CN203537261U - 七电平单相光伏并网逆变器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种七电平单相光伏并网逆变器，包括交流接入端口、电抗器、功率开关电路及第一光伏电池模块、第二光伏电池模块和第三光伏电池模块，交流接入端口设有a端和b端，功率开关电路包括八个功率开关，第一光伏电池模块、第二光伏电池模块和第三光伏电池模块均具有正向端和负向端，电抗器的一端连接交流端口的a端，电抗器的另一端、交流端口的b端分别与功率开关电路电连接。本实用新型功率开关数量少，结构简单，降低了逆变器对控制器的依赖，可以提高整个***的稳定性，在实际的应用中每个开关的开关应力较小，可以降低逆变器本身的能耗，有效减少散热器的体积，增加逆变器整体效益。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种逆变器，尤其是指一种七电平单相光伏并网逆变器。
背景技术
随着科学技术的进步和认可的增加，世界各国不得不去面对能源匮乏的问题。利用光伏电池产生的电能，经过并网逆变器输送到电网中，是太阳能主要的应用方式。2009年后，太阳能并网逆变器产业开始复苏，同时多晶硅的生产规模扩充有利于太阳能成倍降低，而逆变器的开关器件和控制技术也逐渐的成熟，这样就更一步促进了太阳能的并网技术的整体发展。太阳能并网逆变器就是将太阳能电池发出的直流电通过逆变器反馈回电网，可见并网逆变器是核心部分。太阳能并网逆变器主要有电压型和电流型，电压型逆变器要求并网的电压与电网电压一直；电流型并网逆变器要求并网点的电流与电网电压相同，目前并网逆变器主要采用电流型。无论是电压型还是电流型，都要求逆变器的直流电压略高于电网电压。
目前，太阳能逆变器主要有三种结构：工频隔离型、高频隔离型和非隔离型。工频隔离型主要采用DC/AC电路，分为单相全桥电路和三相全桥电路。具有电路简洁、控制简单、与电网隔离的优点，但是工频变压器体积较大，导致这种结构在小功率的并网逆变器中应用较少。高频隔离型并网逆变器有DC/AC、AC/DC、DC/AC和高频变压器组成。其中前端的DC/AC和高频变压器的功能主要是将电压升高，然后通过逆变后将电能输送到电网。高频变压器不仅可以传递能力还可以实现隔离的作用。这种结构使用了高频变压器，克服了工频变压器体积较大的缺点，但是由于电路结构复杂、损耗较大，一般只是应用于中、小***。非隔离型并网***，一般是直接将太阳能电池产生的直流电通过DC/DC电路，将电压升到可以逆变到电网电压，在经过DC/AC电路将能量回馈到电网。这种结构简单、电路损耗较小的优点，缺点是没有采用隔离***，电网的波动会对并网***造成影响，因此应用主要是小型***。在传统的非隔离***中逆变桥主要采用H全桥电路。这种电路的缺点是谐波含量较大，要求直流电压大于电网电压的最大值，因此对前级的升压电路设计较为严格。
实用新型内容
为了解决现有的太阳能逆变器电路结构复杂、损耗较大的问题，本实用新型提出了一种七电平单相光伏并网逆变器，功率开关数量少，结构简单，谐波含量小，降低了逆变器对控制器的依赖，可以提高整个***的稳定性，降低逆变器本身的能耗，有效减少散热器的体积，增加逆变器整体效益。
本实用新型所采用的技术方案是：一种七电平单相光伏并网逆变器，包括交流接入端口、电抗器L1、功率开关电路及第一光伏电池模块、第二光伏电池模块和第三光伏电池模块，所述的交流接入端口设有a端和b端，所述的功率开关电路包括功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3、功率开关Q4、功率开关Q5、功率开关Q6、功率开关Q7和功率开关Q8，所述的第一光伏电池模块、第二光伏电池模块和第三光伏电池模块均具有正向端和负向端，所述电抗器L1的一端连接交流端口的a端，电抗器L1的另一端与功率开关Q1的发射极、功率开关Q4的集电极电连接，交流端口的b端与功率开关Q2的发射极、功率开关Q3的集电极电连接，功率开关Q1的集电极、功率开关Q2的集电极、功率开关Q5的发射极、功率开关Q6的发射极电连接，功率开关Q3的发射极、功率开关Q4的发射极、功率开关Q7的发射极、功率开关Q8的集电极电连接，第一光伏电池模块的正向端与功率开关Q5的集电极电连接，第一光伏电池模块的负向端、第二光伏电池模块的正向端分别与功率开关Q6的集电极电连接，第二光伏电池模块的负向端、第三光伏电池模块的正向端分别与功率开关Q7的集电极电连接，第三光伏电池模块的负向端与功率开关Q8的发射极电连接。
