一種具有電池能量平衡功能的單相五電平逆變器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有電池能量平衡功能的單相五電平逆變器，該逆變器由一個半橋兩電平逆變器和一個三電平二極管鉗位逆變器以及雙向開關和兩個濾波電感構成。本實用新型提出的逆變器拓撲結構由于部分電平存在冗余的開關組合，但不同的開關狀態對直流側的儲能電池的電能充放情況是不同的。通過選擇冗余的開關組合可以實現電池能量的平衡。與傳統的五電平逆變器相比，其開關器件數量較少，可靠性增強。因為其可以平衡電池(電容)電壓及電量，所以當局部光伏板出現陰影或熱點時，可減輕因充電不平衡帶來的直流側電池(電容)電量不平衡問題。
【專利說明】
一種具有電池能量平衡功能的單相五電平逆變器
技術領域
[0001] 本實用新型屬于電力電子技術領域，涉及一種單相五電平逆變器，尤其涉及一種 具有電池能量平衡功能的單相五電平逆變器及其控制策略。
【背景技術】
[0002] 在學術界和工業界，以太陽能、風能為典型代表的新能源等受到了越來越多的關 注，因為新能源很大程度上減少了對傳統化石能源的依賴，對于緩解能源危機和保護環境 有著重要的作用。尤其是隨著近幾年半導體技術的不斷發展，光伏電池板的效率不斷提高， 成本不斷下降，從而促使光伏發電系統越來越廣泛地被使用。對于地理位置偏遠地區和獨 立島嶼等供電則需要獨立的光伏發電系統。
[0003] 獨立光伏系統最常用的結構就是多個光伏板各自先將太陽能轉變為電能儲存在 各自的電池里，然后由電池作為逆變的直流側，將多個電池串聯起來進行逆變。如果電池不 平衡可能會導致局部故障甚至整個系統停機，對電池也會造成不可修復的損傷，這需要更 長的時間來恢復。這些問題使得必須考慮一定的措施來平衡電池的能量，使得電池之間的 能量差異性盡可能小。
[0004] 現在的逆變系統大致有兩種方案，一種是對于直流側電壓較低的系統，采用雙級 拓撲的光伏發電系統，即先通過升壓電路升至高壓，然后進行逆變。這種方式控制較為容 易，但是兩級的級聯也使得系統的損耗增加，效率下降。為了減少損耗、提高效率，還有一種 方案是對于直流側電壓較高的逆變系統，采用單級逆變器。對于單級逆變器來說，雖然提高 了效率，但如果采用傳統的全橋逆變的一個很大的缺點就是輸出諧波含量很高，這意味對 濾波器的要求更高。于是考慮使用多電平逆變器，多電平減小了輸出的諧波，低諧波減小了 濾波器的要求，降低了波形失真，提高了光伏發電系統的電能質量。然而，對于傳統的多電 平逆變器的發展一直受制于功率器件增加導致損耗增加、器件電壓應力有限、電容器電壓 平衡問題、和可靠性問題方面等限制問題。
【發明內容】
[0005] 本實用新型的目的在于針對現有技術的不足，提供一種具有電池能量平衡功能的 單相五電平逆變器及其控制策略。
[0006] 本實用新型的具有電池能量平衡功能的單相五電平逆變器，包括:第一電池、第二 電池、第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管、第五開關管、第六開關管、第七開 關管、第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管、第五二極管、第六二極管、第一濾 波電感、第二濾波電感；
[0007] 上述所有開關管均采用MOSFET管；
[0008] 第一電池的正極與第一開關管的漏極、第六開關管的漏極相連，第一開關管的源 極與第一二極管的負極、第二開關管的漏極相連，第二開關管的源極與第三開關管的漏極、 第一濾波電感的一端相連，第三開關管的源極與第二二極管的正極、第四開關管的漏極連 接，第一二極管的正極、第二二極管的負極與第一電池的負極、第二電池的正極、第五二極 管的正極、第六二極管的負極共連，第六開關管的源極與第三二極管的正極、第四二極管的 負極、第七開關管的漏極、第二濾波電感的一端相連，第四開關管的源極、第七開關管的源 極均與第二電池的負極相連，第三二極管的負極、第五二極管的負極與第五開關管的漏極 相連，第四二極管的正極、第六二極管的正極與第五開關管的源極相連，第一濾波電感的另 一端及第二濾波電感的另一端分別與負載的兩端相連。
[0009] 上述單相五電平逆變器的控制策略如下：
[0010] 1)第一、第二、第七開關管導通，其余開關管關斷;第一電池、第二電池均放電；
[0011] 2)第二、第三、第七開關管導通，其余開關管關斷;第二電池放電；
[0012] 3)第一、第二、第五開關管導通，其余開關管關斷;第一電池放電；
[0013] 4)第二、第三、第五開關管導通，其余開關管關斷；電池均不放電；
