基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置制造方法
【专利摘要】基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置，属于太阳能发电领域。它包括光伏阵列、充放电控制单元、蓄电池组、斩波升压单元、四开关五电平逆变器、滤波单元、负载、电压检测单元1、Tb驱动单元、T0驱动单元、电压检测单元2、逆变器驱动单元、电压检测单元3、电流检测单元、控制器、过流保护单元和过热保护单元。它通过四开关五电平逆变器将太阳能转化的直流电能输出为工频交流电，通过充放电控制单元可将多余电能储存到蓄电池中，又可在光照条件不佳的情况下自动切换为蓄电池供电，提高供电可靠性同时充分利用太阳能。
【专利说明】基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种新能源发电装置，尤其是一种基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置。
【背景技术】
[0002]传统火力发电消耗化石燃料，不仅产生大量污染危害生态环境，而且加剧了非可再生能源全球危机的局面。光伏发电是目前最具前景的新能源之一，因为太阳能资源分布广泛，取之不竭且无污染，利用建筑物屋顶和壁面将太阳能转化为电能更是如今研究的一个重要方向。目前在通信基站、交通指示设备供电、边远地区自备发电等场合，光伏发电装置得到了广泛运用。传统光伏系统中的逆变器采用功率开关器件的直接串联，形成上下桥臂，需要避免直通造成母线侧短路，开关器件的驱动脉冲需要设置死区。逆变器死区时间的存在会影响输出电能质量，而且受电磁干扰等影响，装置误导通的情形频频发生，系统可靠性不高。本实用新型提供一种基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置，逆变器无需死区，允许直通，而且采用四个功率器件实现五电平电压输出，电平数的增加改善了输出电能质量，降低了 dv/dt以及后级滤波装置的体积和损耗。同时利用蓄电池的充放电控制，对光伏发电装置进行削峰填谷，提高供电可靠性。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置。它通过在上下桥臂功率器件中间串联耦合电感，允许直通无需死区，且只需四个功率器件即可实现五电平电压输出，提高输出电能质量同时增强抗误导通能力。利用蓄电池的储能特性，对光伏阵列转化的多余电能进行储能，夜晚无光时蓄电池供电进行逆变，形成光蓄互补，并且设计了过流、过热保护电路，提高装置的可靠性。
[0004]本实用新型所采用的技术方案是:
[0005]本实用新型基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置，它包括:光伏阵列、充放电控制单元、蓄电池组、斩波升压单元、四开关五电平逆变器、滤波单元、负载、电压检测单元l、Tb驱动单元、TO驱动单元、电压检测单元2、逆变器驱动单元、电压检测单元3、电流检测单元、控制器、过流保护单元和过热保护单元。光伏阵列与直流母线相连作为装置的电源，蓄电池组通过前端连接充放电控制单元并联在直流母线上，既作为装置的后备电源又可以将母线多余能量储存起来；斩波升压单元与四开关五电平逆变器级联后组成逆变部分，将母线直流电转换为交流电；逆变出的工频交流电再通过滤波单元的滤波后与负载相连；控制器通过采集各个检测单元的信号，输出PWM脉冲驱动开关管工作。
[0006]所述的基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置，光伏阵列将太阳能转化为直流电能，蓄电池组经充放电控制单元并接在直流母线上，母线电压经斩波升压单元后，作为四开关五电平逆变器的直流给定电压，逆变器输出交流电压经滤波单元后给负载供电。控制器接收电压检测单元1、电压检测单元2、电压检测单元3和电流检测单元的检测信号，经软件算法处理后输出6路PWM脉冲分别经过Tb驱动单元、TO驱动单元和逆变器驱动单元驱动主电路中的功率开关管。控制器同时接收过流保护单元和过热保护单元的输出的故障信号，封锁脉冲，保护开关器件。
