一种双模式共地型五电平并网逆变电路

摘要

本实用新型公开了一种双模式共地型五电平并网逆变电路，属于光伏并网发电领域。一种双模式共地型五电平并网逆变电路，包括：直流源、逆变网络、交流滤波器以及交流源。所述直流源的正极与所述逆变网络的输入端电性连接，所述逆变网络的输出端与所述交流滤波器的输入端电性连接，所述交流滤波器的输出端与所述交流源的一端电性连接，所述交流源的另一端接地；所述直流源的负极、所述逆变网络的接地端和所述交流滤波器的接地端均接地，所述直流源两端的电压为输入电压，所述交流源两端的电压为电网电压。本实用新型逆变电路具有宽范围输入电压、差模电压谐波含量低、可完全消除漏电流等特点，适用于中小功率非隔离型光伏并网逆变系统应用。

说明书

技术领域

本实用新型属于光伏并网发电领域，具体涉及一种双模式共地型五电平并网逆变电路。

背景技术

在过去的几年里，光伏发电以其清洁可再生、安装成本的降低在世界范围得到了广泛应用。非隔离型逆变电路有小体积、低成本、低损耗的特点，适用于分布式光伏发电系统。共地型逆变电路光伏板的正极(或负极)与电网中性点的接地结构，理论上可以完全消除非隔离逆变电路中的漏电流问题。而共地型五电平逆变电路不仅可以提高电路的升压倍数，还可以提高进网电流质量，减小交了滤波器体积。但是，当逆变调制比小于0.5时，在传统调制策略中，输出电压会由五电平变成三电平，从而导致输出电流质量下降。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种共地型结构的双模式五电平逆变电路，共地型结构可以将产生漏电流的光伏板与地之间的寄生电容短路掉，即可完全消除非隔离型并网逆变系统中的漏电流。双模式使得改逆变电路具有宽范围的输入电压，在输入电压高于电网电压峰值时工作在降压模式，反之工作在升压模式，这两种模式，均为逆变网络的输出均为五电平电压。输出的五电平电压可以减小交流滤波器体积以及电网电流谐波，可以实现升压功能。另外，该逆变电路的两种模式均具有向电网输送无功功率的能力，适用于中小功率非隔离型光伏并网逆变系统应用。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：

一种双模式共地型五电平并网逆变电路，包括：直流源、逆变网络、交流滤波器以及交流源。所述直流源的正极与所述逆变网络的输入端电性连接，所述逆变网络的输出端与所述交流滤波器的输入端电性连接，所述交流滤波器的输出端与所述交流源的一端电性连接，所述交流源的另一端接地；

所述直流源的负极、所述逆变网络的接地端和所述交流滤波器的接地端均接地，所述直流源两端的电压为输入电压，所述交流源两端的电压为电网电压，所述交流源上的电流为进网电流；

所述逆变网络包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管、第八功率开关管、第一电容和第二电容；

所述第一功率开关管的漏极、所述第三功率开关管的源极、所述第五功率开关管的源极以及所述第六功率开关管的漏极同时与所述第一电容的正极电性连接；所述第二功率开关管的一端和所述第四功率开关管的源极同时与所述第一电容的负极电性连接；所述第三功率开关管的源极和所述第四功率开关管的漏极同时与所述第二电容的正极电性连接，所述第七功率开关管的源极和所述第八功率开关管的源极同时与第二电容的负极电性连接，所述第六功率开关管的源极与第七功率开关管的漏极电信连接；

所述第一功率开关管的漏极作为所述逆变网络的输入端，所述第六功率开关管的源极和所述第八功率开关管的漏极均为所述逆变网络的输出端，所述第二功率开关管的另一端、所述第五功率开关管的源极和所述第八功率开关管的漏极均为所述逆变网络的接地端。

进一步地，所述第三功率开关管、所述第四功率开关管、所述第五功率开关管、所述第六功率开关管、所述第七功率开关管和所述第八功率开关管的漏极均由功率晶体管的漏极或集电极反并二极管的阴极相连构成；所述第三功率开关管、所述第四功率开关管、所述第五功率开关管、所述第六功率开关管、所述第七功率开关管和所述第八功率开关管的源极由所述功率晶体管的源极或发射极与所述反并二极管的阳极相连构成；所述第一功率开关管由两个功率开关管通过源极连接阳极的连接方式串联构成，或由两个功率开关管通过源极连接源极的连接方式串联构成；所述第二功率开关管含有反并二极管，且所述第二功率开关管由两个功率开关管通过阳极连接阳极的连接方式串联构成。

进一步地，所述交流滤波器包括滤波电感和滤波电容，所述滤波电感的一端为所述交流滤波网络的输入端，所述滤波电感的另一端与所述滤波电容的正极相连，所述滤波电感与所述滤波电容的相连的节点连接所述交流滤波器的输出端，所述滤波电容的负极为所述交流滤波器的接地端。

