高效率三电平单相逆变器制造技术

一种高效的无变压器的逆变器及其控制方法。所述逆变器设计用于分布式发电系统，分布式发电系统例如是具有如下装置的住宅：光伏电池，例如太阳能板；风力发电机；蓄电池和其他直流源资源。所述逆变器包括四个开关状态：用于正半周期的正电流通路，用于所述正半周期的空转电流通路，用于负半周期的负电流通路，以及用于所述负半周期的第二空转电流通路。空转电流通路包括数量减少的电路部件，例如二极管，这使得DC电力高效地转化为AC电力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电逆变器。更具体而言，涉及一种三电平(three-level)单相逆变器。所述逆变器可应用于连网(grid-connected)系统。
技术介绍
逆变器是将直流(DC)转化为交流(AC)的设备。一类逆变器可以通过将DC源连接到变压器的主绕组的中间抽头而构造。连接到DC源的开关在两个节点(每个节点连接到主绕组的相对端)之间快速的切换以使得电流通过两个交替通路(通过主绕组的一端然后通过另一端)流回到DC源。变压器的主绕组中的电流方向的交替在次级绕组中产生了交流(AC)电，这种设计或其他设计的逆变器可以从例如太阳能板、发电机、风力涡轮机、电池和其他源接收DC电力，将DC电力转化为AC电力，并将AC电力输出到本地负载或电力网。这样的逆变器和其他包括变压器的逆变器在DC输入和AC输出之间设置有电流绝缘。然而，这些变压器具有严重的缺点，例如重量大、高成本、低效率、非一致功率因数(特别是在低负载情况下)。带有变压器的高频率逆变器可以减少重量并且具有一致功率因数，但是没有改善电力转化的效率。无变压器的逆变器不需要利用沿着DC-AC转化通路的变压器而将DC电力转化为AC电力。无变压器的逆变器不包括变压器，而是包括电力开关元件，例如MOSFET和/或IGBT晶体管，所述电力开关元件被特别布置和控制为将接收到的DC电力转化为AC电力以减少DC输入和AC输出之间的干扰。无论是何种设计,在DC电力转化为AC电力期间,逆变器中能量都有损失。转换中的能量损失越少，逆变器就越有效。无变压器的逆变器尽管通常更复杂，但是比带有变压器的逆变器更有效率。
技术实现思路
尽管通常比基于变压器的逆变器效率更高，专利技术人已知悉对于某些应用，无变压器的逆变器的效率并不如期望的那么高。本专利技术的实施例包括一种具有改善的效率的无变压器的逆变器。在一个特殊实例中，本专利技术提供了一种可连网(grid-connectable)的逆变器，其具有第一DC输入节点和第二DC输入节点；第一AC输出节点和第二AC输出节点。该逆变器还包括第一开关，第二开关，第三开关和第四开关，第一二极管和第二二极管。该逆变器还包括四个通路:用于正半周期的正电流通路，用于正半周期的第一空转(free-wheel)电流通路，用于负半周期的负电流通路，以及用于负半周期的第二空转电流通路。所述第一空转电流通路包括所述第一 AC输出节点、所述第一开关、所述第一二极管、所述第四开关和所述第二 AC输出节点。在所述第一空转电流通路中，没有额外的二极管与所述第一开关和第四开关之间的所述第一二极管串联。所述第二空转电流通路包括所述第二 AC输出节点、所述第二开关、所述第二二极管、所述第三开关和所述第一 AC输出节点。在所述第二空转电流通路中，没有额外的二极管与所述第二开关和第三开关之间的所述第二二极管串联。本专利技术的实施例还提供了一种利用可连网的逆变器将DC电力转化为AC电力的方法。所述逆变器包括第一和第二 DC输入节点,第一和第二 AC输出节点，四个开关(第一、第二、第三和第四开关)，第一二极管，以及第二二极管。所述方法包括在所述第一和第二 DC输入节点接收DC输入。至少所述第一、第二、第三和第四开关被控制以产生用于正半周期的正电流通路。在正半周期期间，所述第一开关和第四开关被闭合以产生第一空转电流通路。所述第一空转电流通路包括所述第一 AC输出节点、所述第一开关、所述第一二极管、所述第四开关和所述第二AC输出节点。在所述第一空转电流通路中，没有额外的二极管与所述第一开关和第四开关之间的所述第一二极管串联。所述方法还包括控制所述第一、第二、第三和第四开关以产生用于负半周期的负电流通路。在负半周期期间，所述第二开关和所述第三开关被闭合以产生用于负半周期的第二空转电流通路。所述第二空转电流通路包括所述第二 AC输出节点、所述第二开关、所述第二二极管、所述第三开关和所述第一 AC输出节点。