当光伏电池的电压值均相同时，本实用新型可以输出七个不同的电平组合，具有功率开关少、控制简单、运行稳定：功率开关Q1与功率开关Q4，功率开关Q2与功率开关Q3，功率开关Q5与功率开关Q6，功率开关Q7与功率开关Q8，是四组互补的功率开关，每组中的一个功率开关导通时另一个功率开关则断开，且每组互补功率开关之间有死区时间控制。本实用新型采用的电压等级比采用传统H桥的电压等级多，因此逆变输出电流的谐波含量较少，由于单个功率开关的开关应力要小于H桥的开关压力，因此在相同电流的情况下，功耗要低。
作为优选，所述的电抗器L1为平波电抗器。平波电抗器用来连接功率开关电路与交流电网。
作为优选，所述的电抗器L1与交流端口之间连接有二极管D1和滤波电容C4，所述二极管D1的正极连接电抗器L1，二极管D1的负极连接交流接入端口的a端，所述滤波电容C4的两端分别连接二极管D1的正极和交流接入端口的b端。二极管D1用来防止交流电网能量的倒灌，防止母线电压较低时电网电流流向逆变器侧；滤波电容C4用于逆变电路的滤波，滤去高频电流分量。
作为优选，所述的功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3、功率开关Q4、功率开关Q5、功率开关Q6、功率开关Q7、功率开关Q8均为IGBT。
作为另一优选，所述的功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3、功率开关Q4、功率开关Q5、功率开关Q6、功率开关Q7、功率开关Q8均为MOSFET。MOSFET元件适合用于小功率场合。
作为优选，所述的第一光伏电池模块、第二光伏电池模块和第三光伏电池模块均包括光伏电池和直流电容，直流电容并联在光伏电池两极。
作为优选，所述的第一光伏电池模块、第二光伏电池模块和第三光伏电池模块中至少一个光伏电池模块还包括升压电路，所述的升压电路包括功率开关Q9、电抗器L2、二极管D2和电容C5，电容C5并联在光伏电池两极，电抗器L2两端分别与光伏电池的正极、二极管D2的正极电连接，直流电容的两端分别与二极管D2的负极、光伏电池的负极电连接，功率开关Q9的发射极与光伏电池的负极电连接，功率开关Q9的集电极与二极管D2的正极电连接。
本实用新型将直流电压分为两个部分，其中的一部分直流电压采用升压电路，另一部分直流电压直接取自太阳能电池，这种电路结构不仅可以实现太阳能的并网发电，而且相比于传统电路具有电流谐波小，稳定性高，电路功耗低的优点。升压电路采用由功率开关和电抗器组成的boost电路，负责将光伏电池产生的直流电压升压后输送给直流电容，二极管D2负责防止电流的倒灌，电容C5起到直流电压支撑作用。
作为进一步的优选，所述的功率开关Q9为IGBT。
作为进一步的另一优选，所述的功率开关Q9为MOSFET。
作为更进一步的优选，所述的三个光伏电池模块中有且仅有第二光伏电池模块包括升压电路，第一光伏电池模块的光伏电池和第三光伏电池模块的光伏电池电压相同。
本实用新型采用三组光伏电池，只需要对其中一组光伏电池模块采用boost升压电路，其他两组不采用，可以减少电压的复杂度，还能提高***的稳定性；中间的光伏电池模块采用boost升压电路，而两边的光伏电池模块的光伏电池电压相同，使电路保持对称性。
本实用新型的有益效果是：功率开关数量少，结构简单，降低了逆变器对控制器的依赖，可以提高整个***的稳定性，在实际的应用中每个开关的开关应力较小，可以降低逆变器本身的能耗，有效减少散热器的体积，增加逆变器整体效益。
附图说明
图1是本实用新型的一种电路结构图；
图2是本实用新型的一种电路图。
