一种钳位型六电平光储一体化变流器及其控制方法

1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种钳位型六电平光储一体化变流器及其控制方法。


背景技术：

2.由于传统化石燃料存在资源短缺以及环境污染两大关键制约因素，其发展受到了极大的限制，可再生能源尤其是光伏发电越来越受到青睐。然而，光伏发电时光伏板与地面之间的杂散电容上的电压会发生波动，导致产生大的泄漏电流，使得易触及的导电部位电压上升，造成不必要的跳闸，同时泄漏电流还会使电网产生一个有噪声的直流偏移。降低泄漏电流是光伏系统推广和应用中面临的重大难题。
3.为缓解泄漏电流对系统的影响，可以通过控制共模电压幅值维持恒定达到降低泄漏电流的目的。当控制注入功率保持较低值时，共模电压在任何负载特性下都是恒定的，但此时输出电压无法满足电网电压的要求。单极pwm调制可以减小同时减小滤波器尺寸以及功率损耗，但会使共模电压随开关频率变化。当采用heric拓扑时可通双向开关在交流侧产生零电压电平，降低功率损耗、泄漏电流、提高可靠性，但其存在无法控制无功功率的缺点。因此需要设计一种新型变流器来解决上述问题。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种钳位型六电平光储一体化变流器及其控制方法，能够降低泄漏电流，减小电网电流的总谐波失真，具有尺寸小、成本低、效率高的特点。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种钳位型六电平光储一体化变流器，包括直流电压源v
dc
、第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3、第四功率开关管s4、双向功率开关管s5、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、励磁电感lf、电网电压源vg、输出电压v
out
；
7.所述的直流电压源v
dc
的正极与第一电容c1的正极连接，负极与第二电容c2的负极连接；第一功率开关管s1的源极与第二功率开关管s2的漏极和第三电容c3的负极均连接；第一功率开关管s1的漏极与第一二极管d1的正极和第一电容c1的正极均连接；第二功率开关管s2的源极与第二二极管d2的负极和第二电容c2的负极均连接；第三功率开关管s3的源极与第四功率开关管s4的漏极连接；第三功率开关管s3的漏极与第一二极管d1的负极和第三电容c3的正极均连接；第四功率开关管s4的源极与第二二极管d2的正极和第四电容c4的负极均连接；双向功率开关管s5一端与第一电容c1的负极和第二电容c2的正极均连接，另一端与第一功率开关管s1的源极和第二功率开关管s2的漏极均连接；第一电容c1的负极与地连接；第四电容c4的正极与第二功率开关管s2的漏极和第三电容c3的负极均连接；励磁电感lf一端与第三功率开关管s3的源极和第四功率开关管s4的漏极均连接，另一端与电网电压源vg的一端连接；电网电压源vg的另一端与地连接。
8.所述的第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、双向功率开关管均为型号为spw47n60c3的场效应管；
9.所述的第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、双向功率开关管均设有并联连接的二极管。
10.所述的第一二极管、第二二极管的型号均为rurp3060。
11.所述的第一电容、第二电容耐压值均为200v，容值均为1000μf。
12.所述的第三电容、第四电容耐压值均为350v，容值均为1000μf。
13.所述的励磁电感感值均为3mh。
14.所述的电网电压源频率为50hz。
15.所述的第一电容、第二电容作为钳位电容，当处于充电状态时电容两端电压均达到0.5v
dc
。
16.还包括pwm驱动器，pwm脉冲通过基于滤波器的锁相环系统产生。
17.利用一种钳位型六电平光储一体化变流器的控制方法，包括以下步骤：
18.s1：第二功率开关管s2、第三功率开关管s3均处于导通状态，第一功率开关管s1、第四功率开关管s4、双向功率开关管s5均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3充电，第三电容c3两端电压被充电到v
dc
；第四电容c4上无电流流通；第一二极管d1正向偏置处于导通状态，第二二极管d2反向偏置处于截止状态；第一电容c1向电网电压vg供电；第一功率开关管s1两端电压双向功率开关管s5两端电压输出电压
19.s2：第三功率开关管s3、双向功率开关管s5均处于导通状态，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第四功率开关管s4均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2充电，第三电容c3两端电压仍然维持在v