[0007]所述的基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置，四开关五电平逆变器由4个功率管Tl?T4、4个续流二极管D2、D3和D6、D7以及两个耦合电感Ltl、Lt2组成。耦合电感采用T型连接方式串联在上下桥臂功率管之间，耦合电感中间抽头为输出端，由于串联了耦合电感上下桥臂可以直通，无需死区，4个功率管共有16种开关状态，逆变器可输出O、土vdc/2、土vd。(vdc为直流母线电压)5种电平。
[0008]所述的基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置，控制器为DSPTMS2812，功率器件为IGBT，蓄电池组为8块12V，100AH阀控式铅酸蓄电池组串并联组成。
[0009]所述的基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置，驱动单元采用三菱公司产IGBT专用厚膜驱动芯片M57962L，检测单元采用霍尔式电压、电流传感器及其外围处理电路，控制器及驱动单元的电源采用反激式开关电源。过热、过流保护单元采用正温度系数热敏电阻和LM339构成。
[0010]本实用新型的优点在于:四开关五电平逆变器只需四个开关器件实现五电平逆变电压输出，电平数的增加提高了输出电压质量，减小滤波装置体积和损耗。由于耦合电感的作用，上下桥臂允许直通，无需死区设置，输出电能不受死区时间影响，且提高了装置的抗误导通能力。在光照强时，将多余电能通过充放电控制单元储存到蓄电池组中，当夜晚或光照条件不佳时，装置自动切换为蓄电池供电，逆变器仍能为负载提供工频交流电，既充分利用光伏阵列转化的电能同时又提高了供电连续性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本实用新型装置的电路结构图。
[0012]图2为驱动单元电路图。
[0013]图3为过流保护电路图。
[0014]图4为过热保护电路图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本实用新型的实施例做详细说明，本实施例是以本实用新型技术方案为前提，给出了具体的实施方式和详细的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
[0016]【具体实施方式】一:本实施方式中，结合图1，说明本实用新型装置中的四开关五电平逆变器工作原理，由4个功率管Tl?T4、4个续流二极管D2、D3和D6、D7以及两个耦合电感Ltl、Lt2组成。耦合电感采用T型连接方式串联在上下桥臂功率管之间，耦合电感中间抽头为输出端，由于串联了耦合电感上下桥臂可以直通，无需死区，4个功率管共有16种开关状态，逆变器可输出O、土vdc;/2、土vd。(vd。为直流母线电压)5种电平。例如:T1关断、T2导通，T3导通、T4关断时，逆变器输出电压为-vd。；T1、T2、Τ3导通，Τ4关断时，逆变器输出电压为_vde/2 ;T1、T3导通，Τ2、Τ4关断时，输出电压为零；Τ1、Τ3、Τ4导通Τ2关断时，逆变器输出电压为'Jl ;TUT4导通，T2、T3关断时，逆变器输出电压为vd。。[0017]【具体实施方式】二:本实施方式中，结合图2，说明本实用新型装置中各功率开关器件的驱动控制方式。采用三菱公司产IGBT专用厚膜驱动芯片M57962L，该芯片通过光耦实现输入输出间的电气隔离。为提高IGBT关断可靠性，采用双电源供电模式。图2所示的驱动电路中电阻Rl为2k Ω，R2为4.7k Ω，R5为30k Ω，稳压二极管D3、D4、D5电压值分别取30VU5VU5V,电容 Cl、C2、C3 分别取 100 μ F、100 μ F、0.1 μ F。D4、D5 构成双向限幅，防止栅极电压过高击穿IGBT。正常工作时，I脚电压高于集电极电压，稳压管Dl被反向击穿，快恢复二极管D2导通。集电极电压高于15V时，D2反向截止，I脚电流截止，5脚电压变为反向门极电压使IGBT可靠关断。