图中，1-第一光伏电池模块，2-第二光伏电池模块，3-第三光伏电池模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1所示，一种七电平单相光伏并网逆变器，包括交流接入端口J1、电抗器L1、功率开关电路及三个光伏电池模块，三个光伏电池模块分别为第一光伏电池模块1、第二光伏电池模块2和第三光伏电池模块3且均具有正向端和负向端，交流接入端口J1设有a端和b端，电抗器L1为平波电抗器，用来连接功率开关电路与交流电网。功率开关电路包括均为IGBT元件的功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3、功率开关Q4、功率开关Q5、功率开关Q6、功率开关Q7和功率开关Q8。
电抗器L1与交流端口之间连接有二极管D1和滤波电容C4，二极管D1的正极连接电抗器L1，二极管D1的负极连接交流接入端口J1的a端，滤波电容C4的两端分别连接二极管D1的正极和交流接入端口J1的b端。二极管D1防止电网能量的倒灌，并防止母线电压较低时电网电流流向逆变器侧。滤波电容C4用于逆变电路的滤波，滤去高频电流分量，使电网电路质量更好。
电抗器L1的一端连接交流端口J1的a端，电抗器L1的另一端与功率开关Q1的发射极、功率开关Q4的集电极电连接，交流端口的b端与功率开关Q2的发射极、功率开关Q3的集电极电连接，功率开关Q1的集电极、功率开关Q2的集电极、功率开关Q5的发射极、功率开关Q6的发射极电连接，功率开关Q3的发射极、功率开关Q4的发射极、功率开关Q7的发射极、功率开关Q8的集电极电连接。功率开关Q1与功率开关Q4，功率开关Q2与功率开关Q3，是两组互补的功率开关，每组中的一个功率开关导通时另一个功率开关则断开，且每组互补功率开关之间有死区时间控制。本实用新型采用的电压等级比采用传统H桥的电压等级多，因此逆变输出电流的谐波含量较少，由于单个功率开关的开关应力要小于H桥的开关压力，因此在相同电流的情况下，功耗要低。
如图2所示，第一光伏电池模块由光伏电池V1和直流电容C1组成，直流电容C1并联在光伏电池V1的两极，第一光伏电池模块的正向端（光伏电池V1的正极）与功率开关Q5的集电极电连接，第一光伏电池模块的负向端（光伏电池V1的负极）与功率开关Q6的集电极电连接。功率开关Q5与功率开关Q6是一组互补的功率开关，一个功率开关导通时另一个功率开关则断开。功率开关Q5导通、功率开关Q6断开时，光伏电池V1和直流电容C1接入电路，光伏电池V1的能量回馈到电网；功率开关Q6导通、功率开关Q5断开时，光伏电池V1和直流电容C1处于悬浮状态。
如图2所示，第二光伏电池模块由光伏电池V2、直流电容C2及升压电路组成，升压电路包括IGBT元件构成的功率开关Q9、电抗器L2、二极管D2和电容C5，电容C5并联在光伏电池V2两极，电抗器L2两端分别与光伏电池V2的正极、二极管D2的正极电连接，直流电容C2的两端分别与二极管D2的负极、光伏电池V2的负极电连接，功率开关Q9的发射极与光伏电池V2的负极电连接，功率开关Q9的集电极与二极管D2的正极电连接。第二光伏电池模块的正向端（二极管D2的负极）与功率开关Q6的集电极电连接，第二光伏电池模块的负向端（光伏电池V2的负极）与功率开关Q7的集电极电连接。功率开关Q9、电抗器L2构成一个boost电路，负责将光伏电池V2产生的直流电压升压后输送给直流电容C2，二极管D2负责防止电流的倒灌，电容C5起到直流电压支撑作用。
如图2所示，第三光伏电池模块由光伏电池V3和直流电容C3组成，直流电容C3并联在光伏电池V3的两极，第一光伏电池模块的正向端（光伏电池V3的正极）与功率开关Q7的集电极电连接，第一光伏电池模块的负向端（光伏电池V3的负极）与功率开关Q8的发射极电连接。功率开关Q7与功率开关Q8是一组互补的功率开关，一个功率开关导通时另一个功率开关则断开。功率开关Q8导通、功率开关Q7断开时，光伏电池V3和直流电容C3接入电路，光伏电池V3的能量回馈到电网；功率开关Q7导通、功率开关Q8断开时，光伏电池V3和直流电容C3处于悬浮状态。