[0014] 5)第三、第四、第七開關管導通，其余開關管關斷；電池均不放電；
[0015] 6)第一、第二、第六開關管導通，其余開關管關斷；電池不放電；
[0016] 7)第二、第三、第六開關管導通，其余開關管關斷;第一電池放電；
[0017] 8)第三、第四、第五開關管導通，其余開關管關斷;第二電池放電；
[0018] 9)第三、第四、第六開關管導通，其余開關管關斷;第一電池、第二電池均放電。
[0019] 本實用新型的有益效果在于:該逆變器拓撲結構在部分輸出電平時具有冗余的開 關狀態，通過合理分配這些開關狀態，可以對直流側的電池組的能量進行平衡，減小電池能 量的不平衡程度，對電池起到維護的作用，也可以提高系統的可靠性。另外，該拓撲使用了 更少的開關管，使得系統的損耗減小，效率和可靠性得到了提升。
【附圖說明】
[0020] 圖1為具有電池能量平衡功能的單相五電平逆變器拓撲結構圖。
[0021 ]圖2為本實用新型的五電平逆變器拓撲的應用整體框圖。
【具體實施方式】
[0022] -種具有電池能量平衡機制的單相五電平逆變器，如圖1所示，包括兩個電池（電 壓分別為Vdcl、Vdc2)、7個M0SFET(S1-S7)、6個二極管(D1-D6)、兩個輸出濾波電感(L1、L2); 第一電池的正極與SI的漏極、S6的漏極相連，SI的源極與Dl的負極、S2的漏極相連，S2的源 極與S3的漏極、Ll的一端相連，S3的源極與D2的正極、S4的漏極連接，Dl的正極、D2的負極與 第一電池的負極、第二電池的正極、D5的正極、D6的負極共連，S6的源極與D3的正極、D4的負 極、S7的漏極、L2的一端相連，S4的源極、S7的源極均與第二電池的負極相連，D3的負極、D5 的負極與S5的漏極相連，D4的正極、D6的正極與S5的源極相連，Ll的另一端及L2的另一端分 別與負載R的兩端相連。
[0023] 該拓撲結構是把二極管嵌位三電平的輸出接在負載的一端，負載的另一端接的是 半橋二電平結構的輸出點。雙向開關S5是連在自然中點和半橋二電平的輸出點之間。二極 管鉗位三電平可以產生Vdcl，0,以及-Vdc2的電平，半橋兩電平的逆變輸出可以產生Vdcl， 和-Vdc2的電壓，即該拓撲可以輸出五個電平+(Vdcl+Vdc2)，Vdcl，0，-Vdc2，W&-(Vdcl + Vdc2)。如果兩個電池的電壓被很好的平衡至能量大約相等，同時使得它們的電壓相等，即 有VdcI = Vdc2 = 0.5Vdc，則可以發現產生的五電平將變為+Vdc，+0.5Vdc，O，-0.5Vdc，and-Vdc。每個電平對應的開關組合如表1所示，表中還給出了兩節電池的功率，其中P1表示電池 1即Vdc 1的功率，其中P2表示電池2 即Vdc2的功率，其中P表示該逆變器輸出的功率。表中列 出了輸出各個電平下的開關冗余狀態，其中在〇. 5Vdc和-0.5Vdc時的開關冗余狀態對電池 的能量是有不同影響的，利用這個特點可以解決在兩個電池電量不平衡時的問題。
[0024] 表 1
[0025]
[0026] 將本實用新型地拓撲結構應用于光伏發電系統中，如圖2所示，為該拓撲的應用整 體框圖，該拓撲可專門針對解決兩個電池組串聯逆變的能量平衡問題。兩個電池的電壓比 較高，可以是單體高壓電池或者多節電池的串聯組成，如果是串聯的話內部自帶均衡管理。 輸出為交流負載，比如交流電機或大電網。兩個獨立的光伏板先各自將太陽能轉變為電能 儲存在電池中（一般是大容量單體電池或者帶有均衡的電池組，以后的描述將用"電池"表 示），然后兩個電池組合在一起作為直流母線側進行逆變，太陽能光伏板給電池的充電控制 器包含MPPT最大功率跟蹤算法。逆變采用本實用新型提出的單相五電平逆變拓撲。理想情 況下每個電池提供逆變輸出能量的一半。
[0027] 光伏系統中兩個電池的能量不協調或許是因為部分光伏板被云或者樹遮擋或者 出現局部熱點等原因導致的。陰影的出現會減小電池的充電功率，熱點會增加電池的充電 功率，這都會使得電池的能量不再平衡從而導致電池的SOC出現不平衡。通常而言，在一些 獨立的光伏逆變系統，負載用電的時間要大于光照的時間。如果電池持續的在不平衡的情 況下運行，低電量的電池將很快被用完并導致系統很快癱瘓。這也使得其它電池未被充分 利用。
[0028] 在本實用新型的拓撲結構中，一個有效的平衡電池充放電的能量均衡方法是使用 同一電平的冗余開關狀態進行電池電量平衡。在輸出+Vdc和-Vdc時，兩個電池各提供輸出 功率的一半，無法對電池的電量進行平衡。在輸出電平為+〇. 5Vdc和-0.5Vdc時，則可以使用 冗余狀態進行電池的功率分配，從而實現兩個電池的能量(即電量)平衡。在輸出為〇電平時 候，電池功率為O。