[0018]【具体实施方式】三:本实施方式中，当光照强时，经光伏阵列输出的直流电压高于蓄电池端电压，DO导通，Tb反并联的二极管截止，直流母线电压由光伏阵列提供；反之夜晚或者光照条件不佳时，光伏阵列输出的直流电压低于蓄电池端电压，DO截止，Tb反并联的二极管导通，装置自动切换为蓄电池为直流母线供电。直流母线电压通过斩波升压单元后作为逆变器的直流电压输入，控制器输出驱动脉冲控制逆变器开关状态，输出五电平交流电压，经滤波单元后为负载供电。当负载较小或光照资源充沛时，多余的电能通过控制Tb，经充放电控制单元，组成降压斩波电路，对蓄电池充电储能。控制器的外部中断引脚接过流保护和过热保护电路的输出，接收到故障信号后立即封锁脉冲，保护功率器件，提高装置可靠性。
【权利要求】
1.基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置，它包括:光伏阵列(I)、充放电控制单元(2)、蓄电池组(3)、斩波升压单元(4)、四开关五电平逆变器(5)、滤波单元(6)、负载(7)、电压检测单元I (8)、作驱动单元(9)、1'0驱动单元(10)、电压检测单元2(11)、逆变器驱动单元(12)、电压检测单元3( 13)、电流检测单元(14)、控制器(15)、过流保护单元(16)、过热保护单元(17);光伏阵列(I)与直流母线相连作为装置的电源，蓄电池组(3)通过前端连接充放电控制单元(2)并联在直流母线上，既作为装置的后备电源又可以将母线多余能量储存起来；斩波升压单元(4 )与四开关五电平逆变器(5 )级联后组成逆变部分，将母线直流电转换为交流电；逆变出的工频交流电再通过滤波单元(6)的滤波后与负载相连；控制器(15)通过采集各个检测单元的信号，输出PWM脉冲驱动开关管工作。
2.根据权利要求1所述的基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置，其特征在于:所述的光伏阵列(I)将太阳能转化为直流电能，蓄电池组(3)经充放电控制单元(2)并接在直流母线上，母线电压经斩波升压单元(4 )后，作为四开关五电平逆变器(5 )的直流给定电压，逆变器输出交流电压经滤波单元(6)后给负载供电；控制器(15)接收电压检测单元I (8)、电压检测单元2 (11)、电压检测单元3 (13)和电流检测单元(14)的检测信号，经控制器处理后输出6路PWM脉冲分别经过Tb驱动单元(9)、TO驱动单元(10)和逆变器驱动单元(12)驱动主电路中的功率开关管；控制器同时接收过流保护单元(16)和过热保护单元(17)输出的故障信号，封锁脉冲，保护开关器件。
3.根据权利要求1所述的基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置，其特征在于:所述的四开关五电平逆变器(5)由4个功率管Tl?T4、4个续流二极管D2、D3和D6、D7以及两个耦合电感Ltl、Lt2组成；耦合电感采用T型连接方式串联在上下桥臂功率管之间，耦合电感中间抽头为输出端；由于串联了耦合电感，上下桥臂可以直通，无需死区，4个功率管共有16种开关状态，逆变器可输出O、土vdc;/2、土vd。共5种电平，vdc表示直流母线电压。
4.根据权利要求1所述的基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置，其特征在于:所述控制器为DSPTMS2812，功率器件为IGBT，蓄电池组为8块12V，100AH阀控式铅酸蓄电池组串并联组成。
5.根据权利要求1所述的基于四开关五电平逆变器的独立光伏发电装置，其特征在于:驱动单元采用三菱公司产IGBT专用厚膜驱动芯片M57962L，检测单元采用霍尔式电压、电流传感器及其外围处理电路，控制器及驱动单元的电源采用反激式开关电源；过热、过流保护单元采用正温度系数热敏电阻和LM339构成。
【文档编号】H02M7/483GK203445831SQ201320407974
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年7月10日 优先权日:2013年7月10日
【发明者】王静, 黄友锐, 董苏 申请人:安徽理工大学