CN102005954A - 单相非隔离型光伏并网逆变器及控制方法 - Google Patents

单相非隔离型光伏并网逆变器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单相非隔离型光伏并网逆变器及控制方法。所述光伏并网逆变器主要由半桥电路、全桥电路和控制电路组成。所述控制电路对半桥电路和全桥电路进行控制，以使得半桥电路以高频SPWM方式进行调制，输出正弦半波电流，并使得全桥电路以工频方式进行换向，对半桥电路输出的正弦半波电流进行换向，输出并网所需的正弦波电流。该光伏并网逆变器能有效解决非隔离型并网逆变器电路中存在的共模电流的问题，减小电流过零点处的畸变，并且在任意时刻电路中的高频开关损耗小。

Description

单相非隔离型光伏并网逆变器及控制方法
技术领域
本发明涉及光伏并网逆变器技术领域，尤其涉及一种单相非隔离型光伏并网逆变器及控制方法。
背景技术
光伏并网系统中常采用带工频或高频变压器的隔离型光伏并网逆变器，这样确保了电网和光伏系统之间的电气隔离，从而提供人身保护并避免了光伏系统和地之间的漏电流。然而，若采用工频变压器，其体积大、重量重且价格昂贵；若采用高频变压器，功率变换电路将被分成数级，使得控制复杂化，同时还降低了系统的效率。
为了克服上述有变压器的隔离型并网系统的不足，对无变压器的非隔离型逆变器进行了研究。无变压器隔离型单相光伏并网逆变器具有体积小、效率高、价格低的特点，其中最突出的优点是能够将整个系统的效率提高到97～98％，无变压器拓扑的这个特点对于发电成本较高的光伏并网系统来说具有很大的吸引力，所以在小功率光伏并网系统中无变压器的拓扑被广泛应用。然而，采用无变压器拓扑结构的光伏并网逆变器必须妥善解决的一个问题就是如何消除共模干扰在分布电容形成的回路中所产生的共模电流。关于共模电流的成因具体可参见“单相非隔离型光伏并网逆变器中共模电流抑制的研究”(孙龙林等，中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会)和“无变压器结构光伏并网系统共模漏电流分析”(马琳等，太阳能学报2009年第30卷第7期第883-887页)。
为了抑制共模电流，例如，在“单相非隔离型光伏并网逆变器中共模电流抑制的研究”(孙龙林等，中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会)中公开了几种抑制共模电流的实用电路拓扑，这几种拓扑均是在全桥电路的基础上，在电路直流侧或交流侧加入相关的开关管器件，使得电路在续流时在电路中构成新的续流回路，以使得续流回路与直流侧断开，从而达到抑制电路中的共模电流的效果。这几种拓扑的缺点是(1)在原电路基础上增加了额外的电路，使得硬件电路复杂化，软件控制程序复杂化；(2)逆变器的全桥逆变电路中的开关器件采用高频单极性调制方式，所以电路中的高频开关损耗较大。
又例如，在申请号为200910234342.9的中国专利申请“一种非隔离光伏并网逆变器及其开关控制时序”中公开了一种能够消除非隔离并网逆变器的共模电流的光伏并网逆变器。该光伏并网逆变器在全桥电路进行单极性调制的基础上加入两支可控开关管和分压电容构成双向箝位支路，对新加入的开关管的驱动信号进行相应的控制，使得在电路进行单极性调制中，电路在续流时，续流回路电位(即，交流输出点对地的电压)降为输入直流电压的一半，从而减小电路中的共模电压。这种光伏并网逆变器的缺点包括：(1)全桥电路采用高频单极性方式进行调制，而正如“单相非隔离型光伏并网逆变器中共模电流抑制的研究”(孙龙林等，中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会)中所指出的，采用单极性调制的全桥拓扑所产生的共模电压激励共模谐振回路产生的共模电流将达到数安培并且随着开关频率的增大而线性增加，也就是说，单极性调制方式本身就不可避免地产生较大的共模电流(采用双极性调制的全桥拓扑的共模电压激励产生的共模电流仅为毫安级)，尤其是在开关频率大的情况下；(2)在整个开关周期内有两个开关管同时工作在高频状态，因此，电路中的高频开关损耗较大。
