明一種光伏并網三電平逆變器結構示意圖。圖2是本發明一種光伏并網三電平逆變器的相關波形示意圖。圖3a是本發明一種光伏并網三電平逆變器開關管2和開關管6保持導通狀態，開 關管1和開關管4導通，開關管3和開關管5關斷時電路的示意圖。圖3b是本發明一種光伏并網三電平逆變器開關管2和開關管6保持導通狀態，開 關管1和開關管4關斷，開關管3和開關管5導通時電路的示意圖。圖3c是本發明一種光伏并網三電平逆變器開關管3和開關管5保持導通狀態，開 關管1和開關管4導通，開關管2和開關管6關斷時電路的示意圖。圖3d是本發明一種光伏并網三電平逆變器開關管3和開關管5保持導通狀態，開 關管1和開關管4關斷，開關管3和開關管5導通時電路的示意圖。圖中，1.開關管，2.開關管，3.開關管，4.開關管，5.開關管，6.開關管，7. 二極 管，8. 二極管，9.電容器，10.電容器，11.電感，12.電感，13.光伏陣列模塊，14.電網， 15.地線，16 26.均為節點。
具體實施例方式圖1所示實施例表明本發明一種光伏并網三電平逆變器的電路的連接關系是電 容器9和電容器10串聯后的正極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的正極節點21，電容器 9和電容器10串聯后的負極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的負極節點22，開關管1、開 關管2、開關管3和開關管4串聯后的正極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的正極節點23， 開關管1、開關管2、開關管3和開關管4串聯后的負極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的負極節點24，電容器9和電容器10串聯的中間節點18連接二極管7的正極，二極管7的 負極與開關管1的發射極連接于節點19，電容器9和電容器10的中間節點18還連接二極 管8的負極，二極管8的正極與開關管4的集電極連接于節點20，開關管1的發射極與開 關管2的集電極的連接點為節點19，開關管2的發射極與開關管3的集電極的連接點為節 點16，開關管3的發射極與開關管4的集電極的連接點為節點20，節點16位于開關管2和 開關管3的中間節點，電感11 一端連接到節點16，電感11另一端與電網14的一端連接于 節點25，電網14的另一端通過節點26后分為兩條支路，其中一條與地線15相連接于節點 26，另一條支路通過電感12在中間節點17處連接于開關管5的發射極和開關管6的集電 極，開關管5的集電極連接到節點19，開關管6的發射極連接到節點20。圖2所示實施例表明用本發明一種光伏并網三電平逆變器的開關管的開關序列 以及與電網電壓和電流的關系是在電網電壓的正半周期，開關管2和開關管6保持導通 狀態，開關管1和開關管4與開關管3和開關管5以開關頻率交替開關，對輸入電壓進行調 制。在電網電壓負半周期，開關管3和開關管5保持導通狀態，開關管1和開關管4與開關 管2和開關管6以開關頻率交替開關，對輸入電壓進行調制。通過開關調制輸出正弦電流， 輸出電流頻率與電網14頻率一致，輸出電壓與電網14電壓一致。圖3a所示實施例表明在電網電壓正半周期，當開關管1和開關管4導通時，電感 11和電感12電流線性增加，電感電流流經開關管1、開關管2、開關管6和開關管4。圖3b所示實施例表明在電網電壓正半周期，當開關管1和開關管4關斷，開關管 3和開關管5導通時，電感11和電感12電流分為兩路，一路流經開關管6和開關管3的續 流二極管，另一路流經開關管2和開關管5的續流二極管。這一階段電感11和電感12電 流減小。圖3c所示實施例表明在電網電壓負半周期，當開關管1和開關管4導通時，電感 11和電感12電流線性增加，電感電流流經開關管1、開關管5、開關管3和開關管4。圖3d所示實施例表明在電網電壓的負半周期，當開關管1和開關管4關斷，開關 管2和開關管6導通時，電感11和電感12電流分為兩路，一路流經開關管5和開關管2的 續流二極管，另一路流經開關管3和開關管6的續流二極管，這一階段電感11和電感12電 流減小。實施例由光伏陣列模塊、六個同樣的開關管、兩個同樣的二極管、兩組相等的電容器、兩 個相等的電感和電網組成本實施例的一種光伏并網三電平逆變器。本實施例的一種光伏并網三電平逆變器所用的元器件包括1.開關管、2.開關 管、3.開關管、4.開關管、5.開關管、6.開關管、7. 二極管、8. 二極管、9.電容器、10.電容 器、11.電感、12.電感、13.光伏陣列模塊、14.電網和15.地線。所有開關管均為絕緣柵雙 極型晶體管IRG4PSC71UD，所有二極管均為快恢復二極管HFA25TB60，所用電容器的電容值 為300uF，所用電感的電感值為1. 5mH，所用光伏陣列模塊的型號為165 (36) P/G1573*824的 太陽電池板串并聯組成，其輸出電壓可介于350伏到550伏之間，電網電壓220V，電網頻率 50Hz，額定功率5kW，開關頻率20kHz。