基于七电平拓扑的逆变电路、三相逆变器及储能系统的制作方法

1.本发明涉及储能逆变设备技术领域，尤其涉及一种基于七电平拓扑的逆变电路、三相逆变器及储能系统。


背景技术：

2.传统逆变器通常为两电平或三电平，该类逆变器的交流输出电压的幅值有限，且逆变器直流率＝交流线电压的幅值/直流侧电压，则传统逆变器的直流利用率最大为1，即传统逆变器的直流利用率不高，不能满足对交流输出幅值、直流利用率要求较高的场合。同时，传统采用三电平结构的逆变器，需要的输出滤波电感较大，使得逆变器整体的体积、重量较大，还会导致系统功率密度较低。
3.以分布式储能电站为例，在储能系统中通常是由储能电池接储能逆变器(pcs)以接入交流电源，其中，储能变流器通常为传统的三电平逆变器，储能变流器系统的交流输出幅值的大小会受限于直流电池的电压，而电池电压一般为标准限值，因此逆变器的交流输出也受会受限，不能有效降低交流电缆的输出电流，致使储能系统传输损耗较大。
4.要增加逆变器交流输出电压的幅值，现有技术中通常是采用直接增加直流侧电池的电压的方式，不适用于直流侧电池电压受限的情况，因而适用场景受限。因此亟需提供一种逆变电路，以使得能够在相同的直流输入电压和功率情况下，增加交流输出电压的幅值，从而可以减小交流侧电缆的电流，进而可以减小传输电缆和变压器的损耗，提升储能系统的发电效益。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够实现七电平输出，且结构简单、成本低、整体装置体积重量小、功率密度大且直流利用率高的三相逆变装置，以及传输损耗低、发电效益高的储能系统。
6.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
7.一种基于七电平拓扑的逆变电路，包括第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3、第四开关管t4、第五开关管t5、第六开关管t6、第七开关管t7、第八开关管t8、第九开关管t9以及第一二极管d1、第二二极管d2、悬浮电容cs，所述第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3、第四开关管t4依次连接，所述第一开关管t1的输入与电源正极连接，所述第四开关管t4的输出端与电源负极连接，所述第七开关管t7、第九开关管t9与第八开关管t8依次连接后并联在第二开关管t2与第三开关管t3的两端，所述第五开关管t5连接在电源正极与a点之间，所述第六开关管t6连接在b点与电源负极之间，a点为第八开关管与第三开关管t3之间的连接点，b点为第七开关管t7与第二开关管t2之间的连接点，所述第一二极管d1与第二二极管d2串联连接后并联连接在第九开关管t9的两端，所述悬浮电容cs并联连接在第二开关管t2与第三开关管t3的两端。
8.进一步的，所述第一开关管t1的集电极与电源正极连接，发射极连接第二开关管
t2的集电极，第二开关管t2的发射极连接第三开关管t3的集电极，第三开关管t3的发射极连接第四开关管t4的集电极，第四开关管t4的发射极连接电源负极。
9.进一步的，所述第一开关管t1与电源的正极之间还设置有第三二极管d3，所述第四开关管t4与电源的负极之间还设置有第四二极管d4。
10.进一步的，所述第五开关管t5的集电极连接电源正极，所述第五开关管t5的发射极连接所述a点，所述a点为第七开关管t7的集电极与第二开关管t2的集电极之间的连接点，所述第六开关管t6的集电极连接b点，所述第六开关管t6的发射极连接所述b点，所述b点为第八开关管t8的发射极与第三开关管t3的发射极之间的连接点。
11.进一步的，所述第七开关管的集电极连接至第一开关管t1与第二开关管t2之间，第七开关管的发射极连接第九开关管t9的发射极，所述第九开关管t9的集电极连接第八开关管t8的集电极，第八开关管t8的发射极连接至第三开关管t3与第四开关管t4之间。
12.进一步的，所述第一二极管d1的阳极与所述第七开关管的发射极连接，所述第一开关管d1的阴极与第二开关管d2的阳极连接，所述第二开关管d2的阴极与第九开关管的集电极连接，所述第一开关管d1与所述第二二极管d2之间的连接点接地。
13.进一步的，还包括第一电容c1以及第二电容c2，所述第一电容c1的一端电源正极连接，另一端与第二电容c2的一端连接，所述第二电容的另一端与电源负极连接，所述第一电容c1以及第二电容c2之间的连接点接地。
14.进一步的，还包括设置在输出端的输出滤波器，所述输出滤波器包括输出电感l1以及输出电容c0，所述输出电感l1的一端连接至所述第二开关管t2与第三开关管t3之间，另一端通过所述输出电容c0接地。
