CN102005958B - 一种光伏并网三电平逆变器 - Google Patents

一种光伏并网三电平逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明一种光伏并网三电平逆变器，涉及应用有控制极的半导体器件的不可逆的直流功率输入变换为交流功率输出的以及用于与电源的供电系统一起使用的设备，由光伏阵列模块、六个同样的开关管、两个同样的二极管、两组相等的电容器、两个相等的电感和电网组成，是无共模电流、差模电压小、电流纹波小和高效率的应用于光伏并网的三电平逆变器，克服了现有技术的三电平逆变器需要大约两倍于全桥逆变器的直流输入电压的缺点。

Description

一种光伏并网三电平逆变器
技术领域
本发明的技术方案涉及应用有控制极的半导体器件的不可逆的直流功率输入变换为交流功率输出的以及用于与电源的供电系统一起使用的设备，具体地说是一种光伏并网三电平逆变器。
背景技术
太阳能光伏发电技术是新能源和可再生能源中最具有发展前途的方式，光伏并网发电技术已成为太阳能光伏应用的主流。最新统计资料表明：截止2008年底，全球总的装机容量已经达到了13.4GW；较之2007年，2008年光伏系统总的装机容量增长了50％；并网系统在2008年大约占总的装机容量的99％。
通常现有技术中，光伏并网逆变器包含工频变压器以实现电气隔离，来满足安全要求，并可极大地减小光伏发电系统可能的漏电流，和电网中的直流注入。具有工频变压器并采用单极性脉冲宽度调制方式下全桥逆变拓扑结构具有很好的性价比，在已存在的光伏并网逆变器中得到了广泛应用。
然而，采用工频变压器的逆变器不仅增加了逆变器的体积、重量和成本，也降低了逆变器的效率。针对这一问题，人们提出了无变压器隔离的逆变器，并且在小于5kW的低功率的场合下得到了广泛的应用，无变压器型逆变器不仅具有较小的体积、重量和成本，其效率可提高1-2％。
采用无变压器型光伏并网逆变器必须解决由于“没有变压器隔离”而带来的安全问题和电网的直流注入以及可能的共模电流(漏电流)。产生共模电流的原因是：在光伏阵列和地之间存在一寄生电容CPvg，其数值范围为50-150nF/kW，在潮湿环境或雨天会达到200nF/kW。如果逆变器输出的共模电压可变，那么通过该寄生电容，在光伏阵列和地之间就会有共模电流。共模电流会产生严重的传导型和辐射型电磁干扰，导致电网电流产生畸变，并增加系统的损耗。
采用接地故障检测装置可以满足安全需求，采用一些控制方法或一些拓扑结构也可以避免或减少直流注入。然而，对于共模电流，虽然通过在谐振电路中加入阻尼元件，可以减小甚至消除漏电流，但是，加入阻尼元件会带来额外的损耗，降低逆变器的效率。因而，人们更关注于不产生可变共模电压的逆变器类型。
全桥逆变拓扑结构具有很好的性价比，其输入电压大约为350V，在已存在的功率拓扑中得到了广泛的应用，然而在单极性脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)方式下用于光伏并网，其共模电压是变化的，会产生共模电流。(见论文“Acost-effective single-stage inverter with maximum power point tracking”(IEEETransactions on Power Electronics，2004，19(5)：1289-1294.)和论文“Acost-effective single-stage inverter with maximum power point tracking”(IEEETransactions on Power Electronics，2004，19(5)：1289-1294.))