dc
；第四电容c4上无电流流通；第一二极管d1、第二二极管d2均反向偏置处于截止状态；第三电容c3向电网电压vg供电；第一功率开关管s1两端电压第二功率开关管s2两端电压输出电压
20.s3：第一功率开关管s1、第三功率开关管s3均处于导通状态，第二功率开关管s2、第四功率开关管s4、双向功率开关管s5均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2、第四电容c4充电，第三电容c3两端电压仍然维持在v
dc
；第一二极管d1反向偏置处于截止状态，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，；第一电容c1和第三电容c3共同向电网电压vg供电；第二功率开关管s2两端电压第四功率开关管s4两端电压双向功率开关管s5两端电压输出电压
21.s4：第一功率开关管s1、第四功率开关管s4均处于导通状态，第二功率开关管s2、第三功率开关管s3、双向功率开关管s5均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2、第四电容c4充电，第四电容c4两端电压被充电到v
dc
；第三电容c3上无电
流流通；第一二极管d1反向偏置处于截止状态，第二二极管d2正向偏置处于导通状态；第二电容c2向电网电压vg供电；第二功率开关管s2两端电压双向功率开关管s5两端电压输出电压
22.s5：第四功率开关管s4、双向功率开关管s5均处于导通状态，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2充电，第四电容c4两端电压仍然维持在v
dc
；第三电容c3上无电流流通；第一二极管d1、第二二极管d2均反向偏置处于截止状态；第四电容c4向电网电压vg供电；第一功率开关管s1两端电压第二功率开关管s2两端电压输出电压
23.s6：第二功率开关管s2、第四功率开关管s4均处于导通状态，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3、双向功率开关管s5均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3充电，第四电容c4两端电压仍然维持在v
dc
；第一二极管d1正向偏置处于导通状态，第二二极管d2反向偏置处于截止状态；第二电容c2和第四电容c4共同向电网电压vg供电；第一功率开关管s1两端电压第三功率开关管s3两端电压双向功率开关管s5两端电压输出电压
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25.传统变流器为满足分布式电网对电压的要求会加入变压器，这样会使得系统效率变低，成本较高，降低功率密度。基于开关电容(sc)的多电平变流器可以减小共模电压，降低泄漏电流，它利用一个电解电容创建虚拟直流母线，在正电平和零电平期间虚拟直流总线对输入电压充电；输入直流源与输出在负半周期内是隔离的，负半周期的输出电压水平由放电开关电容器创建，但开关电容器的纹波电压会使负半周电压波形失真。本发明所述钳位型六电平光储一体化变流器不含变压器，工作效率高、成本低，具有适当的功率密度，能够满足分布式电网要求；利用中点箝位电路实现寄生电容上恒定的共模电压，降低泄漏电流；通过采用开关电容，能够获得
±
0.5v
dc
、
±
1v
dc
、
±
1.5v
dc
六种电平，进一步提高注入电网电流的质量。
附图说明
26.图1为本发明具体实施例中的一种钳位型六电平光储一体化变流器拓扑结构图。
27.图2为本发明具体实施例中工作模式1的示意图。
28.图3为本发明具体实施例中工作模式2的示意图。
29.图4为本发明具体实施例中工作模式3的示意图。
30.图5为本发明具体实施例中工作模式4的示意图。
31.图6为本发明具体实施例中工作模式5的示意图。
32.图7为本发明具体实施例中工作模式6的示意图。
33.图8为本发明具体实施例中并网控制系统框图。
34.图中：v
dc
为直流电压源；s1为第一功率开关管；s2为第二功率开关管；s3为第三功率开关管；s4为第四功率开关管；s5为双向功率开关管；d1为第一二极管；d2为第二二极管；
c1为第一电容；c2为第二电容；c3为第三电容；c4为第四电容；lf为励磁电感；vg为电网电压源；v
out
为输出电压。
具体实施方式
35.下面将结合附图和实施例对本发明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发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
36.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
37.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
