一种六开关升压共地五电平逆变器装置

1.本实用新型涉及光伏并网逆变器领域，具体涉及一种六开关升压共地五电平逆变器装置。


背景技术：

2.至少在过去十年里，无变压器光伏并网逆变器一直被视为最高效和最受欢迎的太阳能逆变器。这些逆变器由一组串联光伏板(串)供电，它们可以直接连接到电网，提供高效率、低成本和高功率密度。为了满足不同的电网规范和安全标准，各种转换器和控制技术已经在学术界和工业界得到了广泛的演练。无变压器光伏并网逆变器的有效结构应解决由可变共模电压引起的漏电流问题、电压比问题，例如光伏主串数量和电网电压幅度之间的折衷，以及电能质量问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提出一种六开关升压共地五电平逆变器装置，利用其固有的升压特性和单极性脉宽调制方案来改善并网系统的性能。
4.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
5.本实用新型所提出的电路包括直流电源、电容c1、电容c2、八个二极管、第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6、第一滤波电感l1、电网。
6.直流电源输出侧正极与二极管d2阳极及第五开关管s5的集电极相连，直流电源输出测负极与第六开关管s6的发射极及电网零点及第二开关管s2的发射极及二极管d1阴极相连。
7.进一步地，第五开关管s5的发射极与电容c1的负极及第六开关管s6的集电极相连。
8.第一开关管s1的发射极与第二开关管s2的集电极及电容c2的正极及第三开关管 s3的集电极相连。
9.进一步地，第一开关管s1的集电极与二极管d2阴极及电容c1的正极相连。
10.第三开关管s3的发射极与第四开关管s4的集电极及第一滤波电感l1的一端相连。
11.第四开关管s4的发射极与二极管d1的阳极及电容c2的负极相连。
12.进一步地，第一滤波电感l1的另一端与电网相连。
13.进一步地，二极管d1的阴极与电网相连。
14.进一步地，所述开关管均采用绝缘栅双极性晶体管igbt。
15.与现有技术相比，本实用新型电路具有的优势为：所提出的逆变器拓扑，仅通过六个单向功率开关就可以产生至少五个输出电压电平，提高了电能质量并且减小输出滤波器的尺寸。通过公共接地，将光伏板的负端直接连接到电网的零点，能够使逆变器的共模电压恒定，并且消除了漏电流问题。使用超级电容单元的串并联开关转换，可以在单机操作中实现双升压特性，可以利用更低的输入电压值来满足电网电压的峰值。
附图说明
16.图1是本实用新型摘要附图
17.图2
‑
7为电网电压正负半周期内工作的模态图。
具体实施方式
18.下面结合附图对本实用新型做进一步的描述。为了清楚和简明起见，省略了与本实用新型关系不大的其他细节。还需说明的一点是，以下若未有特别详细说明之过程或符号，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
19.本实用新型的电路结构如图1所示，为了方便对此电路进行分析，电路结构中的器件均视为理想器件。
20.图2
‑
图7为此光伏逆变电路在一个时间周期内的工作模态图，为了使电路表示地更加清晰明了，其中相对图1未被给出的电路元器件和连接线为关断状态。正半周期间输出电压零电平的电流路径：
21.对于图2，要在正半周期内使建议的逆变器输出电压为零电平，必须将三个功率开关s6，s2和s3闭合。因此，对于超级电容单元中的并联导通状态开关s6，电容器c1通过正向偏置的超级电容单元的二极管d2在电网电流的每个方向上充电到输入直流电压值(v
dc
)。c2与电网断开连接。
22.逆变器输出电压的第一个正电平的电流路径：
23.与所述的正半周期输出电压的零电平相比，只需转动两个电源开关s1和s2的状态就可以得到输出电压的第一正电平(+v
dc
)。如图3所示，必须再次接通电源开关s6才能保持c1的充电操作，同时+v
dc
可以通过导通的开关s1和s3传输到逆变器的输出。此处，由于c2即将到来的充电电压使集成功率二极管d1反向偏置，因此再次从电网电流流动路径中排除。
24.逆变器输出电压的最高正电平的电流路径：
25.为了产生输出电压的最高正电平(+2v
dc
)，如图4所示。在这种情况下，超级电容单元中串联电源开关s5必须打开；如果注入的电网的电流极性为正(或负)，则 c1会放电(或充电)。因此，通过s1和s3的导通状态，输入电压值和c1两端的充电电压之和被转换为输出，从而产生2v
dc
的电压电平。由于功率二极管d1两端的钳位电压为正；它在正向偏置状态下工作。因此，根据注入的电网的电流极性，可以将c2充电到超级电容单元的输出电压(+2v
dc
)。
26.负半周期内输出电压为零的电流路径：
27.在所提出的逆变器在负半周期中的操作期间。关于图5，可以通过不同的电流路径再次产生输出电压的零电平。在此，超级电容单元中的电源开关s5处于接通状态，超级电容单元的输出电压将等于2v
dc
。因此，根据电网电流方向，可以对c1进行充电或放电。考虑到c2(2v
dc
)的充电电压并考虑到s1，功率二极管d1再次处于正向偏置的状态。因此，可以通过d1和s4的再次产生逆变器输出电压的零电平，而就电网电流方向而言，c2可以充电(或放电)到2v
dc
。
28.逆变器输出电压的第一个负电平的电流路径：
29.考虑到图6，因为前阶段c2的充电电压值(2v
dc
)，功率二极管d1将处于反向偏置状态。因此，以s6为目标，超级电容单元的输出电压将等于v
dc
。因此，通过导通的开关s1和s4，
‑
v
dc
的电压电平将转换为输出，而与电网电流方向无关， c1将再次充电至v
dc
。
30.逆变器输出电压的最高负电平的电流路径：
31.最后，为了使所建议的逆变器输出电压的最高负电平(
‑
2v
dc
)，必须考虑图7。
32.从所描绘的电流流动路径可以清楚地看到，尽管在电网电流极性的每个实例中， c1都可以通过导通状态的电源开关s6充电到v
dc
，但是超级电容单元可以通过断开的电源开关s1与电网断开连接。因此，在这种情况下，同时接通功率开关s2和s4，输出功率是由c2唯一直接提供的。
33.由上述分析可知，逆变器的输出电压最大值为2v
dc
，这反映了所提出拓扑的双电压升压功能。为了满足电网的峰值电压，输入电压的要求值值要低得多(对于基于311v的电网最大电压至少为160v)。仅通过六个单向功率开关就可以产生至少五个输出电压电平，提高了电能质量并且减小输出滤波器的尺寸，利用更低的输入电压值来满足电网电压的峰值。