15.进一步的，所述第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3、第四开关管t4、第五开关管t5、第六开关管t6、第七开关管t7、第八开关管t8、第九开关管t9分别为igbt、gto、gtr、mosfet、igct、iegt中任意一种的半导体开关器件，或为所述半导体开关器件与二极管反并联连接组成的复合开关器件。
16.一种三相逆变器，包括三相逆变电路，每相逆变电路为如上述的逆变电路。
17.一种储能系统，包括储能电池以及储能逆变器，所述储能电池通过所述储能逆变器连接交流汇流箱的一端，所述交流汇流箱的另一端通过升压变压器连接电网，所述储能逆变器采用如上述三相逆变装置。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于：
19.1、本发明逆变电路可以形成七电平拓扑结构，产生3u
dc
/2、u
dc
、u
dc
/2、0、-u
dc
/2、-u
dc
、-3u
dc
/2七种电平输出，还可以大大提高输出电压值，输出电压最大值可达到传统逆变器的3倍，同时能够提高逆变电路的直流利用率以及功率密度，还能够有效降低输出滤波器的体积和感值。
20.2、本发明储能系统可以大大增加交流逆变电压，即同等功率条件下可大大减小输出电流，进而可以减小线路的传输损耗和变压器损耗，从而提升储能系统的发电效益。
附图说明
21.图1是本实施例基于七电平拓扑的逆变电路的结构示意图。
22.图2是本实施例中逆变电路的第一种工作状态的电流流通线路示意图。
23.图3是本实施例中逆变电路的第二种工作状态的电流流通线路示意图。
24.图4是本实施例中逆变电路的第三种工作状态的电流流通线路示意图。
25.图5是本实施例中逆变电路的第四种工作状态的电流流通线路示意图。
26.图6是本实施例中逆变电路的第五种工作状态的电流流通线路示意图。
27.图7是本实施例中逆变电路的第六种工作状态的电流流通线路示意图。
28.图8是本实施例中逆变电路的第七种工作状态的电流流通线路示意图。
29.图9是本实施例中逆变电路的第八种工作状态的电流流通线路示意图。
具体实施方式
30.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
31.如本发明公开所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。本发明公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
32.如图1所示，本实施例基于七电平拓扑的逆变电路包括第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3、第四开关管t4、第五开关管t5、第六开关管t6、第七开关管t7、第八开关管t8、第九开关管t9以及第一二极管d1、第二二极管d2、悬浮电容cs，第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3、第四开关管t4依次连接，第一开关管t1的输入与电源正极连接，第四开关管t4的输出端与电源负极连接，第七开关管t7、第九开关管t9与第八开关管t8依次连接后并联在第二开关管t2与第三开关管t3的两端，第五开关管t5连接在电源正极与a点之间，第六开关管t6连接在b点与电源负极之间，a点为第八开关管与第三开关管t3之间的连接点，b点为第七开关管t7与第二开关管t2之间的连接点，第一二极管d1与第二二极管d2串联连接后并联连接在第九开关管t9的两端，悬浮电容cs并联连接在第二开关管t2与第三开关管t3的两端。本实施例上述逆变电路可以形成七电平拓扑结构，产生七种电平输出，还可以有效提高输出电压值，同时提高逆变电路的直流利用率以及功率密度，还能够有效降低输出滤波器的体积和感值。
33.本实施例中，第一开关管t1的集电极与电源正极连接，发射极连接第二开关管t2的集电极，第二开关管t2的发射极连接第三开关管t3的集电极，第三开关管t3的发射极连接第四开关管t4的集电极，第四开关管t4的发射极连接电源负极。
34.本实施例中，第一开关管t1与电源的正极之间还设置有第三二极管d3，第四开关管t4与电源的负极之间还设置有第四二极管d4。
35.本实施例中，第五开关管t5的集电极连接电源正极，第五开关管t5的发射极连接a点，a点为第七开关管t7的集电极与第二开关管t2的集电极之间的连接点，第六开关管t6的集电极连接b点，第六开关管t6的发射极连接b点，b点为第八开关管t8的发射极与第三开关管t3的发射极之间的连接点。
36.本实施例中，第七开关管的集电极连接至第一开关管t1与第二开关管t2之间，第
七开关管的发射极连接第九开关管t9的发射极，第九开关管t9的集电极连接第八开关管t8的集电极，第八开关管t8的发射极连接至第三开关管t3与第四开关管t4之间。
