一种具有电池能量平衡功能的单相五电平逆变器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有电池能量平衡功能的单相五电平逆变器，该逆变器由一个半桥两电平逆变器和一个三电平二极管钳位逆变器以及双向开关和两个滤波电感构成。本实用新型提出的逆变器拓扑结构由于部分电平存在冗余的开关组合，但不同的开关状态对直流侧的储能电池的电能充放情况是不同的。通过选择冗余的开关组合可以实现电池能量的平衡。与传统的五电平逆变器相比，其开关器件数量较少，可靠性增强。因为其可以平衡电池(电容)电压及电量，所以当局部光伏板出现阴影或热点时，可减轻因充电不平衡带来的直流侧电池(电容)电量不平衡问题。
【专利说明】
一种具有电池能量平衡功能的单相五电平逆变器
技术领域
[0001] 本实用新型属于电力电子技术领域，涉及一种单相五电平逆变器，尤其涉及一种 具有电池能量平衡功能的单相五电平逆变器及其控制策略。
【背景技术】
[0002] 在学术界和工业界，以太阳能、风能为典型代表的新能源等受到了越来越多的关 注，因为新能源很大程度上减少了对传统化石能源的依赖，对于缓解能源危机和保护环境 有着重要的作用。尤其是随着近几年半导体技术的不断发展，光伏电池板的效率不断提高， 成本不断下降，从而促使光伏发电系统越来越广泛地被使用。对于地理位置偏远地区和独 立岛屿等供电则需要独立的光伏发电系统。
[0003] 独立光伏系统最常用的结构就是多个光伏板各自先将太阳能转变为电能储存在 各自的电池里，然后由电池作为逆变的直流侧，将多个电池串联起来进行逆变。如果电池不 平衡可能会导致局部故障甚至整个系统停机，对电池也会造成不可修复的损伤，这需要更 长的时间来恢复。这些问题使得必须考虑一定的措施来平衡电池的能量，使得电池之间的 能量差异性尽可能小。
[0004] 现在的逆变系统大致有两种方案，一种是对于直流侧电压较低的系统，采用双级 拓扑的光伏发电系统，即先通过升压电路升至高压，然后进行逆变。这种方式控制较为容 易，但是两级的级联也使得系统的损耗增加，效率下降。为了减少损耗、提高效率，还有一种 方案是对于直流侧电压较高的逆变系统，采用单级逆变器。对于单级逆变器来说，虽然提高 了效率，但如果采用传统的全桥逆变的一个很大的缺点就是输出谐波含量很高，这意味对 滤波器的要求更高。于是考虑使用多电平逆变器，多电平减小了输出的谐波，低谐波减小了 滤波器的要求，降低了波形失真，提高了光伏发电系统的电能质量。然而，对于传统的多电 平逆变器的发展一直受制于功率器件增加导致损耗增加、器件电压应力有限、电容器电压 平衡问题、和可靠性问题方面等限制问题。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有电池能量平衡功能的 单相五电平逆变器及其控制策略。
[0006] 本实用新型的具有电池能量平衡功能的单相五电平逆变器，包括:第一电池、第二 电池、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开 关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一滤 波电感、第二滤波电感；
[0007] 上述所有开关管均采用MOSFET管；
[0008] 第一电池的正极与第一开关管的漏极、第六开关管的漏极相连，第一开关管的源 极与第一二极管的负极、第二开关管的漏极相连，第二开关管的源极与第三开关管的漏极、 第一滤波电感的一端相连，第三开关管的源极与第二二极管的正极、第四开关管的漏极连 接，第一二极管的正极、第二二极管的负极与第一电池的负极、第二电池的正极、第五二极 管的正极、第六二极管的负极共连，第六开关管的源极与第三二极管的正极、第四二极管的 负极、第七开关管的漏极、第二滤波电感的一端相连，第四开关管的源极、第七开关管的源 极均与第二电池的负极相连，第三二极管的负极、第五二极管的负极与第五开关管的漏极 相连，第四二极管的正极、第六二极管的正极与第五开关管的源极相连，第一滤波电感的另 一端及第二滤波电感的另一端分别与负载的两端相连。
[0009] 上述单相五电平逆变器的控制策略如下：
[0010] 1)第一、第二、第七开关管导通，其余开关管关断;第一电池、第二电池均放电；
[0011] 2)第二、第三、第七开关管导通，其余开关管关断;第二电池放电；
[0012] 3)第一、第二、第五开关管导通，其余开关管关断;第一电池放电；
[0013] 4)第二、第三、第五开关管导通，其余开关管关断；电池均不放电；