目前，应用于光伏并网系统而不产生共模电流的逆变器有半桥逆变器、三电平逆变器及其改进形式。但是，较之全桥逆变器，上述类型逆变器的主要缺点是需要大约两倍于全桥逆变器的直流输入电压。如果逆变器输出端电压为交流220V，半桥逆变器的输入电压要高于700V，这需要更多的光伏阵列串联或者串联前级升压电路。而且半桥类的逆变器需要耐压等级更高的开关管，影响了开关频率，增加了开关损耗。(见论文“A reviewof single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules”(IEEEtransactions on industry applications，2005，41(5)：1292-1306))
较之半桥逆变器，现有技术的三电平逆变器及其改进形式的效率提高了，并且纹波减小了，但其输入电压的级别并没有降低。现有技术的三电平逆变器及其改进形式虽然不产生共模电压，但其主要缺点是需要大约两倍于全桥逆变器的直流输入电压。如果逆变器输出端电压为交流220V，现有技术的三电平逆变器的输入电压要高于700V，这需要更多的光伏阵列串联或者串联前级升压电路，要耐压等级更高的开关管，影响了开关频率，增加了开关损耗(见论文“Multilevel converters for single-phase grid connectedphotovoltaic systems-an overview”(IEEE International Symposium on IndustrialElectronics，Pertoria，South Africa，1998.)和论文“A cost-effective single-stageinverter with maximum power point tracking”(IEEE Transactions on PowerElectronics，2004，19(5)：1289-1294.))。
CN101783611A公开了分裂电感三电平光伏并网逆变器及其控制方法，其目的之一是减小漏电流。然而CN101783611A并没有解决现有技术的三电平逆变器的上述诸多缺点，这一点可参见该专利文献的第7页【0042】，【0043】的说明。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种光伏并网三电平逆变器，是无共模电流、差模电压小、电流纹波小和高效率的应用于光伏并网的三电平逆变器，克服了现有技术的三电平逆变器需要大约两倍于全桥逆变器的直流输入电压的缺点。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种光伏并网三电平逆变器，由光伏阵列模块、六个同样的开关管、两个同样的二极管、两个相同的电容器、两个相同的电感和电网组成；电容器9和电容器10串联后电容器9的正极联接于光伏阵列模块13的输出端的正极节点21，电容器9和电容器10串联后电容器10的负极联接于光伏阵列模块13的输出端的负极节点22，开关管1、开关管2、开关管3和开关管4串联后的开关管1的集电极联接于光伏阵列模块13的输出端的正极节点23，开关管1、开关管2、开关管3和开关管4串联后的开关管4的发射极联接于光伏阵列模块13的输出端的负极节点24，电容器9和电容器10串联的中间节点18连接二极管7的正极，二极管7的负极与开关管1的发射极连接于节点19，电容器9和电容器10的中间节点18还连接二极管8的负极，二极管8的正极与开关管4的集电极连接于节点20，开关管1的发射极与开关管2的集电极的连接点为节点19，开关管2的发射极与开关管3的集电极的连接点为节点16，开关管3的发射极与开关管4的集电极的连接点为节点20，节点16位于开关管2和开关管3的中间节点，电感11一端连接到节点16，电感11另一端与电网14的一端连接于节点25，电网14的另一端通过节点26后分为两条支路，其中一条与地线15相连接于节点26，另一条支路通过电感12在中间节点17处连接于开关管5的发射极和开关管6的集电极，开关管5的集电极极连接到节点19，开关管6的发射极连接到节点20。
上述一种光伏并网三电平逆变器，其中所有开关管均为绝缘栅双极型晶体管IRG4PSC71UD，所有二极管均为快恢复二极管HFA25TB60，所用电容器的电容值为300uF，所用电感的电感值为1.5mH，所用光伏阵列模块的型号为165(36)P/G1573*824的太阳电池板串并联组成，其输出电压介于350伏到550伏之间，电网电压220V，电网频率50Hz，额定功率5kW，开关频率20kHz。
上述一种光伏并网三电平逆变器，其中所涉及到的光伏阵列模块、开关管、二极管、电容器、电感和电网都是公知的，所有元器件都可以通过商购等公知途径获得；其中所有元器件的连接也都是普通的线路连接方法。
本发明的有益效果是：
