基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，屬于太陽能發(fā)電領(lǐng)域。它包括光伏陣列、充放電控制單元、蓄電池組、斬波升壓單元、四開關(guān)五電平逆變器、濾波單元、負(fù)載、電壓檢測單元1、Tb驅(qū)動單元、T0驅(qū)動單元、電壓檢測單元2、逆變器驅(qū)動單元、電壓檢測單元3、電流檢測單元、控制器、過流保護(hù)單元和過熱保護(hù)單元。它通過四開關(guān)五電平逆變器將太陽能轉(zhuǎn)化的直流電能輸出為工頻交流電，通過充放電控制單元可將多余電能儲存到蓄電池中，又可在光照條件不佳的情況下自動切換為蓄電池供電，提高供電可靠性同時充分利用太陽能。
【專利說明】基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種新能源發(fā)電裝置，尤其是一種基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)火力發(fā)電消耗化石燃料，不僅產(chǎn)生大量污染危害生態(tài)環(huán)境，而且加劇了非可再生能源全球危機(jī)的局面。光伏發(fā)電是目前最具前景的新能源之一，因為太陽能資源分布廣泛，取之不竭且無污染，利用建筑物屋頂和壁面將太陽能轉(zhuǎn)化為電能更是如今研究的一個重要方向。目前在通信基站、交通指示設(shè)備供電、邊遠(yuǎn)地區(qū)自備發(fā)電等場合，光伏發(fā)電裝置得到了廣泛運用。傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)中的逆變器采用功率開關(guān)器件的直接串聯(lián)，形成上下橋臂，需要避免直通造成母線側(cè)短路，開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖需要設(shè)置死區(qū)。逆變器死區(qū)時間的存在會影響輸出電能質(zhì)量，而且受電磁干擾等影響，裝置誤導(dǎo)通的情形頻頻發(fā)生，系統(tǒng)可靠性不高。本實用新型提供一種基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，逆變器無需死區(qū)，允許直通，而且采用四個功率器件實現(xiàn)五電平電壓輸出，電平數(shù)的增加改善了輸出電能質(zhì)量，降低了 dv/dt以及后級濾波裝置的體積和損耗。同時利用蓄電池的充放電控制，對光伏發(fā)電裝置進(jìn)行削峰填谷，提高供電可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置。它通過在上下橋臂功率器件中間串聯(lián)耦合電感，允許直通無需死區(qū)，且只需四個功率器件即可實現(xiàn)五電平電壓輸出，提高輸出電能質(zhì)量同時增強(qiáng)抗誤導(dǎo)通能力。利用蓄電池的儲能特性，對光伏陣列轉(zhuǎn)化的多余電能進(jìn)行儲能，夜晚無光時蓄電池供電進(jìn)行逆變，形成光蓄互補(bǔ)，并且設(shè)計了過流、過熱保護(hù)電路，提高裝置的可靠性。
[0004]本實用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0005]本實用新型基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，它包括:光伏陣列、充放電控制單元、蓄電池組、斬波升壓單元、四開關(guān)五電平逆變器、濾波單元、負(fù)載、電壓檢測單元l、Tb驅(qū)動單元、TO驅(qū)動單元、電壓檢測單元2、逆變器驅(qū)動單元、電壓檢測單元3、電流檢測單元、控制器、過流保護(hù)單元和過熱保護(hù)單元。光伏陣列與直流母線相連作為裝置的電源，蓄電池組通過前端連接充放電控制單元并聯(lián)在直流母線上，既作為裝置的后備電源又可以將母線多余能量儲存起來；斬波升壓單元與四開關(guān)五電平逆變器級聯(lián)后組成逆變部分，將母線直流電轉(zhuǎn)換為交流電；逆變出的工頻交流電再通過濾波單元的濾波后與負(fù)載相連；控制器通過采集各個檢測單元的信號，輸出PWM脈沖驅(qū)動開關(guān)管工作。
[0006]所述的基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，蓄電池組經(jīng)充放電控制單元并接在直流母線上，母線電壓經(jīng)斬波升壓單元后，作為四開關(guān)五電平逆變器的直流給定電壓，逆變器輸出交流電壓經(jīng)濾波單元后給負(fù)載供電?？刂破鹘邮针妷簷z測單元1、電壓檢測單元2、電壓檢測單元3和電流檢測單元的檢測信號，經(jīng)軟件算法處理后輸出6路PWM脈沖分別經(jīng)過Tb驅(qū)動單元、TO驅(qū)動單元和逆變器驅(qū)動單元驅(qū)動主電路中的功率開關(guān)管。控制器同時接收過流保護(hù)單元和過熱保護(hù)單元的輸出的故障信號，封鎖脈沖，保護(hù)開關(guān)器件。