发明内容
为了解决上述文本，本发明提供一种单相非隔离型光伏并网逆变器及控制方法，以有效避免非隔离型并网逆变器电路中的共模电流的产生，并使得高频开关损耗较小。
为了实现以上目的，本发明提供一种单相非隔离型光伏并网逆变器，包括：输入滤波电容，其与输入直流电源并联，用于对输入直流电源的直流电压进行滤波；半桥电路，其输入端与输入滤波电容并联，输出端分别与储能电感和全桥电路连接，用于将经过滤波的直流电压转换为正弦半波电流；全桥电路，其输入端分别与储能电感和半桥电路连接，输出端与进网滤波器并联，用于将通过半桥电路转换的正弦半波电流变换为满足并网需要的正弦波电流；储能电感，其串联在半桥电路和全桥电路之间，用于储存半桥电路传输过来的电能；支撑电容，其与全桥电路的输入端并联，用于为全桥电路提供足够的工作电压；和控制电路，其连接至半桥电路和全桥电路，用于同时对半桥电路和全桥电路进行控制，以使得半桥电路将经过滤波的直流电压转换为正弦半波电流，并使得全桥电路将通过半桥电路转换的正弦半波电流变换为满足并网需要的正弦波电流。
优选地，所述控制电路对半桥电路发出高频SPWM调制控制信号，以使得半桥电路以高频SPWM方式进行调制以输出正弦半波电流，同时对全桥电路发出工频双极性调制控制信号，以使得全桥电路以工频对通过半桥电路输出的正弦半波电路进行换向以输出满足并网需要的正弦波电流。
优选地，所述半桥电路由两组带有反向并联二极管的MOSFET开关管串联组成，所述全桥电路由两组所述半桥电路并联组成，所述控制电路对所述半桥电路的两组MOSFET开关管发出两路高频互补的SPWM调制控制信号，同时对所述全桥电路的两组半桥电路发出工频双极性调制控制信号，以使得所述两组半桥电路以工频在电网电流正半周和负半周交替形成电流通路。
优选地，所述控制电路采用DSP F2912微处理器。
相应地，本发明提供一种根据权利要求1所述的光伏并网逆变器的控制方法，包括：同时对半桥电路和全桥电路进行控制，以使得半桥电路将经过滤波的直流电压转换为正弦半波电流，并使得全桥电路将通过半桥电路转换的正弦半波电流变换为满足并网需要的正弦波电流。
优选地，对半桥电路发出高频SPWM调制控制信号，以使得半桥电路以高频SPWM方式进行调制以输出正弦半波电流，同时对全桥电路发出工频双极性调制控制信号，以使得全桥电路以工频对通过半桥电路输出的正弦半波电路进行换向以输出满足并网需要的正弦波电流。
优选地，在所述半桥电路由两组带有反向并联二极管的MOSFET开关管串联组成并且所述全桥电路由两组所述半桥电路并联组成的情况下，对所述半桥电路的两组MOSFET开关管发出两路高频互补的SPWM调制控制信号，同时对所述全桥电路的两组半桥电路发出工频双极性调制控制信号，以使得所述两组半桥电路以工频在电网电流正半周和负半周交替形成电流通路。
从以上技术方案可看出，本发明可获得以下技术效果：
(1)根据本发明的光伏并网逆变器采用半桥+全桥的拓扑结构，有效地避免了现有的单相非隔离型光伏并网逆变器中的共模电流的产生，从而减小了电流过零点处的畸变；
(2)输入滤波电容不仅可起到对输入电压进行滤波的作用，而且还可以起到无功补偿的作用；
(3)在整个开关周期内只有一个开关管工作在高频状态，因此，高频开关损耗较小。
附图说明
图1是根据本发明的光伏并网逆变器的拓扑结构框图；
图2是根据本发明的一个实施例的光伏并网逆变器的拓扑结构图；
图3和图4分别是描绘图2所示光伏并网逆变器在电网电流正半周期时电路的工作原理图和各开关管的驱动信号时序图；
图5和图6分别是描绘图2所示光伏并网逆变器在电网电流负半周期时电路的工作原理图和各开关管的驱动信号时序图。
具体实施方式
