基于多状态开关单元的五电平光伏逆变器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及电源转换，且更确切地说，涉及用于光伏电源系统、不间断电源供应系统以及交流电机驱动器和高压直流应用的三相多电平逆变器。
【背景技术】
[0002]PV逆变器是PV电源系统的主要组件。需要此设备以将PV面板(光伏面板)产生的直流电源转换成交流电源系统(直流至交流)。PV逆变器可以连接到或不连接到电网同步的交流系统。在PV逆变器应用中通常使用用于单相以及三相系统的不同转换器电路。现有PV电源系统可以具有变压器(电隔离)或不具有变压器(无变压器)。PV逆变器在发送至交流输出电源系统的电压以及电流中必须具有低谐波含量，即，分别为电压以及电流提供低总谐波失真THDi以及THD v，并且控制功率因数接近于整数。
[0003]电压源逆变器(VSI)通常用于此目的，特别是在较高的功率电平下。同样，多电平VSI在有源开关上呈现较低电压应力，并且因此更适合于高功率电平。电压电平的数目越大，跨越开关的电压应力就越低，因而降低开关损耗。
[0004]PV逆变器的发展趋势是高效率、高功率密度以及较低成本。然而，实现高效率往往导致较低的功率密度、高成本以及高重量/体积。
[0005]现今在市场上见到的大多数三相逆变器是基于三电平NPC(中点箝位式)逆变器(也称为I型)或三电平有源NPC逆变器(也称为T型)，如在参考文献1以及2中所描述。
[0006]PV逆变器系统通常使用多电平拓扑。参考文献3中描述了此类拓扑。
[0007]当处理高功率时，如IGBT、M0SFET、GT0、MCT、BJT、JFET、二极管等等半导体一直是用于本行业发现的应用中的有源开关的所选解决方案。然而，使用那些设备已经造成限制效率和/或功率密度的许多问题，比如:
[0008]-并联设备之间的均流；
[0009]-因增加的换向损耗所致的开关频率的降低，这增加了转换器的重量以及大小。
[0010]现有解决方案的另一缺点是EMI电平，EMI电平过高并且要求具有若干级的输出滤波器以便降低CM噪声以及DM噪声两者，从而降低了性能并且增加了单元的体积/成本。功率因数PF较低并且总谐波失真THD较高。同样，从PV阵列到地面的泄漏电流较高(超过 300mA)。
[0011]参考文献4中描述了三状态开关单元的概念，并且参考文献5中描述了以提高三电平逆变器的电流能力为目的的此三状态开关单元的应用。
[0012]使用此拓扑电路，可以改进从PV阵列输入到良好的经调节交流输出的能量转换的性能，包括最大功率点跟踪MPPT功能性。那些拓扑用于高电流应用以及高功率，与具有碳化硅开关的所有传统的三电平NPC逆变器相比具有高效率。此外，此拓扑没有限制，并且可以用于其它应用中，例如:UPS、HVDC以及交流电机驱动器。
[0013]在PV系统中，此拓扑电路可以作为逆变器应用于具有隔离变压器或无变压器的电网连接的或孤岛的应用。
[0014]在现今市场上现有的拓扑电路中有可能使用碳化硅半导体、磁性部件以及一定量的重/厚铜导线实现高效率。然而，这会降低功率密度并且增加成本。
[0015]如果为了高功率密度而将优化转换器，那么不可避免地将会降低效率并且增加成本。
[0016]在现今现有的解决方案中用于优化的选择要么是效率要么是高功率密度，但从来没有两者的同时优化。
[0017]然而，使用根据本发明的电路，有可能以低成本实现高效率以及高功率密度两者。
【发明内容】
[0018]为了克服现有技术逆变器的问题，呈现用于PV逆变器的新拓扑电路。使用根据本发明的逆变器，可以低成本实现极高效率以及高功率密度。
[0019]三相三电平中点箝位式逆变器是在高功率、高输入电压中使用的自然拓扑，并且在传统上一直是用于PV逆变器应用的最常用转换器。然而，基于此转换器技术的拓扑的主要缺点是:需要大型输出滤波器以减少总谐波失真以及PV阵列到地面的高泄漏电流。使用根据本发明的拓扑电路也已减少了此缺点。
