CN203251237U

CN203251237U - 一种三相四线制三电平光伏并网逆变器

Info

Publication number: CN203251237U
Application number: CN 201320105885
Authority: CN
Inventors: 曾祥幼; 宋斌; 丁方亭; 束林; 陶国均
Original assignee: ZHEJIANG WOLONG NEW ENERGY CO Ltd; Wolong Electric Group Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG WOLONG NEW ENERGY CO Ltd; Wolong Electric Drive Group Co Ltd
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2023-03-08

Abstract

一种三相四线制三电平光伏并网逆变器，涉及一种逆变器。目前，逆变器的元器件数量较多、损耗相对较大，成本相对较高。本实用新型特征在于：三电平逆变电路包括电容电路和三相桥臂，每相桥臂的中点引出三根相线，电容电路的中点引出中性线；三根相线及中性线经过滤波电路后接入三相电网；第一、第四开关管串联后跨接在直流母线两端，第一开关管与第四开关管的连接点和第一电容与第二电容的连接点之间设第三开关管、第二开关管；每一开关管的源极和漏极之间并联一正极与漏极相连的二极管。本技术方案，元器件少，在每一个桥臂上，设2个续流二极管器件，成本低，稳定性好，效率大，在一个周期内每个桥臂的导通损耗低。

Description

一种三相四线制三电平光伏并网逆变器

技术领域

本实用新型涉及一种逆变器的电路拓扑结构。

背景技术

随着人们生活水平的提高和社会的技术进步，电能成为人们日常生活中必须依赖的能源。然而煤、石油等一次能源日渐减少，而且人们在应用他们的同时，也对环境造成巨大的污染。解决能源问题的根本办法是开发环保型的可再生能源，其中太阳能发电就是其中重要的发展方向。

太阳能发电领域，光伏并网逆变器是核心设备，它在***内实现将太阳能板发出的直流电能逆变成与电网一致的交流电能并入电网中。它一方面是发电设备，同时也是电气***中非常重要的用电电气设备。出于安全的考虑，目前供电***大都是TN-S型电气***，要求在用户侧的零线与地线是分立的两根线，电气设备外壳等不带电部分必须可靠接地，同时避免隐形电气事故。从电气安全的角度来说，逆变器也需要采取三相四线制接线方式。

目前常用的三相逆变器总体来说有两大类：两电平和多电平（以三电平常见）。而二电平逆变器要实现三相四线制接线有两种方式：一是三桥臂、由母线电容电压***引出中性线；二是采用三相四桥臂结构，多用二个开关管构建第四个桥臂，由它引出中性线，并模拟中性点电压输出。第一种方法使得直流母线电压利用率降低，第二种三电平方法多用两只开关管成本提高，但能够提高直流母线电压利用率而应用越来越广泛。

二极管箝位式电压型三电平逆变器拓扑结构如图1，其有如下不足：

1.元器件数量较多。每相桥臂有4个大功率器件的开关管和2个高电压的反并联二极管。元器件较多，稳定性有待提高。

2.损耗相对较大。每相有4个开关管，每次开通关断时，都有2个开关管有损耗。每个周期内损耗叠加会较大。

3.成本相对较高。元器件数量较多，成本较大。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种三相四线制三电平光伏并网逆变器，以达到能兼顾工作稳定性、损耗和成本的目的。为此，本实用新型采取以下技术方案。

一种三相四线制三电平光伏并网逆变器，包括升压电路、三电平逆变电路、滤波电路及控制器，其特征在于：所述的三电平逆变电路包括并联在直流母线两端的电容电路和三相桥臂，每相桥臂的中点引出A、B、C三根相线，电容电路的中点引出中性线；A、B、C三根相线及中性线经过滤波电路后接入三相电网；所述的电容电路包括第一电容、第二电容，第一电容、第二电容串联后跨接在直流母线两端；所述的三相桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，第一、第四开关管串联后跨接在直流母线两端，第一开关管与第四开关管的连接点和第一电容与第二电容的连接点之间设第三开关管、第二开关管；每一开关管的源极和漏极之间并联一正极与漏极相连的二极管。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本实用新型还包括以下附加技术特征。

所述的电容电路由第一电容、第二电容组成；三相桥臂的每相桥臂由第一、第二、第三、第四开关管及分别与第一、第二、第三、第四开关管并联的第一、第二、第三、第四二极管组成；第一开关管的源极及第一电容正极与直流母线正极相连，第一开关管的漏极、第四开关管的源极、第三开关管的源极相连，第四开关管的漏极及第二电容的负极与直流母线负极相连，第三开关管的漏极与第二开关管的漏极相连，第二开关管的源极、第一电容的负极、第二电容的正极相连。