[0014] 5)第三、第四、第七开关管导通，其余开关管关断；电池均不放电；
[0015] 6)第一、第二、第六开关管导通，其余开关管关断；电池不放电；
[0016] 7)第二、第三、第六开关管导通，其余开关管关断;第一电池放电；
[0017] 8)第三、第四、第五开关管导通，其余开关管关断;第二电池放电；
[0018] 9)第三、第四、第六开关管导通，其余开关管关断;第一电池、第二电池均放电。
[0019] 本实用新型的有益效果在于:该逆变器拓扑结构在部分输出电平时具有冗余的开 关状态，通过合理分配这些开关状态，可以对直流侧的电池组的能量进行平衡，减小电池能 量的不平衡程度，对电池起到维护的作用，也可以提高系统的可靠性。另外，该拓扑使用了 更少的开关管，使得系统的损耗减小，效率和可靠性得到了提升。
【附图说明】
[0020] 图1为具有电池能量平衡功能的单相五电平逆变器拓扑结构图。
[0021 ]图2为本实用新型的五电平逆变器拓扑的应用整体框图。
【具体实施方式】
[0022] -种具有电池能量平衡机制的单相五电平逆变器，如图1所示，包括两个电池（电 压分别为Vdcl、Vdc2)、7个M0SFET(S1-S7)、6个二极管(D1-D6)、两个输出滤波电感(L1、L2); 第一电池的正极与SI的漏极、S6的漏极相连，SI的源极与Dl的负极、S2的漏极相连，S2的源 极与S3的漏极、Ll的一端相连，S3的源极与D2的正极、S4的漏极连接，Dl的正极、D2的负极与 第一电池的负极、第二电池的正极、D5的正极、D6的负极共连，S6的源极与D3的正极、D4的负 极、S7的漏极、L2的一端相连，S4的源极、S7的源极均与第二电池的负极相连，D3的负极、D5 的负极与S5的漏极相连，D4的正极、D6的正极与S5的源极相连，Ll的另一端及L2的另一端分 别与负载R的两端相连。
[0023] 该拓扑结构是把二极管嵌位三电平的输出接在负载的一端，负载的另一端接的是 半桥二电平结构的输出点。双向开关S5是连在自然中点和半桥二电平的输出点之间。二极 管钳位三电平可以产生Vdcl，0,以及-Vdc2的电平，半桥两电平的逆变输出可以产生Vdcl， 和-Vdc2的电压，即该拓扑可以输出五个电平+(Vdcl+Vdc2)，Vdcl，0，-Vdc2，W&-(Vdcl + Vdc2)。如果两个电池的电压被很好的平衡至能量大约相等，同时使得它们的电压相等，即 有VdcI = Vdc2 = 0.5Vdc，则可以发现产生的五电平将变为+Vdc，+0.5Vdc，O，-0.5Vdc，and-Vdc。每个电平对应的开关组合如表1所示，表中还给出了两节电池的功率，其中P1表示电池 1即Vdc 1的功率，其中P2表示电池2 即Vdc2的功率，其中P表示该逆变器输出的功率。表中列 出了输出各个电平下的开关冗余状态，其中在〇. 5Vdc和-0.5Vdc时的开关冗余状态对电池 的能量是有不同影响的，利用这个特点可以解决在两个电池电量不平衡时的问题。
[0024] 表 1
[0025]
[0026] 将本实用新型地拓扑结构应用于光伏发电系统中，如图2所示，为该拓扑的应用整 体框图，该拓扑可专门针对解决两个电池组串联逆变的能量平衡问题。两个电池的电压比 较高，可以是单体高压电池或者多节电池的串联组成，如果是串联的话内部自带均衡管理。 输出为交流负载，比如交流电机或大电网。两个独立的光伏板先各自将太阳能转变为电能 储存在电池中（一般是大容量单体电池或者带有均衡的电池组，以后的描述将用"电池"表 示），然后两个电池组合在一起作为直流母线侧进行逆变，太阳能光伏板给电池的充电控制 器包含MPPT最大功率跟踪算法。逆变采用本实用新型提出的单相五电平逆变拓扑。理想情 况下每个电池提供逆变输出能量的一半。
[0027] 光伏系统中两个电池的能量不协调或许是因为部分光伏板被云或者树遮挡或者 出现局部热点等原因导致的。阴影的出现会减小电池的充电功率，热点会增加电池的充电 功率，这都会使得电池的能量不再平衡从而导致电池的SOC出现不平衡。通常而言，在一些 独立的光伏逆变系统，负载用电的时间要大于光照的时间。如果电池持续的在不平衡的情 况下运行，低电量的电池将很快被用完并导致系统很快瘫痪。这也使得其它电池未被充分 利用。
[0028] 在本实用新型的拓扑结构中，一个有效的平衡电池充放电的能量均衡方法是使用 同一电平的冗余开关状态进行电池电量平衡。在输出+Vdc和-Vdc时，两个电池各提供输出 功率的一半，无法对电池的电量进行平衡。在输出电平为+〇. 5Vdc和-0.5Vdc时，则可以使用 冗余状态进行电池的功率分配，从而实现两个电池的能量(即电量)平衡。在输出为〇电平时 候，电池功率为O。