[0007]所述的基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，四開關(guān)五電平逆變器由4個功率管Tl?T4、4個續(xù)流二極管D2、D3和D6、D7以及兩個耦合電感Ltl、Lt2組成。耦合電感采用T型連接方式串聯(lián)在上下橋臂功率管之間，耦合電感中間抽頭為輸出端，由于串聯(lián)了耦合電感上下橋臂可以直通，無需死區(qū)，4個功率管共有16種開關(guān)狀態(tài)，逆變器可輸出O、土vdc/2、土vd。(vdc為直流母線電壓)5種電平。
[0008]所述的基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，控制器為DSPTMS2812，功率器件為IGBT，蓄電池組為8塊12V，100AH閥控式鉛酸蓄電池組串并聯(lián)組成。
[0009]所述的基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，驅(qū)動單元采用三菱公司產(chǎn)IGBT專用厚膜驅(qū)動芯片M57962L，檢測單元采用霍爾式電壓、電流傳感器及其外圍處理電路，控制器及驅(qū)動單元的電源采用反激式開關(guān)電源。過熱、過流保護(hù)單元采用正溫度系數(shù)熱敏電阻和LM339構(gòu)成。
[0010]本實用新型的優(yōu)點在于:四開關(guān)五電平逆變器只需四個開關(guān)器件實現(xiàn)五電平逆變電壓輸出，電平數(shù)的增加提高了輸出電壓質(zhì)量，減小濾波裝置體積和損耗。由于耦合電感的作用，上下橋臂允許直通，無需死區(qū)設(shè)置，輸出電能不受死區(qū)時間影響，且提高了裝置的抗誤導(dǎo)通能力。在光照強(qiáng)時，將多余電能通過充放電控制單元儲存到蓄電池組中，當(dāng)夜晚或光照條件不佳時，裝置自動切換為蓄電池供電，逆變器仍能為負(fù)載提供工頻交流電，既充分利用光伏陣列轉(zhuǎn)化的電能同時又提高了供電連續(xù)性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本實用新型裝置的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2為驅(qū)動單元電路圖。
[0013]圖3為過流保護(hù)電路圖。
[0014]圖4為過熱保護(hù)電路圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本實用新型的實施例做詳細(xì)說明，本實施例是以本實用新型技術(shù)方案為前提，給出了具體的實施方式和詳細(xì)的操作過程，但本實用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
[0016]【具體實施方式】一:本實施方式中，結(jié)合圖1，說明本實用新型裝置中的四開關(guān)五電平逆變器工作原理，由4個功率管Tl?T4、4個續(xù)流二極管D2、D3和D6、D7以及兩個耦合電感Ltl、Lt2組成。耦合電感采用T型連接方式串聯(lián)在上下橋臂功率管之間，耦合電感中間抽頭為輸出端，由于串聯(lián)了耦合電感上下橋臂可以直通，無需死區(qū)，4個功率管共有16種開關(guān)狀態(tài)，逆變器可輸出O、土vdc;/2、土vd。(vd。為直流母線電壓)5種電平。例如:T1關(guān)斷、T2導(dǎo)通，T3導(dǎo)通、T4關(guān)斷時，逆變器輸出電壓為-vd。；T1、T2、Τ3導(dǎo)通，Τ4關(guān)斷時，逆變器輸出電壓為_vde/2 ;T1、T3導(dǎo)通，Τ2、Τ4關(guān)斷時，輸出電壓為零；Τ1、Τ3、Τ4導(dǎo)通Τ2關(guān)斷時，逆變器輸出電壓為'Jl ;TUT4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷時，逆變器輸出電壓為vd。。[0017]【具體實施方式】二:本實施方式中，結(jié)合圖2，說明本實用新型裝置中各功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制方式。采用三菱公司產(chǎn)IGBT專用厚膜驅(qū)動芯片M57962L，該芯片通過光耦實現(xiàn)輸入輸出間的電氣隔離。為提高IGBT關(guān)斷可靠性，采用雙電源供電模式。圖2所示的驅(qū)動電路中電阻Rl為2k Ω，R2為4.7k Ω，R5為30k Ω，穩(wěn)壓二極管D3、D4、D5電壓值分別取30VU5VU5V,電容 Cl、C2、C3 分別取 100 μ F、100 μ F、0.1 μ F。D4、D5 構(gòu)成雙向限幅，防止柵極電壓過高擊穿IGBT。正常工作時，I腳電壓高于集電極電壓，穩(wěn)壓管Dl被反向擊穿，快恢復(fù)二極管D2導(dǎo)通。集電極電壓高于15V時，D2反向截止，I腳電流截止，5腳電壓變?yōu)榉聪蜷T極電壓使IGBT可靠關(guān)斷。