滤波电路包括四组滤波支路分别与A、B、C三根相线及中性线相连，每组滤波支路包括电阻、与电阻串联的电感。

所述的升压电路包括滤波电容、滤波电感、第五开关管、第六二极管及第五二极管，滤波电容的两端分别与输入源正、负极连接，所述的滤波电感一端与正极连接，另一端与第六二极管的正极、开关管的源极连接，开关管的漏极与输入源负极连接，开关管的源极和漏极之间并联正极与漏极相连的第五二极管，第六二极管的负极连接三电平逆变电路的输入端。

有益效果：本技术方案，元器件少，在每一个桥臂上，设2个续流二极管器件，成本低，稳定性好，效率大，在一个周期内每个桥臂的导通损耗低。

附图说明

图1是现有逆变器原理结构图。

图2是本实用新型原理结构图。

图3是T型拓扑与NPC拓扑效率比较图。

图中：C₁-第一电容、C₂-第二电容，S₁-第一开关管、S₂-第二开关管、S₃-第三开关管、S₄-第四开关管、S_b-第五开关管、D₁-第一二极管、D₂-第二二极管、D₃-第三二极管、D₄-第四二极管、D_b0-第五二极管、D_b -第六二极管、L_b-滤波电感、C_b-滤波电容、R-电阻、L-滤波电感。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明。

本实用新型包括升压电路、三电平逆变电路、滤波电路及控制器，所述的三电平逆变电路包括并联在直流母线两端的电容电路和三相桥臂，每相桥臂的中点引出A、B、C三根相线，电容电路的中点引出中性线；A、B、C三根相线及中性线经过滤波电路后接入三相电网；所述的电容电路包括第一电容 C₁、第二电容 C₂，第一电容 C₁、第二电容 C₂串联后跨接在直流母线两端；所述的三相桥臂包括第一开关管S₁、第二开关管 S₂、第三开关管 S₃、第四开关管 S₄，第一、第四开关管 S₁、S₄串联后跨接在直流母线两端，第一开关管 S₁与第四开关管 S₄的连接点和第一电容 C₁与第二电容4 C₂的连接点之间设第三开关管 S₃、第二开关管 S₂；每一开关管的源极和漏极之间并联一正极与漏极相连的二极管。

所述的电容电路由第一电容 C₁、第二电容C₂组成；三相桥臂的每相桥臂由第一、第二、第三、第四开关管 S₁、 S₂ 、S₃、S₄及分别与第一、第二、第三、第四开关管 S₁、 S₂ 、S₃、S₄并联的第一、第二、第三、第四二极管D₁、 D₂ 、D₃、D₄组成；第一开关管S₁的源极及第一电容C₁正极与直流母线正极相连，第一开关管S₁的漏极、第四开关管S₄的源极、第三开关管S₃的源极相连，第四开关管S₄的漏极及第二电容C₂的负极与直流母线负极相连，第三开关管S₃的漏极与第二开关管S₂的漏极相连，第二开关管S₂的源极、第一电容C₁的负极、第二电容C₂的正极相连。滤波电路包括四组滤波支路，四组滤波支路分别与A、B、C三根相线及中性线相连，每组滤波支路包括电阻R、与电阻R串联的电感L_b。

所述的升压电路包括滤波电容C_b、滤波电感L_b、第五开关管S_b、第六二极管D_b及第五二极管D_b0，滤波电容C_b的两端分别与输入源正、负极连接，所述的滤波电感L_b一端与正极连接，另一端与第六二极管D_b的正极、第五开关管Sb的源极连接，第五开关管S_b的漏极与输入源负极连接，第五开关管S_b的源极和漏极之间并联正极与漏极相连的第五二极管D_b0，第六二极管D_b的负极连接三电平逆变电路的输入端。

控制器由TI公司的TMS320F2812 DSP芯片构成，负责检测太阳能板两端电压及输出电流，电网三相电压及逆变器输出三相电流，进行控制算法的计算和电路保护功能的实现，生成BOOST和Inverter电路驱动脉冲分别送至IGBT开关管，控制电路的正常工作。

现有的NPC拓扑结构（如图1所示）与本实用新型的T型拓扑结构（如图2所示），以一相桥臂为比对单元，作如下的比较：

1. 元器件数量

在每一个桥臂上，T型拓扑比NPC拓扑少2个续流二极管器件D₅和D₆，每个该二极管成本约为100人民币，因此T型比NPC可省200人民币的成本。

2. 损耗

a. 正Vbus供电状态时，

NPC电路电流由+Bus经S₁和S₂供电，其损耗包括Loss_S₁_turnon&off、Loss_S_{1_}On和Loss_S₂_On；

T型拓扑电路电流由+Bus经_S1供电，其损耗包括Loss_S₁_turnon&off和Loss_S₁_On。

此状态下，T型比NPC拓扑少一个S₂的导通损耗。

b. 负Vbus供电状态时，

NPC电路电流由滤波电感L_b经S₃和S₄至-Bus，其损耗包括Loss_S₄_turnon&off、Loss_S₃_On和Loss_S₄_On；

T型拓扑电路电流由滤波电感L_b经S₄至-Bus，其损耗包括Loss_S₄_turnon&off和Loss_S₄_On。

此状态下，T型比NPC拓扑少一个S₃的导通损耗。

c. 正Vbus续流状态时，

NPC电路电流由滤波电感经D₁和D₂至+Bus，其损耗包括Loss_D₁_ turnon&turnoff&On、Loss_D₂_turnon&turnoff&On；