技术特征：
1.一种六开关升压共地五电平逆变器装置，其特征在于包括直流电源，两个电容，八个二极管，六个绝缘栅双极晶体管（igbt），一个滤波电感和电网，其中，直流电源输出侧正极与二极管d2阳极及第五开关管s5的集电极相连，直流电源输出测负极与第六开关管s6的发射极及电网零点及第二开关管s2的发射极及二极管d1阴极相连；第五开关管s5的发射极与电容c1的负极及第六开关管s6的集电极相连；第一开关管s1的发射极与第二开关管s2的集电极及电容c2的正极及第三开关管s3的集电极相连；第一开关管s1的集电极与二极管d2阴极及电容c1的正极相连；第三开关管s3的发射极与第四开关管s4的集电极及第一滤波电感l1的一端相连；第四开关管s4的发射极与二极管d1的阳极及电容c2的负极相连；第一滤波电感l1的另一端与电网相连；二极管d1的阴极与电网相连。2.根据权利要求1所述一种六开关升压共地五电平逆变器装置，其特征在于，装置通过公共接地，将光伏板的负端直接连接到电网的零点。3.根据权利要求1所述一种六开关升压共地五电平逆变器装置，其特征在于，仅使用六个单向功率开关。

技术总结
本实用新型公开了一种六开关升压共地五电平逆变器装置，包括直流电源，两个电容，八个二极管，六个绝缘栅双极晶体管（IGBT），一个滤波电感和电网。所提出的逆变器拓扑，仅通过六个单向功率开关就可以产生至少五个输出电压电平，提高了电能质量并且减小输出滤波器的尺寸。通过公共接地，将光伏板的负端直接连接到电网的零点，能够使逆变器的共模电压恒定，并且消除了漏电流问题。使用超级电容单元的串并联开关转换，可以在单机操作中实现双升压特性，可以利用更低的输入电压值来满足电网电压的峰值。的峰值。的峰值。


技术研发人员：李文娟 吴玉博 周宇琦
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2021.04.14
技术公布日：2021/11/15