[发明专利]具有电池能量平衡功能的单相五电平逆变器及其控制策略

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种单相五电平逆变器，尤其涉及一种具有电池能量平衡功能的单相五电平逆变器及其控制策略。

背景技术

在学术界和工业界，以太阳能、风能为典型代表的新能源等受到了越来越多的关注，因为新能源很大程度上减少了对传统化石能源的依赖，对于缓解能源危机和保护环境有着重要的作用。尤其是随着近几年半导体技术的不断发展，光伏电池板的效率不断提高，成本不断下降，从而促使光伏发电系统越来越广泛地被使用。对于地理位置偏远地区和独立岛屿等供电则需要独立的光伏发电系统。

独立光伏系统最常用的结构就是多个光伏板各自先将太阳能转变为电能储存在各自的电池里，然后由电池作为逆变的直流侧，将多个电池串联起来进行逆变。如果电池不平衡可能会导致局部故障甚至整个系统停机，对电池也会造成不可修复的损伤，这需要更长的时间来恢复。这些问题使得必须考虑一定的措施来平衡电池的能量，使得电池之间的能量差异性尽可能小。

现在的逆变系统大致有两种方案，一种是对于直流侧电压较低的系统，采用双级拓扑的光伏发电系统，即先通过升压电路升至高压，然后进行逆变。这种方式控制较为容易，但是两级的级联也使得系统的损耗增加，效率下降。为了减少损耗、提高效率，还有一种方案是对于直流侧电压较高的逆变系统，采用单级逆变器。对于单级逆变器来说，虽然提高了效率，但如果采用传统的全桥逆变的一个很大的缺点就是输出谐波含量很高，这意味对滤波器的要求更高。于是考虑使用多电平逆变器，多电平减小了输出的谐波，低谐波减小了滤波器的要求，降低了波形失真，提高了光伏发电系统的电能质量。然而，对于传统的多电平逆变器的发展一直受制于功率器件增加导致损耗增加、器件电压应力有限、电容器电压平衡问题、和可靠性问题方面等限制问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有电池能量平衡功能的单相五电平逆变器及其控制策略。

本发明的具有电池能量平衡功能的单相五电平逆变器，包括：第一电池、第二电池、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一滤波电感、第二滤波电感；

上述所有开关管均采用MOSFET管；

第一电池的正极与第一开关管的漏极、第六开关管的漏极相连，第一开关管的源极与第一二极管的负极、第二开关管的漏极相连，第二开关管的源极与第三开关管的漏极、第一滤波电感的一端相连，第三开关管的源极与第二二极管的正极、第四开关管的漏极连接，第一二极管的正极、第二二极管的负极与第一电池的负极、第二电池的正极、第五二极管的正极、第六二极管的负极共连，第六开关管的源极与第三二极管的正极、第四二极管的负极、第七开关管的漏极、第二滤波电感的一端相连，第四开关管的源极、第七开关管的源极均与第二电池的负极相连，第三二极管的负极、第五二极管的负极与第五开关管的漏极相连，第四二极管的正极、第六二极管的正极与第五开关管的源极相连，第一滤波电感的另一端及第二滤波电感的另一端分别与负载的两端相连。

上述单相五电平逆变器的控制策略如下：

1)第一、第二、第七开关管导通，其余开关管关断；第一电池、第二电池均放电；

2)第二、第三、第七开关管导通，其余开关管关断；第二电池放电；

3)第一、第二、第五开关管导通，其余开关管关断；第一电池放电；

4)第二、第三、第五开关管导通，其余开关管关断；电池均不放电；

5)第三、第四、第七开关管导通，其余开关管关断；电池均不放电；

6)第一、第二、第六开关管导通，其余开关管关断；电池不放电；

7)第二、第三、第六开关管导通，其余开关管关断；第一电池放电；

8)第三、第四、第五开关管导通，其余开关管关断；第二电池放电；

9)第三、第四、第六开关管导通，其余开关管关断；第一电池、第二电池均放电。

本发明的有益效果在于：该逆变器拓扑结构在部分输出电平时具有冗余的开关状态，通过合理分配这些开关状态，可以对直流侧的电池组的能量进行平衡，减小电池能量的不平衡程度，对电池起到维护的作用，也可以提高系统的可靠性。另外，该拓扑使用了更少的开关管，使得系统的损耗减小，效率和可靠性得到了提升。

附图说明

图1为具有电池能量平衡功能的单相五电平逆变器拓扑结构图。

图2为本发明的五电平逆变器拓扑的应用整体框图。