T型拓扑电路电流由滤波电感经D₁至+Bus，其损耗包括Loss_D₁_ turnon&turnoff&On。

此状态下，T型比NPC拓扑少一个S₂的导通损耗。

d. 负Vbus续流状态时，

NPC电路电流由-Bus经D₁和D₂至滤波电感，其损耗包括Loss_S₃_ turnon&turnoff&On、Loss_S₄_ turnon&turnoff&On ；

T型拓扑电路电流由-Bus经D₁至滤波电感，其损耗包括Loss_S₄_ turnon&turnoff&On。

此状态下，T型比NPC拓扑少一个S₃的导通损耗。

由上述工作时损耗的比较可以看出，一个周期内每个桥臂T型拓扑比NPC拓扑少2个S₂和S₃的导通损耗。

3.实验数据

将两种拓扑结构方案分别应用在17KT三相光伏逆变器上，输入为600V直流，逆变部分开关管频率为20KHz，输出从20%负载到100%负载，对比效率的实验的数据如图3所示，当逆变器满载运行时，T型拓扑效率为98%，而NPC拓扑效率为97.5%，那么可以计算出满载运行时T型拓扑损耗比NPC小近90W。

以上图2所示的一种三相四线制三电平光伏并网逆变器是本实用新型的具体实施例，已经体现出本实用新型实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本实用新型的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims

1.一种三相四线制三电平光伏并网逆变器，包括升压电路、三电平逆变电路、滤波电路及控制器，其特征在于：所述的三电平逆变电路包括并联在直流母线两端的电容电路和三相桥臂，每相桥臂的中点引出A、B、C三根相线，电容电路的中点引出中性线；A、B、C三根相线及中性线经过滤波电路后接入三相电网；所述的电容电路包括第一电容（C₁）、第二电容（C₂），第一电容（C₁）、第二电容（C₂）串联后跨接在直流母线两端；所述的三相桥臂包括第一开关管（S₁）、第二开关管（S₂）、第三开关管（S₃）、第四开关管（S₄），第一、第四开关管（S₁、S₄）串联后跨接在直流母线两端，第一开关管（S₁）与第四开关管（S₄）的连接点和第一电容（C₁）与第二电容（C₂）的连接点之间设第三开关管（S₃）、第二开关管（S₂）；每一开关管的源极和漏极之间并联一正极与漏极相连的二极管。

2.根据权利要求1所述的一种三相四线制三电平光伏并网逆变器，其特征在于：所述的电容电路由第一电容（C₁）、第二电容（C₂）组成；三相桥臂的每相桥臂由第一、第二、第三、第四开关管（S₁、 S₂ 、S₃、S₄）及分别与第一、第二、第三、第四开关管（S₁、 S₂ 、S₃、S₄）并联的第一、第二、第三、第四二极管（D₁、 D₂ 、D₃、D₄）组成；第一开关管（S₁）的源极及第一电容（C₁）正极与直流母线正极相连，第一开关管（S₁）的漏极、第四开关管（S₄）的源极、第三开关管（S₃）的源极相连，第四开关管（S₄）的漏极及第二电容（C₂）的负极与直流母线负极相连，第三开关管（S₃）的漏极与第二开关管（S₂）的漏极相连，第二开关管（S₂）的源极、第一电容（C1）的负极、第二电容（C₂）的正极相连。

3.根据权利要求2所述的一种三相四线制三电平光伏并网逆变器，其特征在于：滤波电路包括四组滤波支路，四组滤波支路分别与A、B、C三根相线及中性线相连，每组滤波支路包括电阻（R）、与电阻（R）串联的电感（L）。

4.根据权利要求3所述的一种三相四线制三电平光伏并网逆变器，其特征在于：所述的升压电路包括滤波电容（C_b）、滤波电感（L_b）、第五开关管（S_b）、第六二极管（D_b）及第五二极管（D_b0），滤波电容（C_b）的两端分别与输入源正、负极连接；所述的滤波电感（L_b）一端与正极连接，另一端与第六二极管（D_b）的正极、第五开关管（S_b）的源极连接，第五开关管（S_b）的漏极与输入源负极连接，第五开关管（S_b）的源极和漏极之间并联正极与漏极相连的第五二极管（D_b0），第六二极管（D_b）的负极连接三电平逆变电路的输入端。