以下，将参照附图和实施例对本发明进行详细描述。
图1是根据本发明的光伏并网逆变器的拓扑结构框图。如图1所示，该光伏并网逆变器主要由半桥电路、全桥电路和控制电路组成，其中，半桥电路用于将输入直流电源的直流电压转换成正弦半波的电压信号，全桥电路用于将通过半桥电路转换的正弦半波电流变换为满足并网需要的正弦波电流。在输入直流电源与半桥电路之间并联有输入滤波电容C1，用于对输入的直流电压进行滤波，同时还可以起到无功补偿的作用。在半桥电路与全桥电路之间串联一储能电感L1，用于暂时储存半桥电路传输过来的电能。全桥电路的输入端并联有支撑电容C2，用于确保全桥电路具有足够的工作电压。控制电路同时控制半桥电路和全桥电路的工作方式，以使得半桥电路将经过滤波的直流电压转换为正弦半波电流，并使得全桥电路将通过半桥电路转换的正弦半波电流变换为满足并网需要的正弦波电流。
图2是根据本发明的一个实施例的光伏并网逆变器的拓扑结构图。在该实施例中，控制电路采用DSP F2912微处理器进行处理，其工作原理是，对半桥电路发出高频SPWM调制控制信号，以使得半桥电路以高频SPWM方式进行调制以输出正弦半波电流，同时对全桥电路发出工频双极性调制控制信号，以使得全桥电路以工频对通过半桥电路输出的正弦半波电路进行换向以输出满足并网需要的正弦波电流。
具体地讲，如图2所示，半桥电路包括开关管VT1、VT2和二极管D1、D2。其中，开关管VT1的源极与开关管VT2的漏极相连，开关管VT1的漏极与输入直流电源Vin的正极相连，开关管VT2的源极与输入直流电源Vin的负极相连。二极管D1、D2分别与开关管VT1、VT2的漏极和源极反向并联。
全桥电路包括开关管VT3、VT4、VT5、VT6和二极管D3、D4、D5、D6。其中，开关管VT3的源极与开关管VT4的漏极相连，开关管VT5的源极与开关管VT6的漏极相连，开关管VT3的漏极与开关管VT5的漏极相连，其连接点与前级电路中的电感L1的输出端相接，开关管VT4的源极与开关管VT6的源极相接，其连接点与输入直流电源Vin的负极相接，二极管D3、D4、D5、D6分别与VT3、VT4、VT5、VT6的漏极与源极反向并联。
控制电路分别控制半桥电路和全桥电路中的开关管。其中，控制电路发出的控制信号1与半桥电路中的开关管VT1的栅极相连接，控制信号2与半桥电路中的开关管VT2的栅极相连接，控制信号3与全桥电路中的开关管VT3和开关管VT6的栅极相连接，控制信号4与全桥电路中的开关管VT4和开关管VT5的栅极相连接。
图3和图4分别是描绘图2所示光伏并网逆变器在电网电流正半周期时电路的工作原理图和各开关管的驱动信号时序图。如图3和图4所示，在电网电流正半周期，控制电路给半桥电路的开关管VT1和VT2同时分别发出两路高频互补的SPWM调制控制信号1和控制信号2，使开关管VT1和VT2工作于高频，以互补的SPWM调制方式进行调制。同时控制电路给全桥电路中的开关管VT3和VT6发出控制信号3，使开关管VT3、VT6常通，开关管VT4、VT5截止，其中，开关管VT3、VT6工作于工频，为电路中的正向电流提供通路，电路中的电流方向如图3中虚线所示。
图5和图6分别是描绘图2所示光伏并网逆变器在电网电流负半周期时电路的工作原理图和各开关管的驱动信号时序图。如图5和图6所示，在电网电流负半周期，控制电路给半桥电路的开关管VT1和VT2同时发出两路高频互补的SPWM调制控制信号1和控制信号2，使开关管VT1和VT2工作于高频，以互补的SPWM调制方式进行调制。同时控制电路给全桥电路中的开关管发出控制信号4，使开关管VT4、VT5常通，开关管VT3、VT6截止，其中，开关管VT4和VT5工作于工频，为电路中的负向电流提供通路，电路中的电流方向如图5中虚线所示。
从图3至图6可看出，通过对前级的半桥电路进行SPWM调制，使其输出电流为正弦半波信号，然后通过后级的全桥电路采用工频双极性调制方式进行电流换向，使其输出电流为满足电网要求的正弦电流信号。由于全桥电路中没有采取单极性调制，所以避免了电路中共模电流的产生。而且，全桥电路以工频进行电流换向，因此，全桥电路中的开关管损耗很小。