37.本实施例中，第一二极管d1的阳极与第七开关管的发射极连接，第一开关管d1的阴极与第二开关管d2的阳极连接，第二开关管d2的阴极与第九开关管的集电极连接，第一开关管d1与第二二极管d2之间的连接点接地。
38.本实施例中，还包括第一电容c1以及第二电容c2，第一电容c1的一端电源正极连接，另一端与第二电容c2的一端连接，第二电容的另一端与电源负极连接，第一电容c1以及第二电容c2之间的连接点接地。
39.本实施例中，第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3、第四开关管t4、第五开关管t5、第六开关管t6、第七开关管t7、第八开关管t8、第九开关管t9分别采用igbt开关管。可以理解的是，各开关管还可以采用其他如gto、gtr、mosfet、igct、iegt等各类型半导体开关器件，或为半导体开关器件与二极管反并联连接组成的复合开关器件。
40.本实施例中，还包括由输出电感l1以及输出电容c0构成的输出滤波器，输出电感l1的一端连接至第二开关管t2与第三开关管t3之间，另一端通过输出电容c0接地。本实施例通过形成七电平拓扑结构的逆变电路，可以有效降低输出滤波器的体积和感值。
41.本实施例上述逆变电路具体可输出七个电平分别为3u
dc
/2、u
dc
、u
dc
/2、0、-u
dc
/2、-u
dc
、-3u
dc
/2，其中最高输出电压为3u
dc
/2，即逆变器电路的交流输出电压最高为母线电压的1.5倍，逆变电压可以达到传统逆变器的3倍，即同等功率条件下输出电流可以减小三倍。
42.本实施例上述逆变电路总共有八种工作模态，如图2～图9所示(图中黑色实线表示实际电路流通线路)，各个工作模态下开关器件的状态如下所示。
43.工作状态1：如图2所示，电流正向流通，开关管t2，t5导通，其它开关管关断，悬浮电容cs放电。在该模态下，桥臂输出电压为3u
dc
/2。
44.工作状态2：如图3所示，电流正向流通，开关管t2，t8，t9导通，其它开关管关断，悬浮电容cs放电。在该模态下，桥臂输出电压为u
dc
。
45.工作状态3：如图4所示，电流正向流通，开关管t1，t2，t4导通，其它开关管关断，悬浮电容cs充电。在该模态下，桥臂输出电压为u
dc
/2。
46.工作状态4：如图5所示，电流正向流通，开关管t2，t7，t8导通，其它开关管关断。在该模态下，桥臂输出电压为0。
47.工作状态5：如图6所示，电流负向流通，开关管t3，t8，t9导通，其它开关管关断。在该模态下，桥臂输出电压为0。
48.工作状态6：如图7所示，电流负向流通，开关管t1，t3，t4导通，其它开关管关断，悬浮电容cs充电。在该模态下，桥臂输出电压为-u
dc
/2。
49.工作状态7：如图8所示，电流负向流通，开关管t3，t7，t9导通，其它开关管关断，悬浮电容cs放电。在该模态下，桥臂输出电压为-u
dc
。
50.工作状态8：如图9所示，电流负向流通，开关管t3，t6导通，其它开关管关断，悬浮电容cs放电。在该模态下，桥臂输出电压为-3u
dc
/2。
51.由上述各模式可知，逆变器共模均有双向流通路径，功率可以双向流动，且桥壁输出电压最大值为3u
dc
/2，可以大大提高输出电压值。
52.本实施例还提供三相逆变器，包括三相逆变电路，每相逆变电路为如上述逆变电
路。如图2所示逆变电路为三相逆变电路的一相，电路包含九个开关管t1-t9，四个二极管d
1-d4,一个悬浮电容cs和两个母线电容c1和c2，电路输出七个电平分别为3u
dc
/2、u
dc
、u
dc
/2、0、-u
dc
/2、-u
dc
、-3u
dc
/2，其他两相电路相同。
53.本实施例还提供储能系统，包括储能电池以及储能逆变器，储能电池通过储能逆变器连接交流汇流箱的一端，交流汇流箱的另一端通过升压变压器连接电网，储能逆变器采用如上述三相逆变器。由于上述三相逆变器可以使得交流逆变电压增加三倍，即同等功率条件下电流可以减小三倍，可以进而减小线路的传输损耗和变压器损耗，从而提升储能系统的发电效益。
54.上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种基于七电平拓扑的逆变电路，其特征在于：包括第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3、第四开关管t4、第五开关管t5、第六开关管t6、第七开关管t7、第八开关管t8、第九开关管t9以及第一二极管d1、第二二极管d2、悬浮电容cs，所述第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3、第四开关管t4依次连接，所述第一开关管t1的输入与电源正极连接，所述第四开关管t4的输出端与电源负极连接，所述第七开关管t7、第九开关管t9与第八开关管t8依次连接后并联在第二开关管t2与第三开关管t3的两端，所述第五开关管t5连接在电源正极与a点之间，所述第六开关管t6连接在b点与电源负极之间，a点为第八开关管与第三开关管t3之间的连接点，b点为第七开关管t7与第二开关管t2之间的连接点，所述第一二极管d1与第二二极管d2串联连接后并联连接在第九开关管t9的两端，所述悬浮电容cs并联连接在第二开关管t2与第三开关管t3的两端。