进一步地，所述双模式共地型五电平逆变电路的功率开关管驱动信号是由调制波和载波比较生成的，所述调制波为工频，所述载波为高频，与调制产生驱动信号来控制功率开关管的切换方式，来完成所述逆变网络的状态切换，实现所述直流源与所述交流源的能量交换

所述逆变电路在升压模式下有五种工作模态，开关频率刻度的工作模态包括模态一、模态二、模态三、模态四、模态五，模态一为t

所述逆变电路在降压模式下有五种工作模态，所述开关频率刻度的工作模态包括模态六、模态七、模态八、模态九、模态十，模态六为t

进一步地，所述升压模式的模态一的逆变网络的输出电压等于输入电压，所述第一功率开关管、所述第二功率开关管、所述第三功率开关管、所述第六功率开关管和所述第八功率开关管开通，所述第四功率开关管、所述第五功率开关管和所述第七功率开关管断开，进网电流可以双向流动；

所述升压模式的模态二的逆变网络的输出电压等于两倍的输入电压，所述第四功率开关管、所述第六功率开关管和所述第八功率开关管开通，所述第一功率开关管、所述第二功率开关管、所述第三功率开关管、所述第五功率开关管和所述第七功率开关管断开，所述进网电流可以双向流动；

所述升压模式的模态三的逆变网络的输出电压等于0，是续流模态，所述第一功率开关管、所述第二功率开关管、所述第三功率开关管、所述第七功率开关管和所述第八功率开关管开通，所述第四功率开关管、所述第五功率开关管和所述第六功率开关管断开，所述进网电流可以双向流动；

所述升压模式的模态四的逆变网络的输出电压等于负一倍的输入电压，是电网负半周的续流模态，所述第一功率开关管、所述第二功率开关管、所述第四功率开关管和所述第七功率开关管开通，所述第三功率开关管、所述第五功率开关管、所述第六功率开关管和所述第八功率开关管断开，所述进网电流可以双向流动；

所述升压模式的模态五的逆变网络的输出电压等于负二倍的输入电压，所述第四功率开关管、所述第五功率开关管和所述第七功率开关管开通，所述第一功率开关管、所述第二功率开关管、所述第三功率开关管、所述第六功率开关管和所述第八功率开关管断开，所述进网电流可以双向流动；

所述降压模式的模态六的逆变网络的输出电压等于一半的输入电压，所述第二功率开关管、所述第三功率开关管、所述第六功率开关管和所述第八功率开关管开通，所述第一功率开关管、所述第四功率开关管、所述第五功率开关管和所述第七功率开关管断开，所述进网电流可以双向流动；

所述降压模式的模态七的逆变网络的输出电压等于输入电压，所述第一功率开关管、所述第四功率开关管、所述第六功率开关管和所述第八功率开关管开通，所述第二功率开关管、所述第三功率开关管、所述第五功率开关管和所述第七功率开关管断开，所述进网电流可以双向流动；

所述降压模式的模态八的逆变网络的输出电压等于0，是续流模态，所述第一功率开关管、所述第四功率开关管、所述第七功率开关管和所述第八功率开关管开通，所述第二功率开关管、所述第三功率开关管、所述第五功率开关管和所述第六功率开关管断开，所述进网电流可以双向流动；

所述降压模式的模态九的逆变网络的输出电压等于负一半的输入电压，所述第二功率开关管、所述第四功率开关管和所述第七功率开关管开通，所述第一功率开关管、所述第三功率开关管、所述第五功率开关管、所述第六功率开关管和所述第八功率开关管断开，所述进网电流可以双向流动；

所述降压模式的模态九的逆变网络的输出电压等于负一倍的输入电压，所述第四功率开关管、所述第五功率开关管和所述第七功率开关管开通，所述第一功率开关管、所述第二功率开关管、所述第三功率开关管、所述第六功率开关管和所述第八功率开关管断开，所述进网电流可以双向流动；当上述所有功率开关管依照调制策略工作时，所述逆变网络不断在各个工作的所述模态之间切换，实现输入直流电压与外部交流电的能量交换。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型逆变电路的共地型结构通过将光伏板与地之间的寄生电容上的电压被钳位在0，可以完全消除非隔离型并网逆变系统中的漏电流；