38.参见图1，本发明一种光储一体化变流器，包括直流电压源v
dc
、第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3、第四功率开关管s4、双向功率开关管s5、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、励磁电感lf、电网电压源vg、输出电压v
out
；
39.直流电压源v
dc
的正极与第一电容c1的正极连接，负极与第二电容c2的负极连接；第一功率开关管s1的源极与第二功率开关管s2的漏极和第三电容c3的负极均连接；第一功率开关管s1的漏极与第一二极管d1的正极和第一电容c1的正极均连接；第二功率开关管s2的源极与第二二极管d2的负极和第二电容c2的负极均连接；第三功率开关管s3的源极与第四功率开关管s4的漏极连接；第三功率开关管s3的漏极与第一二极管d1的负极和第三电容c3的正极均连接；第四功率开关管s4的源极与第二二极管d2的正极和第四电容c4的负极均连接；双向功率开关管s5一端与第一电容c1的负极和第二电容c2的正极均连接，另一端与第一功率开关管s1的源极和第二功率开关管s2的漏极均连接；第一电容c1的负极与地连接；第四电容c4的正极与第二功率开关管s2的漏极和第三电容c3的负极均连接；励磁电感lf一端与第三功率开关管s3的源极和第四功率开关管s4的漏极均连接，另一端与电网电压源vg的一端连接；电网电压源vg的另一端与地连接。
40.下面介绍本发明的工作过程：
41.参见图2，本发明钳位型六电平光储一体化变流器第一种工作模式，对应步骤s1，第二功率开关管s2、第三功率开关管s3均处于导通状态，第一功率开关管s1、第四功率开关管s4、双向功率开关管s5均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3充电，第三电容c3两端电压被充电到v
dc
；第四电容c4上无电流流通；第一二极管d1正向偏置处于导通状态，第二二极管d2反向偏置处于截止状态；第一电容c1向电网电压vg供电；第一功率开关管s1两端电压双向功率开关管s5两端电压
输出电压
42.参见图3，本发明钳位型六电平光储一体化变流器第二种工作模式，对应步骤s2，第三功率开关管s3、双向功率开关管s5均处于导通状态，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第四功率开关管s4均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2充电，第三电容c3两端电压仍然维持在v
dc
；第四电容c4上无电流流通；第一二极管d1、第二二极管d2均反向偏置处于截止状态；第三电容c3向电网电压vg供电；第一功率开关管s1两端电压第二功率开关管s2两端电压输出电压
43.参见图4，本发明钳位型六电平光储一体化变流器第三种工作模式，对应步骤s3，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3均处于导通状态，第二功率开关管s2、第四功率开关管s4、双向功率开关管s5均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2、第四电容c4充电，第三电容c3两端电压仍然维持在v
dc
；第一二极管d1反向偏置处于截止状态，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，；第一电容c1和第三电容c3共同向电网电压vg供电；第二功率开关管s2两端电压第四功率开关管s4两端电压双向功率开关管s5两端电压输出电压
44.参见图5，本发明钳位型六电平光储一体化变流器第四种工作模式，对应步骤s4，第一功率开关管s1、第四功率开关管s4均处于导通状态，第二功率开关管s2、第三功率开关管s3、双向功率开关管s5均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2、第四电容c4充电，第四电容c4两端电压被充电到v
dc
；第三电容c3上无电流流通；第一二极管d1反向偏置处于截止状态，第二二极管d2正向偏置处于导通状态；第二电容c2向电网电压vg供电；第二功率开关管s2两端电压双向功率开关管s5两端电压输出电压
45.参见图6，本发明钳位型六电平光储一体化变流器第五种工作模式，对应步骤s5，第四功率开关管s4、双向功率开关管s5均处于导通状态，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2充电，第四电容c4两端电压仍然维持在v
dc
；第三电容c3上无电流流通；第一二极管d1、第二二极管d2均反向偏置处于截止状态；第四电容c4向电网电压vg供电；第一功率开关管s1两端电压第二功率开关管s2两端电压输出电压