此外，在图2所示电路中，在每个开关周期内有两个开关管互补工作于高频，即，每一时刻电路中只有一个高频开关管，其它开关管都工作于工频，因此，整个电路中的开关损耗很小。
以上已参照附图和实施例对本发明进行了详细描述，但是，应该理解，本发明并不限于以上所公开的具体实施例，任何本领域的技术人员在此基础之上容易想到的修改和变型都应包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种单相非隔离型光伏并网逆变器，包括：
输入滤波电容，其与输入直流电源并联，用于对输入直流电源的直流电压进行滤波；
半桥电路，其输入端与输入滤波电容并联，输出端分别与储能电感和全桥电路连接，用于将经过滤波的直流电压转换为正弦半波电流；
全桥电路，其输入端分别与储能电感和半桥电路连接，输出端与进网滤波器并联，用于将通过半桥电路转换的正弦半波电流变换为满足并网需要的正弦波电流；
储能电感，其串联在半桥电路和全桥电路之间，用于储存半桥电路传输过来的电能；
支撑电容，其与全桥电路的输入端并联，用于为全桥电路提供足够的工作电压；和
控制电路，其连接至半桥电路和全桥电路，用于同时对半桥电路和全桥电路进行控制，以使得半桥电路将经过滤波的直流电压转换为正弦半波电流，并使得全桥电路将通过半桥电路转换的正弦半波电流变换为满足并网需要的正弦波电流。
2.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器，其特征在于，所述控制电路对半桥电路发出高频SPWM调制控制信号，以使得半桥电路以高频SPWM方式进行调制以输出正弦半波电流，同时对全桥电路发出工频双极性调制控制信号，以使得全桥电路以工频对通过半桥电路输出的正弦半波电路进行换向以输出满足并网需要的正弦波电流。
3.根据权利要求2所述的光伏并网逆变器，其特征在于，所述半桥电路由两组带有反向并联二极管的MOSFET开关管串联组成，所述全桥电路由两组所述半桥电路并联组成，
所述控制电路对所述半桥电路的两组MOSFET开关管发出两路高频互补的SPWM调制控制信号，同时对所述全桥电路的两组半桥电路发出工频双极性调制控制信号，以使得所述两组半桥电路以工频在电网电流正半周和负半周交替形成电流通路。
4.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器，其特征在于，所述控制电路采用DSP F2912微处理器。
5.一种根据权利要求1所述的光伏并网逆变器的控制方法，包括：
同时对半桥电路和全桥电路进行控制，以使得半桥电路将经过滤波的直流电压转换为正弦半波电流，并使得全桥电路将通过半桥电路转换的正弦半波电流变换为满足并网需要的正弦波电流。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对半桥电路发出高频SPWM调制控制信号，以使得半桥电路以高频SPWM方式进行调制以输出正弦半波电流，同时对全桥电路发出工频双极性调制控制信号，以使得全桥电路以工频对通过半桥电路输出的正弦半波电路进行换向以输出满足并网需要的正弦波电流。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述半桥电路由两组带有反向并联二极管的MOSFET开关管串联组成并且所述全桥电路由两组所述半桥电路并联组成的情况下，对所述半桥电路的两组MOSFET开关管发出两路高频互补的SPWM调制控制信号，同时对所述全桥电路的两组半桥电路发出工频双极性调制控制信号，以使得所述两组半桥电路以工频在电网电流正半周和负半周交替形成电流通路。
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