上述元器件用導線按圖1所示方式連接構成本發明的光伏并網三電平逆變器電容器9和電容器10串聯后的正極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的正極節點21，電容器9和電容器10串聯后的負極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的負極節點22，開 關管1、開關管2、開關管3和開關管4串聯后的正極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的正 極節點23，開關管1、開關管2、開關管3和開關管4串聯后的負極聯接于光伏陣列模塊13 的輸出端的負極節點24，電容器9和電容器10串聯的中間節點18連接二極管7的正極， 二極管7的負極與開關管1的發射極連接于節點19，二極管7的作用是使得電流從節點18 單向流通到節點19，電容器9和電容器10的中間節點18還連接二極管8的負極，二極管8 的正極與開關管4的集電極連接于節點20，二極管8的作用是使得電流從節點20單向流通 到節點18，即只有在節點20的電壓高于節點18的電壓時二極管8導通，二極管8所在的支 路上才有電流流過。開關管1的發射極與開關管2的集電極的連接點為節點19，開關管2 的發射極與開關管3的集電極的連接點為節點16，開關管3的發射極與開關管4的集電極 的連接點為節點20，節點16位于開關管2和開關管3的中間節點，電感11 一端連接到節 點16，電感11另一端與電網14的一端連接于節點25，電網14的另一端通過節點26后分 為兩條支路，其中一條與地15相連接于節點26，另一條支路通過電感12在中間節點17處 連接于開關管5的發射極和開關管6的集電極，開關管5的集電極連接到節點19，開關管6 的發射極連接到節點20。 上述實施例中，所涉及到的光伏陣列模塊、開關管、二極管、電容器、電感和電網都 是公知的，所有元器件都可以通過商購等公知途徑獲得；其中所有元器件的連接也都是普 通的線路連接方法。
權利要求
1.一種光伏并網三電平逆變器，其特征在于由光伏陣列模塊、六個同樣的開關管、兩 個同樣的二極管、兩組相等的電容器、兩個相等的電感和電網組成；電容器9和電容器10串 聯后的正極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的正極節點21，電容器9和電容器10串聯后 的負極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的負極節點22，開關管1、開關管2、開關管3和開 關管4串聯后的正極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的正極節點23，開關管1、開關管2、 開關管3和開關管4串聯后的負極聯接于光伏陣列模塊13的輸出端的負極節點24，電容器 9和電容器10串聯的中間節點18連接二極管7的正極，二極管7的負極與開關管1的發 射極連接于節點19，電容器9和電容器10的中間節點18還連接二極管8的負極，二極管8 的正極與開關管4的集電極連接于節點20，開關管1的發射極與開關管2的集電極的連接 點為節點19，開關管2的發射極與開關管3的集電極的連接點為節點16，開關管3的發射 極與開關管4的集電極的連接點為節點20，節點16位于開關管2和開關管3的中間節點， 電感11 一端連接到節點16，電感11另一端與電網14的一端連接于節點25，電網14的另 一端通過節點26后分為兩條支路，其中一條與地15相連接于節點26，另一條支路通過電 感12在中間節點17處連接于開關管5的發射極和開關管6的集電極，開關管5的集電極 極連接到節點19，開關管6的發射極連接到節點20。
2.根據權利要求1一種光伏并網三電平逆變器，其特征在于其中所有開關管均為 絕緣柵雙極型晶體管IRG4PSC71UD，所有二極管均為快恢復二極管HFA25TB60，所用電容 器的電容值為300uF，所用電感的電感值為1.5mH，所用光伏陣列模塊的型號為165(36) P/G1573*824的太陽電池板串并聯組成，其輸出電壓介于350伏到550伏之間，電網電壓 220V,電網頻率50Hz，額定功率5kW，開關頻率20kHz。
全文摘要
本發明一種光伏并網三電平逆變器，涉及應用有控制極的半導體器件的不可逆的直流功率輸入變換為交流功率輸出的以及用于與電源的供電系統一起使用的設備，由光伏陣列模塊、六個同樣的開關管、兩個同樣的二極管、兩組相等的電容器、兩個相等的電感和電網組成，是無共模電流、差模電壓小、電流紋波小和高效率的應用于光伏并網的三電平逆變器，克服了現有技術的三電平逆變器需要大約兩倍于全橋逆變器的直流輸入電壓的缺點。
文檔編號H02M7/483GK102005958SQ201010560558
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月25日 優先權日2010年11月25日
發明者楊曉光 申請人:河北工業大學