46.参见图7，本发明钳位型六电平光储一体化变流器第六种工作模式，对应步骤s6，第二功率开关管s2、第四功率开关管s4均处于导通状态，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3、双向功率开关管s5均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3充电，第四电容c4两端电压仍然维持在v
dc
；第一二极管d1正向偏置处于导通状态，第二二极管d2反向偏置处于截止状态；第二电容c2和第四电容c4共同向电网电压vg供电；第一功率开关管s1两端电压第三功率开关管s3两端电压双向功率开关管s5两端电压输出电压
47.表1钳位型六电平光储一体化变流器的开关状态表
[0048][0049]
参见图8，为并网控制系统框图，该控制系统是一种基于滤波器的锁相环系统，由单元产生电网峰值电流i
mg
，通过单元产生电网电流相角值，锁相环单元产生电网角速度，电网峰值电流i
mg
乘以生成电网电流参考值i
ref
，将电网电压vg及电网电流参考值i
ref
送到电流控制模块，生成功率开关管所需的pwm脉冲。
[0050]
实施例1
[0051]
利用一种钳位型六电平光储一体化变流器的控制方法，包括以下步骤：
[0052]
s1：第二功率开关管s2、第三功率开关管s3均处于导通状态，第一功率开关管s1、第四功率开关管s4、双向功率开关管s5均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3充电，第三电容c3两端电压被充电到v
dc
；第四电容c4上无电流流通；第一二极管d1正向偏置处于导通状态，第二二极管d2反向偏置处于截止状态；第一电容c1向电网电压vg供电；第一功率开关管s1两端电压双向功率开关管s5两端电压输出电压
[0053]
s2：第三功率开关管s3、双向功率开关管s5均处于导通状态，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第四功率开关管s4均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2充电，第三电容c3两端电压仍然维持在v
dc
；第四电容c4上无电流流通；第一二极管d1、第二二极管d2均反向偏置处于截止状态；第三电容c3向电网电压vg供电；第一功率开关管s1两端电压第二功率开关管s2两端电压输出电压
[0054]
s3：第一功率开关管s1、第三功率开关管s3均处于导通状态，第二功率开关管s2、第四功率开关管s4、双向功率开关管s5均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2、第四电容c4充电，第三电容c3两端电压仍然维持在v
dc
；第一二极管d1反向偏置处于截止状态，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，；第一电容c1和第三电容c3共同向电网电压vg供电；第二功率开关管s2两端电压第四功率开关管s4两端电压双向功率开关管s5两端电压输出电压
[0055]
s4：第一功率开关管s1、第四功率开关管s4均处于导通状态，第二功率开关管s2、第
三功率开关管s3、双向功率开关管s5均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2、第四电容c4充电，第四电容c4两端电压被充电到v
dc
；第三电容c3上无电流流通；第一二极管d1反向偏置处于截止状态，第二二极管d2正向偏置处于导通状态；第二电容c2向电网电压vg供电；第二功率开关管s2两端电压双向功率开关管s5两端电压输出电压
[0056]
s5：第四功率开关管s4、双向功率开关管s5均处于导通状态，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2充电，第四电容c4两端电压仍然维持在v
dc
；第三电容c3上无电流流通；第一二极管d1、第二二极管d2均反向偏置处于截止状态；第四电容c4向电网电压vg供电；第一功率开关管s1两端电压第二功率开关管s2两端电压输出电压
[0057]
s6：第二功率开关管s2、第四功率开关管s4均处于导通状态，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3、双向功率开关管s5均处于关断状态；此工作模式下直流电压源v
dc
向第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3充电，第四电容c4两端电压仍然维持在v
dc
；第一二极管d1正向偏置处于导通状态，第二二极管d2反向偏置处于截止状态；第二电容c2和第四电容c4共同向电网电压vg供电；第一功率开关管s1两端电压第三功率开关管s3两端电压双向功率开关管s5两端电压输出电压
[0058]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。