[发明专利]一种三电平多脉冲输出无变压器型逆变电路

说明书

本发明提供了一种三电平多脉冲输出无变压器型逆变电路，包含：工频环节、高频环节、滤波环节；工频环节包括两颗直流电容、四个开关管；高频环节由多个高频环节单元构成；每个高频环节单元包括两个开关管；滤波环节包括多个滤波电感和一个滤波电容，每个高频环节单元对应一个滤波电感。本发明针对无变压器型并网光伏逆变器，提出了一个新的直流转化为交流的电路，能够实现每相逆变电压输出为多路交错的三电平脉冲，从而减小了输出滤波电感和电容；同时提高了低频功率开关器件的利用率，降低了电磁干扰和功率开关器件的开关损耗；实现了更高的转化效率、功率密度及更低的成本，也较容易扩充系统功率容量。

技术领域

本发明属于新能源并网发电技术领域，涉及一种直流电压转化为交流电压的电路，特别涉及一种三电平多脉冲输出无变压器型逆变电路。

背景技术

太阳能发电作为新能源的重要组成部分，获得越来越大的发展。在太阳能发电系统中，将太阳能电池板发出的直流电转化为交流电的逆变转换电路作为太阳能发电系统的核心，有着非常重要的作用。

太阳能系统通常可以分为独立型和并网型，后者由于可以最大程度的利用太阳能电池板发出的能量，因此是目前光伏系统的主要应用类型。逆变器拓扑总体可以分为带变压器隔离和无变压器型。隔离变压器可以实现隔离和升压的作用，但工频变压器体积重、效率低、成本高，安装不便；高频变压器虽然体积和重量下降，但往往系统复杂，并且输出电流存在直流分量，效率也同样偏低；无变压器型逆变器由于系统结构简单、效率高、体积小且成本低获得快速的发展，成为并网光伏发电的主流。

目前，三电平逆变电路拓扑在三相无变压器型并网逆变器中应用广泛。相对两电平拓扑，具有更低的功率开关电压，更低的高频共模电压，从而减小了开关损耗和滤波电感，提高了转换效率和功率密度。但功率开关器件全部工作于高频开关状态，功率开关器件性能优化仍相对困难、利用率较低，限制了逆变器转换效率和功率密度的进一步提高。

有源中点钳位三电平逆变电路拓扑，可以将部分功率开关管低频开关，从而可以分别优化选择功率开关器件的导通特性和开关特性，进一步提高了转换效率和功率密度。但低频功率开关管的导通时间利用率只有约50％，且高频功率开关管的并联均流相对困难，导致高频功率开关管的最大功率容量相对低频功率开关管低，限制了系统的最大功率容量。

相对单个逆变电路，交错并联技术可以减小滤波电感和滤波电容，同时较容易提高系统容量。基于交错并联技术，采用磁耦合电感，还可以进一步减小滤波电感的体积和重量，优化逆变器性能。但无法提高功率开关器件的工作性能和利用率。

三电平逆变电路在三相无变压器型并网逆变器中应用广泛。与两电平逆变电路相比，电感体积较小，转换效率和功率密度较高。目前，三相无变压器型并网逆变器多采用I型三电平逆变电路拓扑和T型三电平逆变电路拓扑。经典I型三电平逆变电路拓扑和T型三电平逆变电路拓扑中的每个功率开关管，在半个工频周期内工作于高频开关状态，另外半个工频周期内工作于持续导通状态。功率开关管的设计选型需要同时兼顾开关特性和导通特性，无法实现开关和导通损耗的最优化。

在有源中点钳位三电平逆变电路拓扑中，四个低频功率开关管工频开关，两个高频开关管高频开关，从而可以分别优化导通特性和开关特性，进一步提高了转换效率和功率密度。但四个低频功率开关器件导通时间利用率只有50％，且高频功率开关管的并联均流相对困难，导致高频功率开关管的最大功率容量相对低频功率开关管低，限制了系统的最大功率容量，阻碍了转换效率和功率密度的进一步提升。

传统的三相逆变电路拓扑每相只输出一列脉冲电压。采用交错并联技术，每相使用多个逆变电路交错并联输出多个并联的脉冲序列，可以提高滤波元件利用率，减小滤波电感和滤波电容，提高系统功率容量也相对容易。但功率开关器件的利用率没有提高，阻碍了功率密度的提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何减小直流电压转化为交流电压电路的输出滤波电感和电容，提高低频功率开关器件的利用率，降低功率开关器件的开关损耗，实现更高的转化效率、功率密度及更低的成本。