在所述第二空转电流通路中，没有额外的二极管与所述第二开关和第三开关之间的所述第二二极管串联。通过考虑如下说明书和附图，本专利技术的其他方面将变得更加明显。附图说明图1示出了一电力转化系统。图2示出了现有技术的三电平无变压器的逆变器。图3A-3D分别示出了针对现有技术的三电平无变压器的逆变器的四个开关状态。图4示出了根据本专利技术的实施例的三电平无变压器的逆变器。图5A- 分别示出了针对根据本专利技术的实施例的三电平无变压器的逆变器的四个开关状态。图6示出了根据本专利技术实施例的将DC电力转化为AC电力的方法。具体实施例方式在详细说明本专利技术的任何实施例之前，应理解的是本专利技术的应用不受限于如下说明书提出的和如下附图中图示的部件的构造和布置细节。本专利技术还包括能够以各种方式实现或实施的其他实施例。图1示出了一电力转化系统100。该电力转化系统100包括光伏(PV)板105、DC/DC变流器110、逆变器115和AC电网120。PV板105接收太阳辐射并将辐射转化为DC电力。该PV板将DC电力输出至DC/DC变流器110。DC/DC变流器110将DC电力积累或放大至合适逆变器115的电平。例如，DC/DC变流器110提供具有预定特征(例如在预定的容许范围内的特定电压)的DC输出。DC/DC变流器110可以被认为提供了“调节的电力”，其可以是无变压器的变流器或者其可以包括变压器。逆变器115接收来自DC/DC变流器110的调节后的DC电力并将DC电力转化为AC电力。然后逆变器115输出AC电力至AC电网120。例如电网120的电力网(有时简称为“电网”)为传输线系统或其他设备，电力公司产生的电能通过所述设备传输到用户。现描述另一方式，电网120为将一个或多个AC供电商与一个或多个AC电力用户互连的电网。例如如果一个家庭或机构包括逆变器115，电网120可以将逆变器115与外部电网、本地耗电设备(例如连接到家庭出口或附近的负载)连接，或者与两者均连接。在一个正常的操作中，电网120提供了具有正弦电压波形的AC电力，该正弦电压波形具有大约恒定的幅值和频率(例如当输送到电网供电家庭的本地子区域时，为60Hz、120V)。在其他部分或在其他输送点，电网120提供的电力可能具有各种幅值(例如208V、240V、277V，至几kV)和频率(例如50Hz或60Hz)，这取决于实施方式或本地标准。逆变器115可应用于“连网”到或捆绑到电网120的系统。但是，也可以将逆变器115(其具有未示出的额外设备)连接到本地电系统或本地负载(“离电网(off grid)”)，而不是电网120。图2图示了现有技术的三电平无变压器的逆变器125，其具有中点钳位(NPC)拓扑结构。逆变器125为图1的逆变器115的一个示例。尽管图2的NPC拓扑结构具有比传统的H桥电路更多的开关元件,但NPC拓扑结构具有减少的电压额定值(voltage ratingvalue),且减少了共模电压(common mode voltage)的干扰。逆变器系统中的共模电压可能产生潜在的有害的漏电流。例如，如果出现了漏电流，在PV板的寄生电容上会积聚电压。如果一个家庭设备连接了 PV板并且该家庭设备连接到地，则漏电流可以通过该家庭设备而放电。逆变器125包括八个开关元件(S1-S8),与所述开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可连网的逆变器，包括：第一DC输入节点和第二DC输入节点；第一AC输出节点和第二AC输出节点；第一开关，第二开关，第三开关和第四开关；第一二极管和第二二极管；用于正半周期的正电流通路；用于所述正半周期的第一空转电流通路，其中所述第一空转电流通路包括所述第一AC输出节点、所述第一开关、所述第一二极管、所述第四开关和所述第二AC输出节点，且其中没有额外的二极管与所述第一开关和第四开关之间的所述第一二极管串联；用于负半周期的负电流通路；以及用于所述负半周期的第二空转电流通路，其中所述第二空转电流通路包括所述第二AC输出节点、所述第二开关、所述第二二极管、所述第三开关和所述第一AC输出节点，且其中没有额外的二极管与所述第二开关和第三开关之间的所述第二二极管串联。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：王子涛彼得，
申请(专利权)人：科勒公司，
类型：发明
国别省市：