[0018]【具體實施方式】三:本實施方式中，當(dāng)光照強(qiáng)時，經(jīng)光伏陣列輸出的直流電壓高于蓄電池端電壓，DO導(dǎo)通，Tb反并聯(lián)的二極管截止，直流母線電壓由光伏陣列提供；反之夜晚或者光照條件不佳時，光伏陣列輸出的直流電壓低于蓄電池端電壓，DO截止，Tb反并聯(lián)的二極管導(dǎo)通，裝置自動切換為蓄電池為直流母線供電。直流母線電壓通過斬波升壓單元后作為逆變器的直流電壓輸入，控制器輸出驅(qū)動脈沖控制逆變器開關(guān)狀態(tài)，輸出五電平交流電壓，經(jīng)濾波單元后為負(fù)載供電。當(dāng)負(fù)載較小或光照資源充沛時，多余的電能通過控制Tb，經(jīng)充放電控制單元，組成降壓斬波電路，對蓄電池充電儲能。控制器的外部中斷引腳接過流保護(hù)和過熱保護(hù)電路的輸出，接收到故障信號后立即封鎖脈沖，保護(hù)功率器件，提高裝置可靠性。
【權(quán)利要求】
1.基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，它包括:光伏陣列(I)、充放電控制單元(2)、蓄電池組(3)、斬波升壓單元(4)、四開關(guān)五電平逆變器(5)、濾波單元(6)、負(fù)載(7)、電壓檢測單元I (8)、作驅(qū)動單元(9)、1'0驅(qū)動單元(10)、電壓檢測單元2(11)、逆變器驅(qū)動單元(12)、電壓檢測單元3( 13)、電流檢測單元(14)、控制器(15)、過流保護(hù)單元(16)、過熱保護(hù)單元(17);光伏陣列(I)與直流母線相連作為裝置的電源，蓄電池組(3)通過前端連接充放電控制單元(2)并聯(lián)在直流母線上，既作為裝置的后備電源又可以將母線多余能量儲存起來；斬波升壓單元(4 )與四開關(guān)五電平逆變器(5 )級聯(lián)后組成逆變部分，將母線直流電轉(zhuǎn)換為交流電；逆變出的工頻交流電再通過濾波單元(6)的濾波后與負(fù)載相連；控制器(15)通過采集各個檢測單元的信號，輸出PWM脈沖驅(qū)動開關(guān)管工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，其特征在于:所述的光伏陣列(I)將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，蓄電池組(3)經(jīng)充放電控制單元(2)并接在直流母線上，母線電壓經(jīng)斬波升壓單元(4 )后，作為四開關(guān)五電平逆變器(5 )的直流給定電壓，逆變器輸出交流電壓經(jīng)濾波單元(6)后給負(fù)載供電；控制器(15)接收電壓檢測單元I (8)、電壓檢測單元2 (11)、電壓檢測單元3 (13)和電流檢測單元(14)的檢測信號，經(jīng)控制器處理后輸出6路PWM脈沖分別經(jīng)過Tb驅(qū)動單元(9)、TO驅(qū)動單元(10)和逆變器驅(qū)動單元(12)驅(qū)動主電路中的功率開關(guān)管；控制器同時接收過流保護(hù)單元(16)和過熱保護(hù)單元(17)輸出的故障信號，封鎖脈沖，保護(hù)開關(guān)器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，其特征在于:所述的四開關(guān)五電平逆變器(5)由4個功率管Tl?T4、4個續(xù)流二極管D2、D3和D6、D7以及兩個耦合電感Ltl、Lt2組成；耦合電感采用T型連接方式串聯(lián)在上下橋臂功率管之間，耦合電感中間抽頭為輸出端；由于串聯(lián)了耦合電感，上下橋臂可以直通，無需死區(qū)，4個功率管共有16種開關(guān)狀態(tài)，逆變器可輸出O、土vdc;/2、土vd。共5種電平，vdc表示直流母線電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，其特征在于:所述控制器為DSPTMS2812，功率器件為IGBT，蓄電池組為8塊12V，100AH閥控式鉛酸蓄電池組串并聯(lián)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四開關(guān)五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，其特征在于:驅(qū)動單元采用三菱公司產(chǎn)IGBT專用厚膜驅(qū)動芯片M57962L，檢測單元采用霍爾式電壓、電流傳感器及其外圍處理電路，控制器及驅(qū)動單元的電源采用反激式開關(guān)電源；過熱、過流保護(hù)單元采用正溫度系數(shù)熱敏電阻和LM339構(gòu)成。
【文檔編號】H02M7/483GK203445831SQ201320407974
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月10日
【發(fā)明者】王靜, 黃友銳, 董蘇 申請人:安徽理工大學(xué)