基于四開關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、四開關五電平逆變器、濾波單元、負載、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、過流保護單元和過熱保護單元。它通過四開關五電平逆變器將太陽能轉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】基于四開關五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置
【技術領域】
[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五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置。
【背景技術】
[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、交通指示設備供電、邊遠地區(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短路，開關器件的驅(qū)動脈沖需要設置死區(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)有技術中存在的不足，提供一種基于四開關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)量同時增強抗誤導通能力。利用蓄電池的儲能特性，對光伏陣列轉化的多余電能進行儲能，夜晚無光時蓄電池供電進行逆變，形成光蓄互補，并且設計了過流、過熱保護電路，提高裝置的可靠性。
[0004]本實用新型所采用的技術方案是:
[0005]本實用新型基于四開關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、四開關五電平逆變器、濾波單元、負載、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、過流保護單元和過熱保護單元。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五電平逆變器級聯(lián)后組成逆變部分，將母線直流電轉換為交流電；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)動開關管工作。
[0006]所述的基于四開關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管?？刂破魍瑫r接收過流保護單元和過熱保護單元的輸出的故障信號，封鎖脈沖，保護開關器件。
[0007]所述的基于四開關五電平逆變器的獨立光伏發(fā)電裝置，四開關五電平逆變器由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電源。過熱、過流保護單元采用正溫度系數(shù)熱敏電阻和LM339構成。
[0010]本實用新型的優(yōu)點在于:四開關五電平逆變器只需四個開關器件實現(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)設置，輸出電能不受死區(qū)時間影響，且提高了裝置的抗誤導通能力。在光照強時，將多余電能通過充放電控制單元儲存到蓄電池組中，當夜晚或光照條件不佳時，裝置自動切換為蓄電池供電，逆變器仍能為負載提供工頻交流電，既充分利用光伏陣列轉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構圖。
[0012]圖2為驅(qū)動單元電路圖。
[0013]圖3為過流保護電路圖。
[0014]圖4為過熱保護電路圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本實用新型的實施例做詳細說明，本實施例是以本實用新型技術方案為前提，給出了具體的實施方式和詳細的操作過程，但本實用新型的保護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，結合圖1，說明本實用新型裝置中的四開關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關斷、T2導通，T3導通、T4關斷時，逆變器輸出電壓為-vd。；T1、T2、Τ3導通，Τ4關斷時，逆變器輸出電壓為_vde/2 ;T1、T3導通，Τ2、Τ4關斷時，輸出電壓為零；Τ1、Τ3、Τ4導通Τ2關斷時，逆變器輸出電壓為'Jl ;TUT4導通，T2、T3關斷時，逆變器輸出電壓為vd。。[0017]【具體實施方式】二:本實施方式中，結合圖2，說明本實用新型裝置中各功率開關器件的驅(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，快恢復二極管D2導通。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可靠關斷。
[0018]【具體實施方式】三:本實施方式中，當光照強時，經(jīng)光伏陣列輸出的直流電壓高于蓄電池端電壓，DO導通，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狀態(tài)，輸出五電平交流電壓，經(jīng)濾波單元后為負載供電。當負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?？刂破鞯耐獠恐袛嘁_接過流保護和過熱保護電路的輸出，接收到故障信號后立即封鎖脈沖，保護功率器件，提高裝置可靠性。
【權利要求】
1.基于四開關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)、四開關五電平逆變器(5)、濾波單元(6)、負載(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)、過流保護單元(16)、過熱保護單元(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 )與四開關五電平逆變器(5 )級聯(lián)后組成逆變部分，將母線直流電轉換為交流電；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)動開關管工作。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于四開關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管；控制器同時接收過流保護單元(16)和過熱保護單元(17)輸出的故障信號，封鎖脈沖，保護開關器件。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于四開關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)權利要求1所述的基于四開關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)權利要求1所述的基于四開關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電源；過熱、過流保護單元采用正溫度系數(shù)熱敏電阻和LM339構成。
【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