CN220915172U - 一种共地型开关电容逆变器拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种共地型开关电容逆变器拓扑电路，包括功率开关组、开关电容器组、第一二极管、输入电压源以及LC输出滤波器，所述功率开关组和所述开关电容器组电性连接，所述第一二极管与所述开关电容器组电性连接，所述输入电压源与所述开关电容器组电性连接，所述LC输出滤波器与所述开关电容器组电性连接，所述功率开关组用于切换电路通断，所述开关电容器组用于降低纹波损耗，所述输入电压源用于提供200V电压，所述LC输出滤波器用于滤除开关频率的纹波。本实用新型降低了电容器纹波损耗，同时具有2倍的电压增益能力和电容电压自平衡能力，损耗较少。

Description

一种共地型开关电容逆变器拓扑电路

技术领域

本实用新型涉及光伏和微电网技术领域，具体涉及一种共地型开关电容逆变器拓扑电路。

背景技术

由于可再生能源输出电压的提升，五电平开关电容器逆变器已被普遍用于新能源发电和微电网中，与三电平逆变器相比，五电平开关电容器逆变器可以降低电压和电流谐波，并且可以使用低耐压半导体开关。但由于传统的五电平开关电容器逆变器中不含变压器的，这会导致光伏和电网之间的漏电流，从而降低THD和运行安全性。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种共地型开关电容逆变器拓扑电路，以解决现有技术中光伏和电网之间的漏电流以及启动电流过大的问题；本实用新型的共地型开关电容逆变器拓扑结构产生5电平输出电压，同时具有2倍的电压增益能力以及电容电压自平衡能力。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种共地型开关电容逆变器拓扑电路，包括功率开关组、开关电容器组、第一二极管、输入电压源以及LC输出滤波器，所述功率开关组和所述开关电容器组电性连接，所述第一二极管与所述开关电容器组电性连接，所述输入电压源与所述开关电容器组电性连接，所述LC输出滤波器与所述开关电容器组电性连接，所述功率开关组用于切换电路通断，所述开关电容器组用于降低纹波损耗，所述输入电压源用于提供200V电压，所述LC输出滤波器用于滤除开关频率的纹波。

在本实用新型中，优选地，所述功率开关组包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关、第五功率开关、第六功率开关和第七功率开关，所述第一功率开关与输入电压源的一端相连，输入电压源的另一端通过第三功率开关、第二功率开关与第一功率开关相连，所述第四功率开关和所述第五功率开关并接于所述第二功率开关和第三功率开关两端，所述第一二极管、所述第六功率开关、所述第七功率开关并接于所述第三功率开关和所述第四功率开关两端。

在本实用新型中，优选地，所述开关电容器组包括第一电容和第二电容，所述第一电容的一端接于所述第二功率开关与所述第三功率开关之间，所述第一电容的另一端接于所述第四功率开关和所述第五功率开关之间，所述第二电容的一端接于所述第四功率开关和所述第五功率开关之间，所述第二电容的另一端接于所述第六功率开关和所述第七功率开关之间。

在本实用新型中，优选地，所述第一功率开关包括一单向开关和一与之串联的第二二极管。

在本实用新型中，优选地，所述第五功率开关设置为一双向开关，所述双向开关包括两个相互串接的单向开关。

在本实用新型中，优选地，所述LC输出滤波器包括滤波电感，所述滤波电感一端接于所述第六功率开关与所述第一二极管之间，所述第六功率开关的另一端通过交流信号源与所述第七功率开关。

本实用新型具有的优点和积极效果是：本实用新型通过设计包括功率开关组、开关电容器组、第一二极管、输入电压源以及LC输出滤波器在内的共地型开关电容逆变器拓扑中，两个开关电容器的存在降低了电容器纹波损耗，同时具有2倍的电压增益能力和电容电压自平衡能力，由于具有共地能力，可以提高输入电压，同时可以输出无功，可以用于光伏等领域；逆变器具有较少的半导体开关器件，损耗较少。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路的拓扑结构图；

图2是本实用新型的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路的第一功率开关的结构示意图；

图3是本实用新型的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路的第五功率开关的结构示意图；

图4是本实用新型的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路的第一种工作模式的结构示意图；

图5是本实用新型的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路的第二种工作模式的结构示意图；

图6是本实用新型的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路的第三种工作模式的结构示意图；

图7是本实用新型的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路的第四种工作模式的结构示意图；

图8是本实用新型的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路的第五种工作模式的结构示意图；

图9是本实用新型的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路的输出电压、电流的仿真波形图。

图中：S₁、第一功率开关；S₂、第二功率开关；S₃、第三功率开关；S₄、第四功率开关；S₅、第五功率开关；S₆、第六功率开关；S₇、第七功率开关；C₁、第一电容；C₂、第二电容；VD、第一二极管；V_in、输入电压源；L、滤波电感。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本实用新型提供一种共地型开关电容逆变器拓扑电路，包括功率开关组、开关电容器组、第一二极管V_D、输入电压源V_in以及LC输出滤波器，功率开关组和开关电容器组电性连接，第一二极管V_D与开关电容器组电性连接，输入电压源V_in与开关电容器组电性连接，LC输出滤波器与开关电容器组电性连接，功率开关组用于切换电路通断，开关电容器组用于降低纹波损耗，输入电压源V_in用于提供200V电压，LC输出滤波器用于滤除开关频率的纹波。

在本实施例中，进一步地，功率开关组包括第一功率开关S₁、第二功率开关S₂、第三功率开关S₃、第四功率开关S₄、第五功率开关S₅、第六功率开关S₆和第七功率开关S₇，第一功率开关S₁与输入电压源V_in的一端相连，输入电压源V_in的另一端通过第三功率开关S₃、第二功率开关S₂与第一功率开关S₁相连，第四功率开关S₄和第五功率开关S₅并接于第二功率开关S₂和第三功率开关S₃两端，第一二极管V_D、第六功率开关S₆、第七功率开关S₇并接于第三功率开关S₃和第四功率开关S₄两端。