[0020]转换器的并联一直是解决增加直流-交流电源系统的需求的方式，但是由于均流问题以及上述问题，这对于高效率、高功率密度、低成本以及重量减少而言不是理想解决方案。
[0021]最适合于高功率的方法是使用具有实际上用于电压以及电流的多电平特征的转换器。
[0022]然而，还没有尝试研究具有比用于低压电网系统的现有三电平中点箝位式逆变器更多电平数目的拓扑电路。存在许多用于中压以及高压交流电源系统的使用硅以及碳化硅开关的多电平拓扑。使用碳化硅半导体可以增大开关频率并且减少无功部件。然而，也增加了驱动复杂度以及成本。
[0023]多电平拓扑配置的一个重要优点是:随着转换器中电平的数目增加，在半导体上的电压以及电流应力减小。这将减少所需的冷却以及因此减小单元的大小、重量以及体积。
[0024]多电平转换器的另一重要特征是:与传统的中点箝位式转换器相比，无功部件的大小、重量以及体积实质上减少。
[0025]由于在本发明中呈现的新颖拓扑电路是五电平逆变器，因此已经解决了在现今用于本行业的PV逆变器中发现的如上文所描述的局限性。
[0026]同时，与现有拓扑相比，在本发明中已经改进了逆变器的总谐波失真(THD)、功率因数(PF)以及电磁干扰(EMI)性能，并且因此可以进一步减小输入滤波器的重量、大小以及体积。
[0027]在此背景下，本发明的一个目的是提供一种新颖拓扑电路，所述新颖拓扑电路尤其适合于用于PV发电系统的功率电子领域中的高功率、高效率、高功率密度以及低成本的应用或可能需要此电路的其它应用。此外，拓扑可以在其中需要直流-交流的其它应用中使用，例如UPS系统、HVDC、电机驱动器等。
[0028]在根据本发明的五电平拓扑电路中，已经在PV逆变器上应用了三状态开关单元(3SSC)技术的概念。如上文所描述，此电路的主要特征是:由于损耗的降低以及避免使用碳化硅半导体造成的复杂度以及成本而实现高频率、高效率、高功率密度以及低成本的可能性。
[0029]由于三状态开关单元的内置式特征，因此通过半导体的峰值电流与其它拓扑相比更低，并且因此传导损耗以及开关损耗更低。这使我们能够使用有成本效益的半导体以及较小的散热器，这也将减小单元的总尺寸。取决于应用的功率电平，半导体可以是离散的或模块。避免了碳化硅半导体从而降低驱动复杂度以及成本。
[0030]由此，根据本发明，提供了一种用来将双极性直流电压V&以及V dc转换为三相交流输出电压的五电平有源中点箝位式逆变器，其中所述转换器包括第一输入端子P、第二输入端子MP和第三输入端子N以及第一、第二和第三输出端子，并且其中所述逆变器包括:
[0031](i)第一多状态开关单元(MSSC)，所述第一多状态开关单元包括分别连接到逆变器的所述输入端子p、MP以及N上的三个输入端子以及第一输出端子；
[0032](ii)第二多状态开关单元(MSSC)，所述第二多状态开关单元包括分别连接到逆变器的所述输入端子p、MP以及N上的三个输入端子以及第二输出端子；
[0033](iii)第三多状态开关单元(MSSC)，所述第三多状态开关单元包括分别连接到逆变器的所述输入端子p、MP以及N上的三个输入端子以及第三输出端子；
[0034](iv)其中第一 MSSC的输出端子通过电感器La连接到逆变器的所述第一输出端子上，第二 MSSC的输出端子通过电感器Lb连接到逆变器的所述第二输出端子上，并且第三MSSP的输出端子通过电感器Lc连接到逆变器的所述第三输出端子上；并且
[0035](v)其中逆变器的每一对应的输出端子通过对应的电容器Ca、Cb、Cc连接到逆变器的所述第二输入端子MP上。
[0036]按照根据本发明的五电平有源中点箝位式逆变器的具体实施例，多状态开关单元各