[0029] 如果電池的容量差在限制范圍內，則認為電池1和電池2的能量相等。如果電源的 電量差別絕對值超過限制值，則認為它們的電量不相等，通過比較確定電池1和電池2的能 量大小關系。開關狀態的分配如下(參照表1):
[0030] 情況1:當電池1能量等于電池能量2時，在+0.5Vdc時，選擇開關狀態組合序號3 (2)，由電池1 (2)進行輸出電能;在-0.5Vdc時，選擇開關狀態組合序號8(7)，由電池2(1)進 行輸出電能(兩種方式以一定頻率輪流工作，從而起到均衡開關管散熱的目的）；輸出〇則三 種開關組合4、5、6狀態輪流工作，可以起到開關管發熱均衡的作用。
[0031] 情況2:當電池1能量大于電池能量2時，在+0.5Vdc時，選擇開關狀態組合序號3，由 電池1進行輸出電能;在-0.5Vdc時，選擇開關狀態組合序號7，由電池1進行輸出電能;輸出0 則三種開關組合4、5、6狀態輪流工作，可以起到開關管發熱均衡的作用。這使得電池之間的 電量(SOC)差異縮小。直到恢復到電池1和電池2能量相等，進入情況1。
[0032]情況3:當電池2能量大于電池能量1時，在+0.5Vdc時，選擇開關狀態組合序號2，由 電池2進行輸出電能;在-0.5Vdc時，選擇開關狀態組合序號8，由電池2進行輸出電能;輸出0 則三種開關組合4、5、6狀態輪流工作，可以起到開關管發熱均衡的作用。這使得電池之間的 電量(SOC)差異縮小。直到恢復到電池1和電池2能量相等，進入情況1。
[0033]其實可以發現，兩個電池提供的功率可以進行精確計算，而且它們的數值大小主 要依賴于幅度調制比，這樣的特點可以很好地用在電池的能量平衡方面。
[0034] 采用MATLAB/Simul ink里面的元器件搭建仿真模型，對本實用新型提出的單相五 電平逆變器進行仿真并對其電能平衡作用進行驗證，仿真參數如表2所示，仿真結果表明， 隨著調制波幅度調制比的下降，兩節電池提供的總能量下降，當幅度調制比下降到0.5以下 時，逆變器蛻變為三電平逆變。但是不管幅度調制比為多少，該拓撲均可以實現能量之間的 均衡，這對于保證逆變器安全穩定運行以及延長電池壽命具有重要意義。
[0035]表 2
[0037]^本實用新型提出的拓撲結構可以很好實現單相五電平逆變，輸出電壓、電流諧波 含量少，控制方便。該逆變方案和傳統的五電平逆變器(比如中點鉗位多電平，飛跨電容多 電平以及全橋級聯型多電平)相比具有很多優點，。比傳統的五電平逆變拓撲需要更少的開 關管以及更少的鉗位二極管。基于PWM的移向載波調制被應用于該五電平逆變器的控制中。 利用冗余的開關組合狀態實現電池電量的平衡，尤其當局部光伏板發生陰影遮擋或者強光 照射的情況。本實用新型可以很好地應用于單相光伏微逆變或者微網中，尤其對于無電網 接入的獨立光伏逆變系統，這種拓撲具有很好的應用前景。
【主權項】
1. 一種具有電池能量平衡功能的單相五電平逆變器，包括:第一電池、第二電池、第一 開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管、第五開關管、第六開關管、第七開關管、第一 二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管、第五二極管、第六二極管、第一濾波電感、第 二濾波電感； 上述所有開關管均采用MOSFET開關器件； 第一電池的正極與第一開關管的漏極、第六開關管的漏極相連，第一開關管的源極與 第一二極管的負極、第二開關管的漏極相連，第二開關管的源極與第三開關管的漏極、第一 濾波電感的一端相連，第三開關管的源極與第二二極管的正極、第四開關管的漏極連接，第 一二極管的正極、第二二極管的負極與第一電池的負極、第二電池的正極、第五二極管的正 極、第六二極管的負極共連，第六開關管的源極與第三二極管的正極、第四二極管的負極、 第七開關管的漏極、第二濾波電感的一端相連，第四開關管的源極、第七開關管的源極均與 第二電池的負極相連，第三二極管的負極、第五二極管的負極與第五開關管的漏極相連，第 四二極管的正極、第六二極管的正極與第五開關管的源極相連，第一濾波電感的另一端及 第二濾波電感的另一端分別與負載的兩端相連。
【文檔編號】H02M7/483GK205490218SQ201620136856
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月5日
【發明人】常曉飛, 楊雁勇
【申請人】浙江大學