A.本发明一种光伏并网三电平逆变器突出的实质性特点是：
(1)电容器9和电容器10的中间节点18通过二极管7与开关管1连接于节点19，使得电流从节点18单向流通到节点19，电容器9和电容器10的中间节点18通过二极管8与开关管4连接于节点20，使得电流从节点20单向流通到节点18。二极管7和二极管8保证了电流的单向性。
(2)在电网14电压正半周期，当开关管1和开关管4导通时，由于二极管7和二极管8的箝位作用以及电容电容器9和电容器10的均压作用，开关管1和开关管4上的开关电压为输入电压Vin的一半，从而减小了开关损耗，并同时降低了电网电流的纹波，共模电压为Vin/2，差模电压为Vin。
(3)在电网电14电压正半周期，当开关管1和开关管4关断，而开关管3和开关管5导通时，由于二极管7和二极管8的箝位作用，开关电压为输入电压Vin的一半，从而减小了开关损耗，并同时降低了电网电流的纹波，共模电压为Vin/2，差模电压为0。
(4)在电网14电压负半周期，当开关管1和开关管4导通时，由于二极管7和二极管8的箝位作用以及电容电容器9和电容器10的均压作用，开关管1和开关管4上的开关电压为输入电压Vin的一半。从而减小了开关损耗，并同时降低了电网电流的纹波，共模电压为Vin/2，差模电压为-Vin。
(5)在电网14电压负半周期，当开关管1和开关管4关断，而开关管2和开关管6导通时，由于二极管7和二极管8的箝位作用，开关电压为输入电压Vin的一半，从而减小了开关损耗，并同时降低了电网电流的纹波，共模电压为Vin/2，差模电压为0。
(6)在电网14电压正半周期，当开关管1和开关管4关断，而开关管3和开关管5导通时，电感11和电感12电流分为两路，一路流经开关管6和开关管3的续流二极管，另一路流经开关管2和开关管5的续流二极管，电流的两路流通使得导通损耗减小，这一阶段虽然开关管3和开关管5导通，但并没有电流流过，因此开关管的损耗为零。
(7)在电网14电压负半周期，当开关管1和开关管4关断，而开关管2和开关管6导通时，电感11和电感12电流分为两路，一路流经开关管5和开关管2的续流二极管，另一路流经开关管3和开关管6的续流二极管，电流的两路流通使得导通损耗减小。这一阶段虽然开关管2和开关管6导通，但并没有电流流过，因此开关管的损耗为零。
(8)由上述的第(2)、(3)、(4)和(5)点可知，本发明一种光伏并网三电平逆变器共模电压恒定，从而共模电流为零；在电网14的正半周期，差模电压在0，Vin之间调制，而在电网14电压的负半周期，差模电压在-Vin，0之间调制，较之差模电压在整个周期在-Vin，Vin调制的逆变器(如双极性脉宽调制全桥逆变器)，差模电压减小。
(9)由上述的(8)点可知，差模电压减小，因而，输出到电网14的电流纹波减小。
(10)由上述的第(6)、(7)、(8)和(9)点可知，本发明一种光伏并网三电平逆变器的开关损耗小，导通损耗小，因此本发明逆变器的效率高。
(11)电感11和电感12对称联结于电网14的两端，消除了差模电压对共模电流的影响。
B.本发明一种光伏并网三电平逆变器突出的显著进步是：
(1)本发明一种光伏并网三电平逆变器的输出电压和并网电流与二极管箝位式三电平逆变器的一致，其共模电压都为恒定值，不同的是：本发明一种光伏并网三电平逆变器的输入电压仅为二极管箝位式三电平逆变器输入电压的一半，从而提高了光伏逆变系统的效率。
(2)CN101783611A目的之一是减小漏电流；而本发明一种光伏并网三电平逆变器的结构本身能够保证不产生漏电流。
(3)综合上述特点，本发明一种光伏并网三电平逆变器不产生共模电流，同时该逆变器具有输出纹波小，差模电压小和很高的效率，特别适合于无变压器型单相光伏并网系统。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一种光伏并网三电平逆变器结构示意图。
图2是本发明一种光伏并网三电平逆变器的相关波形示意图。
图3a是本发明一种光伏并网三电平逆变器开关管2和开关管6保持导通状态，开关管1和开关管4导通，开关管3和开关管5关断时电路的示意图。
图3b是本发明一种光伏并网三电平逆变器开关管2和开关管6保持导通状态，开关管1和开关管4关断，开关管3和开关管5导通时电路的示意图。
图3c是本发明一种光伏并网三电平逆变器开关管3和开关管5保持导通状态，开关管1和开关管4导通，开关管2和开关管6关断时电路的示意图。
图3d是本发明一种光伏并网三电平逆变器开关管3和开关管5保持导通状态，开关管1和开关管4关断，开关管3和开关管5导通时电路的示意图。
图中，1.开关管，2.开关管，3.开关管，4.开关管，5.开关管，6.开关管，7.二极管，8.二极管，9.电容器，10.电容器，11.电感，12.电感，13.光伏阵列模块，14.电网，15.地线，16～26.均为节点。
具体实施方式