为了保证电路的对称性，设置光伏电池V1和光伏电池V3的电压相同，直流电容C1和直流电容C3的参数也相同。当光伏电池V1和光伏电池V3的电压为Vdc，光伏电池V2的电压为Vdc0时，本实用新型在交流的接口端可以产生的电压：0、Vdc0、-Vdc0、Vdc0+Vdc、-（Vdc0+Vdc）、Vdc0+2Vdc和-（Vdc0+2Vdc），一共七个电压等级。由于电压等级比采用传统H桥的电压等级多，因此该电路逆变输出电流的谐波含量较少。而且由于单个功率开关的开关应力要小于H桥的开关应力，因此在相同电流的情况下，功耗要低。本实用新型的电路中采用三组光伏电池，只需要对其中一组光伏电池采用boost升压电路，其他的两组则不用，从而减少了电路的复杂度，提高了***的稳定性。
以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种七电平单相光伏并网逆变器，其特征在于：包括交流接入端口、电抗器L1、功率开关电路及第一光伏电池模块、第二光伏电池模块和第三光伏电池模块，所述的交流接入端口设有a端和b端，所述的功率开关电路包括功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3、功率开关Q4、功率开关Q5、功率开关Q6、功率开关Q7和功率开关Q8，所述的第一光伏电池模块、第二光伏电池模块和第三光伏电池模块均具有正向端和负向端，所述电抗器L1的一端连接交流端口的a端，电抗器L1的另一端与功率开关Q1的发射极、功率开关Q4的集电极电连接，交流端口的b端与功率开关Q2的发射极、功率开关Q3的集电极电连接，功率开关Q1的集电极、功率开关Q2的集电极、功率开关Q5的发射极、功率开关Q6的发射极电连接，功率开关Q3的发射极、功率开关Q4的发射极、功率开关Q7的发射极、功率开关Q8的集电极电连接，第一光伏电池模块的正向端与功率开关Q5的集电极电连接，第一光伏电池模块的负向端、第二光伏电池模块的正向端分别与功率开关Q6的集电极电连接，第二光伏电池模块的负向端、第三光伏电池模块的正向端分别与功率开关Q7的集电极电连接，第三光伏电池模块的负向端与功率开关Q8的发射极电连接。
2.根据权利要求1所述的七电平单相光伏并网逆变器，其特征在于：所述的电抗器L1为平波电抗器。
3.根据权利要求1或2所述的七电平单相光伏并网逆变器，其特征在于：所述的电抗器L1与交流端口之间连接有二极管D1和滤波电容C4，所述二极管D1的正极连接电抗器L1，二极管D1的负极连接交流接入端口的a端，所述滤波电容C4的两端分别连接二极管D1的正极和交流接入端口的b端。
4.根据权利要求1所述的七电平单相光伏并网逆变器，其特征在于：所述的功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3、功率开关Q4、功率开关Q5、功率开关Q6、功率开关Q7、功率开关Q8均为IGBT。
5.根据权利要求1所述的七电平单相光伏并网逆变器，其特征在于：所述的功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3、功率开关Q4、功率开关Q5、功率开关Q6、功率开关Q7、功率开关Q8均为MOSFET。
6.根据权利要求1所述的七电平单相光伏并网逆变器，其特征在于：所述的第一光伏电池模块、第二光伏电池模块和第三光伏电池模块均包括光伏电池和直流电容，直流电容并联在光伏电池两极。
7.根据权利要求6所述的七电平单相光伏并网逆变器，其特征在于：所述的第一光伏电池模块、第二光伏电池模块和第三光伏电池模块中至少一个还包括升压电路，所述的升压电路包括功率开关Q9、电抗器L2、二极管D2和电容C5，电容C5并联在光伏电池两极，电抗器L2两端分别与光伏电池的正极、二极管D2的正极电连接，直流电容的两端分别与二极管D2的负极、光伏电池的负极电连接，功率开关Q9的发射极与光伏电池的负极电连接，功率开关Q9的集电极与二极管D2的正极电连接。
8.根据权利要求7所述的七电平单相光伏并网逆变器，其特征在于：所述的功率开关Q9为IGBT。
9.根据权利要求7所述的七电平单相光伏并网逆变器，其特征在于：所述的功率开关Q9为MOSFET。
10.根据权利要求7或8或9所述的七电平单相光伏并网逆变器，其特征在于：所述的三个光伏电池模块中有且仅有第二光伏电池模块包括升压电路，第一光伏电池模块的光伏电池和第三光伏电池模块的光伏电池电压相同。
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