在本实施例中，进一步地，开关电容器组包括第一电容C₁和第二电容C₂，第一电容C₁的一端接于第二功率开关S₂与第三功率开关S₃之间，第一电容C₁的另一端接于第四功率开关S₄和第五功率开关S₅之间，第二电容C₂的一端接于第四功率开关S₄和第五功率开关S₅之间，第二电容C₂的另一端接于第六功率开关S₆和第七功率开关S₇之间，每个开关电容器在正半周期内充电到输入源电压水平，电网中性点直接连接到输入电压源V_in的中性点端。

如图2所示，在本实施例中，进一步地，第一功率开关S₁包括一单向开关和一与之串联的超快恢复的第二二极管。

如图3所示，在本实施例中，进一步地，第五功率开关S₅设置为一双向开关，双向开关包括两个相互串接的单向开关。

如图4至图8所示，分别为5种不同工作模式，输出电流路径用虚线表示，第一种工作模式为第一功率开关S₁、第二功率开关S₂和第五功率开关S₅闭合，第三功率开关S₃、第四功率开关S₄、第六功率开关S₆、第七功率开关S₇断开的情形；第二种工作模式为第二功率开关S₂、第七功率开关S₇闭合，第一功率开关S₁、第三功率开关S₃、第四功率开关S₄、第五功率开关S₅、第六功率开关S₆断开的情形；第三种工作模式为第一功率开关S₁、第四功率开关S₄、第六功率开关S₆、第七功率开关S₇闭合，第二功率开关S₂、第三功率开关S₃、第五功率开关S₅断开的情形；第四种工作模式为第五功率开关S₅、第六功率开关S₆闭合，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂、第三功率开关S₃、第四功率开关S₄、第七功率开关S₇断开的情形；第五种工作模式为第三功率开关S₃、第六功率开关S₆闭合，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂、第四功率开关S₄、第五功率开关S₅、第七功率开关S₇断开的情形。

在本实施例中，进一步地，LC输出滤波器包括滤波电感L，滤波电感L一端接于第六功率开关S₆与第一二极管V_D之间，第六功率开关的另一端通过交流信号源与第七功率开关S₇，滤波电感L用于滤除开关频率的纹波，采用正弦脉宽调制(SPWM)对新型五电平逆变器进行控制。通过对逆变器在一个完整运行周期内的分析，得到逆变器的等效电路。为了验证分析的有效性，在MATLAB软件中对所提出的逆变器进行了仿真。

为了验证所提电路拓扑的有效性，搭建了共地型开关电容逆变器仿真模型，参数如表1所示：

表1

仿真结果如图7，在输出电压电平中没有任何尖峰，产生了5电平电压波形。此外，在这种情况下，开关电容器组的第一电容C₁和第二电容C₂的电压可以被充电到200V的输入电压水平。可以看出，每输入电压为200V，输出电压的最大值已增加到400V。

本实用新型的特点在于：

1)本实用新型的共地型开关电容逆变器拓扑中，两个开关电容器的存在降低了电容器纹波损耗，同时具有2倍的电压增益能力和电容电压自平衡能力。

2)本实用新型的共地型开关电容逆变器结构中，由于具有共地能力，可以提高输入电压，同时可以输出无功，可以用于光伏等领域。

3)本实用新型的共地型开关电容逆变器结构中，逆变器具有较少的半导体开关器件，损耗较少。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种共地型开关电容逆变器拓扑电路，其特征在于，包括功率开关组、开关电容器组、第一二极管、输入电压源以及LC输出滤波器，所述功率开关组和所述开关电容器组电性连接，所述第一二极管与所述开关电容器组电性连接，所述输入电压源与所述开关电容器组电性连接，所述LC输出滤波器与所述开关电容器组电性连接，所述功率开关组用于切换电路通断，所述开关电容器组用于降低纹波损耗，所述输入电压源用于提供200V电压，所述LC输出滤波器用于滤除开关频率的纹波。

2.根据权利要求1所述的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路，其特征在于，所述功率开关组包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关、第五功率开关、第六功率开关和第七功率开关，所述第一功率开关与输入电压源的一端相连，输入电压源的另一端通过第三功率开关、第二功率开关与第一功率开关相连，所述第四功率开关和所述第五功率开关并接于所述第二功率开关和第三功率开关两端，所述第一二极管、所述第六功率开关、所述第七功率开关并接于所述第三功率开关和所述第四功率开关两端。

3.根据权利要求2所述的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路，其特征在于，所述开关电容器组包括第一电容和第二电容，所述第一电容的一端接于所述第二功率开关与所述第三功率开关之间，所述第一电容的另一端接于所述第四功率开关和所述第五功率开关之间，所述第二电容的一端接于所述第四功率开关和所述第五功率开关之间，所述第二电容的另一端接于所述第六功率开关和所述第七功率开关之间。

4.根据权利要求2所述的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路，其特征在于，所述第一功率开关包括一单向开关和一与之串联的第二二极管。

5.根据权利要求2所述的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路，其特征在于，所述第五功率开关设置为一双向开关，所述双向开关包括两个相互串接的单向开关。

6.根据权利要求2所述的一种共地型开关电容逆变器拓扑电路，其特征在于，所述LC输出滤波器包括滤波电感，所述滤波电感一端接于所述第六功率开关与所述第一二极管之间，所述第六功率开关的另一端通过交流信号源与所述第七功率开关。