[0029] 如果电池的容量差在限制范围内，则认为电池1和电池2的能量相等。如果电源的 电量差别绝对值超过限制值，则认为它们的电量不相等，通过比较确定电池1和电池2的能 量大小关系。开关状态的分配如下(参照表1):
[0030] 情况1:当电池1能量等于电池能量2时，在+0.5Vdc时，选择开关状态组合序号3 (2)，由电池1 (2)进行输出电能;在-0.5Vdc时，选择开关状态组合序号8(7)，由电池2(1)进 行输出电能(两种方式以一定频率轮流工作，从而起到均衡开关管散热的目的）；输出〇则三 种开关组合4、5、6状态轮流工作，可以起到开关管发热均衡的作用。
[0031] 情况2:当电池1能量大于电池能量2时，在+0.5Vdc时，选择开关状态组合序号3，由 电池1进行输出电能;在-0.5Vdc时，选择开关状态组合序号7，由电池1进行输出电能;输出0 则三种开关组合4、5、6状态轮流工作，可以起到开关管发热均衡的作用。这使得电池之间的 电量(SOC)差异缩小。直到恢复到电池1和电池2能量相等，进入情况1。
[0032]情况3:当电池2能量大于电池能量1时，在+0.5Vdc时，选择开关状态组合序号2，由 电池2进行输出电能;在-0.5Vdc时，选择开关状态组合序号8，由电池2进行输出电能;输出0 则三种开关组合4、5、6状态轮流工作，可以起到开关管发热均衡的作用。这使得电池之间的 电量(SOC)差异缩小。直到恢复到电池1和电池2能量相等，进入情况1。
[0033]其实可以发现，两个电池提供的功率可以进行精确计算，而且它们的数值大小主 要依赖于幅度调制比，这样的特点可以很好地用在电池的能量平衡方面。
[0034] 采用MATLAB/Simul ink里面的元器件搭建仿真模型，对本实用新型提出的单相五 电平逆变器进行仿真并对其电能平衡作用进行验证，仿真参数如表2所示，仿真结果表明， 随着调制波幅度调制比的下降，两节电池提供的总能量下降，当幅度调制比下降到0.5以下 时，逆变器蜕变为三电平逆变。但是不管幅度调制比为多少，该拓扑均可以实现能量之间的 均衡，这对于保证逆变器安全稳定运行以及延长电池寿命具有重要意义。
[0035]表 2
[0037]^本实用新型提出的拓扑结构可以很好实现单相五电平逆变，输出电压、电流谐波 含量少，控制方便。该逆变方案和传统的五电平逆变器(比如中点钳位多电平，飞跨电容多 电平以及全桥级联型多电平)相比具有很多优点，。比传统的五电平逆变拓扑需要更少的开 关管以及更少的钳位二极管。基于PWM的移向载波调制被应用于该五电平逆变器的控制中。 利用冗余的开关组合状态实现电池电量的平衡，尤其当局部光伏板发生阴影遮挡或者强光 照射的情况。本实用新型可以很好地应用于单相光伏微逆变或者微网中，尤其对于无电网 接入的独立光伏逆变系统，这种拓扑具有很好的应用前景。
【主权项】
1. 一种具有电池能量平衡功能的单相五电平逆变器，包括:第一电池、第二电池、第一 开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第一 二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一滤波电感、第 二滤波电感； 上述所有开关管均采用MOSFET开关器件； 第一电池的正极与第一开关管的漏极、第六开关管的漏极相连，第一开关管的源极与 第一二极管的负极、第二开关管的漏极相连，第二开关管的源极与第三开关管的漏极、第一 滤波电感的一端相连，第三开关管的源极与第二二极管的正极、第四开关管的漏极连接，第 一二极管的正极、第二二极管的负极与第一电池的负极、第二电池的正极、第五二极管的正 极、第六二极管的负极共连，第六开关管的源极与第三二极管的正极、第四二极管的负极、 第七开关管的漏极、第二滤波电感的一端相连，第四开关管的源极、第七开关管的源极均与 第二电池的负极相连，第三二极管的负极、第五二极管的负极与第五开关管的漏极相连，第 四二极管的正极、第六二极管的正极与第五开关管的源极相连，第一滤波电感的另一端及 第二滤波电感的另一端分别与负载的两端相连。
【文档编号】H02M7/483GK205490218SQ201620136856
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月5日
【发明人】常晓飞, 杨雁勇
【申请人】浙江大学