2.根据权利要求1所述的基于七电平拓扑的逆变电路，其特征在于，所述第一开关管t1的集电极与电源正极连接，发射极连接第二开关管t2的集电极，第二开关管t2的发射极连接第三开关管t3的集电极，第三开关管t3的发射极连接第四开关管t4的集电极，第四开关管t4的发射极连接电源负极。3.根据权利要求1所述的基于七电平拓扑的逆变电路，其特征在于，所述第一开关管t1与电源的正极之间还设置有第三二极管d3，所述第四开关管t4与电源的负极之间还设置有第四二极管d4。4.根据权利要求1所述的基于七电平拓扑的逆变电路，其特征在于，所述第五开关管t5的集电极连接电源正极，所述第五开关管t5的发射极连接所述a点，所述a点为第七开关管t7的集电极与第二开关管t2的集电极之间的连接点，所述第六开关管t6的集电极连接b点，所述第六开关管t6的发射极连接所述b点，所述b点为第八开关管t8的发射极与第三开关管t3的发射极之间的连接点；所述第七开关管t7的集电极连接至第一开关管t1与第二开关管t2之间，第七开关管t7的发射极连接第九开关管t9的发射极，所述第九开关管t9的集电极连接第八开关管t8的集电极，第八开关管t8的发射极连接至第三开关管t3与第四开关管t4之间。5.根据权利要求4所述的基于七电平拓扑的逆变电路，其特征在于，所述第一二极管d1的阳极与所述第七开关管t7的发射极连接，所述第一开关管d1的阴极与第二开关管d2的阳极连接，所述第二开关管d2的阴极与第九开关管的集电极连接，所述第一开关管d1与所述第二二极管d2之间的连接点接地。6.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于七电平拓扑的逆变电路，其特征在于，还包括第一电容c1以及第二电容c2，所述第一电容c1的一端电源正极连接，另一端与第二电容c2的一端连接，所述第二电容的另一端与电源负极连接，所述第一电容c1以及第二电容c2之间的连接点接地。7.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于七电平拓扑的逆变电路，其特征在于，还包括设置在输出端的输出滤波器，所述输出滤波器包括输出电感l1以及输出电容c0，所述输出电感l1的一端连接至所述第二开关管t2与第三开关管t3之间，另一端通过所述输出电容c0接地。8.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于七电平拓扑的逆变电路，其特征在于，所述第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3、第四开关管t4、第五开关管t5、第六开关管
t6、第七开关管t7、第八开关管t8、第九开关管t9分别为igbt、gto、gtr、mosfet、igct、iegt中任意一种的半导体开关器件，或为所述半导体开关器件与二极管反并联连接组成的复合开关器件。9.一种三相逆变器，包括三相逆变电路，其特征在于：每相逆变电路为如权利要求1～8中任意一项所述的逆变电路。10.一种储能系统，包括储能电池以及储能逆变器，所述储能电池通过所述储能逆变器连接交流汇流箱的一端，所述交流汇流箱的另一端通过升压变压器连接电网，其特征在于，所述储能逆变器采用如权利要求9所述的三相逆变器。

技术总结
本发明公开一种基于七电平拓扑的逆变电路、三相逆变器及储能系统，该逆变装置包括第一开关管～第九开关管以及第一二极管、第二二极管、悬浮电容，第一开关管～第四开关管依次连接，第一开关管的输入与电源正极连接，第四开关管的输出端与电源负极连接，第七开关管、第九开关管与第八开关管依次连接后并联在第二开关管与第三开关管的两端，第五开关管连接在电源正极与A点之间，第六开关管连接在B点与电源负极之间，第一二极管与第二二极管串联连接后并联连接在第九开关管的两端，悬浮电容并联连接在第二开关管与第三开关管的两端。本发明具有能够实现七电平输出，且结构简单、成本低、整体装置体积重量小、功率密度大且直流利用率高等优点。用率高等优点。用率高等优点。


技术研发人员：刘谋海 马叶钦 肖宇 黄瑞 杨帅 余敏琪 申丽曼 李凌剑 张卫川 杨洪明 曾伟杰
受保护的技术使用者：国网湖南省电力有限公司供电服务中心（计量中心） 国家电网有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/15