2、本实用新型逆变电路的双模式工作，使得输入电压有较大的范围；

3、本实用新型逆变电路的两种模式均输出五电平电压，减小交流滤波器体积、并网电流谐波，并实现升压功能；

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型逆变电路的结构示意图；

图2为本实用新型逆变电路升压模式下的调制策略；

图3为本实用新型逆变电路模态一示意图；

图4为本实用新型逆变电路模态二示意图；

图5为本实用新型逆变电路模态三示意图；

图6为本实用新型逆变电路模态四示意图；

图7为本实用新型逆变电路模态五示意图；

图8为本实用新型逆变电路升压模式下V

图9为本实用新型逆变电路升压模式下的电容电压的波形；

图10为本实用新型逆变电路升压模式下的单位功率因数下的运行波形；

图11为本实用新型逆变电路升压模式下的非单位功率因数下进网电流超前时的运行波形；

图12为本实用新型逆变电路升压模式下的非单位功率因数下进网电流滞后时的运行波形；

图13为本实用新型逆变电路降压模式下的调制策略；

图14为本实用新型逆变电路模态一示意图；

图15为本实用新型逆变电路模态二示意图；

图16为本实用新型逆变电路模态三示意图；

图17为本实用新型逆变电路模态四示意图；

图18为本实用新型逆变电路模态五示意图；

图19为本实用新型逆变电路降压模式下V

图20为本实用新型逆变电路降压模式下的电容电压的波形；

图21为本实用新型逆变电路降压模式下的单位功率因数下的运行波形；

图22为本实用新型逆变电路降压模式下的非单位功率因数下进网电流超前时的运行波形；

图23为本实用新型逆变电路降压模式下的非单位功率因数下进网电流滞后时的运行波形。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种双模式共地型五电平并网逆变电路，逆变电路包括直流源、逆变网络、交流滤波器以及交流源，如图1所示，直流源的正极与逆变网络的输入端相连，逆变网络的输出端与交流滤波器的输入端相连，交流滤波器的输出端与交流源的一端相连，交流源的另一端接地，直流源的负极、逆变网络的接地端和交流滤波器的接地端均接地，直流源为电压V

逆变网络包括第一功率开关管S

第三功率开关管S

所述第一功率开关管S

所述第一功率开关管S

交流滤波器包括滤波电感L

双模式共地型五电平逆变电路的功率开关管驱动信号是由调制波u

本实用新型逆变电路升压模式下的工作模态包括模态一、模态二、模态三、模态四、模态五和模态六，如图2所示，模态一为t

模态一的逆变网络的输出电压等于输入电压V

模态二的逆变网络的输出电压等于两倍的输入电压2V

模态三的逆变网络的输出电压等于0，如图5所示，是电网正半周的续流模态，第一功率开关管S

模态四的逆变网络的输出电压等于负一倍的输入电压-V

模态五的逆变网络的输出电压等于负二倍的输入电压-2V

当输入电压低于交流源电压的峰值时，逆变电路工作在升压模式，所有功率开关管依照图2所示的调制策略工作，逆变网络不断在图3到图7的模态一到模态五之间切换，实现直流源与交流源的能量交换。

本实用新型逆变电路处于升压模式下的运行波形，如图8所示为V

本实用新型逆变电路处于升压模式下的电容电压的波形，如图9所示，可以看出，电容电压(图例中为200V)等于输入电压。

本实用新型逆变电路处于升压模式下的单位功率因数、进网电流超前、进网电流滞后时的运行波形，如图10、图11和图12所示，可知，所述双模式五电平逆变电路在升压模式下具有向电网传输无功功率的能力。

本实用新型逆变电路降压模式下的工作模态包括模态六、模态七、模态八、模态九、模态十，如图13所示，模态六为t

模态六的逆变网络的输出电压等于输入电压0.5V

模态七的逆变网络的输出电压等于输入电压V

模态八的逆变网络的输出电压等于0，如图16所示，第一功率开关管S

模态九的逆变网络的输出电压等于负一半的输入电压-0.5V

模态十的逆变网络的输出电压等于负一倍的直流源-V

当输入电压高于交流源电压的峰值时，逆变电路工作在降压模式，所有功率开关管依照图13所示的调制策略工作，逆变网络不断在图14到图18的模态六到模态十之间切换，实现直流源与交流源的能量交换。

本实用新型逆变电路处于降压模式下的运行波形，如图19所示为V

本实用新型逆变电路处于降压模式下的电容电压的波形，如图20所示，可以看出，电容电压(图例中为200V)等于输入电压的一半。

本实用新型逆变电路处于降压模式下的单位功率因数、进网电流超前、进网电流滞后时的运行波形，如图21、图22和图23所示，可知，所述双模式五电平逆变电路在降压模式下具有向电网传输无功功率的能力。

当输入电压高于交流源电压的峰值时，逆变电路工作在降压模式，所有功率开关管依照图13所示的调制策略工作，逆变网络不断在图14到图18的模态六到模态十之间切换，实现直流源与交流源的能量交换。

综上，本实用新型的实用新型一种双模式共地型五电平并网逆变电路，通过共地型结构使光伏板与地之间的寄生电容上的电压被钳位在0，可以完全消除非隔离型并网逆变系统中的漏电流，输出的五电平电压可以减小交流滤波器体积以及电网电流谐波，双模式工作使得输入电压有较大的范围。该逆变电路具有向电网输送无功功率的能力，适用于中小功率非隔离型光伏并网逆变系统应用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。