图1所示实施例表明本发明一种光伏并网三电平逆变器的电路的连接关系是：电容器9和电容器10串联后电容器9的正极联接于光伏阵列模块13的输出端的正极节点21，电容器9和电容器10串联后电容器10的负极联接于光伏阵列模块13的输出端的负极节点22，开关管1、开关管2、开关管3和开关管4串联后的正极联接于光伏阵列模块13的输出端的正极节点23，开关管1、开关管2、开关管3和开关管4串联后的负极联接于光伏阵列模块13的输出端的负极节点24，电容器9和电容器10串联的中间节点18连接二极管7的正极，二极管7的负极与开关管1的发射极连接于节点19，电容器9和电容器10的中间节点18还连接二极管8的负极，二极管8的正极与开关管4的集电极连接于节点20，开关管1的发射极与开关管2的集电极的连接点为节点19，开关管2的发射极与开关管3的集电极的连接点为节点16，开关管3的发射极与开关管4的集电极的连接点为节点20，节点16位于开关管2和开关管3的中间节点，电感11一端连接到节点16，电感11另一端与电网14的一端连接于节点25，电网14的另一端通过节点26后分为两条支路，其中一条与地线15相连接于节点26，另一条支路通过电感12在中间节点17处连接于开关管5的发射极和开关管6的集电极，开关管5的集电极连接到节点19，开关管6的发射极连接到节点20。
图2所示实施例表明用本发明一种光伏并网三电平逆变器的开关管的开关序列以及与电网电压和电流的关系是：在电网电压的正半周期，开关管2和开关管6保持导通状态，开关管1和开关管4与开关管3和开关管5以开关频率交替开关，对输入电压进行调制。在电网电压负半周期，开关管3和开关管5保持导通状态，开关管1和开关管4与开关管2和开关管6以开关频率交替开关，对输入电压进行调制。通过开关调制输出正弦电流，输出电流频率与电网14频率一致，输出电压与电网14电压一致。
图3a所示实施例表明在电网电压正半周期，当开关管1和开关管4导通时，电感11和电感12电流线性增加，电感电流流经开关管1、开关管2、开关管6和开关管4。
图3b所示实施例表明在电网电压正半周期，当开关管1和开关管4关断，开关管3和开关管5导通时，电感11和电感12电流分为两路，一路流经开关管6和开关管3的续流二极管，另一路流经开关管2和开关管5的续流二极管。这一阶段电感11和电感12电流减小。
图3c所示实施例表明在电网电压负半周期，当开关管1和开关管4导通时，电感11和电感12电流线性增加，电感电流流经开关管1、开关管5、开关管3和开关管4。
图3d所示实施例表明在电网电压的负半周期，当开关管1和开关管4关断，开关管2和开关管6导通时，电感11和电感12电流分为两路，一路流经开关管5和开关管2的续流二极管，另一路流经开关管3和开关管6的续流二极管，这一阶段电感11和电感12电流减小。
实施例
由光伏阵列模块、六个同样的开关管、两个同样的二极管、两个相同的电容器、两个相同的电感和电网组成本实施例的一种光伏并网三电平逆变器。
本实施例的一种光伏并网三电平逆变器所用的元器件包括：1.开关管、2.开关管、3.开关管、4.开关管、5.开关管、6.开关管、7.二极管、8.二极管、9.电容器、10.电容器、11.电感、12.电感、13.光伏阵列模块、14.电网和15.地线。所有开关管均为绝缘栅双极型晶体管IRG4PSC71UD，所有二极管均为快恢复二极管HFA25TB60，所用电容器的电容值为300uF，所用电感的电感值为1.5mH，所用光伏阵列模块的型号为165(36)P/G1573*824的太阳电池板串并联组成，其输出电压可介于350伏到550伏之间，电网电压220V，电网频率50Hz，额定功率5kW，开关频率20kHz。
上述元器件用导线按图1所示方式连接构成本发明的光伏并网三电平逆变器：
电容器9和电容器10串联后电容器9的正极联接于光伏阵列模块13的输出端的正极节点21，电容器9和电容器10串联后电容器10的负极联接于光伏阵列模块13的输出端的负极节点22，开关管1、开关管2、开关管3和开关管4串联后的开关管1的集电极联接于光伏阵列模块13的输出端的正极节点23，开关管1、开关管2、开关管3和开关管4串联后的开关管4的发射极联接于光伏阵列模块13的输出端的负极节点24，电容器9和电容器10串联的中间节点18连接二极管7的正极，二极管7的负极与开关管1的发射极连接于节点19，二极管7的作用是使得电流从节点18单向流通到节点19，电容器9和电容器10的中间节点18还连接二极管8的负极，二极管8的正极与开关管4的集电极连接于节点20，二极管8的作用是使得电流从节点20单向流通到节点18，即只有在节点20的电压高于节点18的电压时二极管8导通，二极管8所在的支路上才有电流流过。开关管1的发射极与开关管2的集电极的连接点为节点19，开关管2的发射极与开关管3的集电极的连接点为节点16，开关管3的发射极与开关管4的集电极的连接点为节点20，节点16位于开关管2和开关管3的中间节点，电感11一端连接到节点16，电感11另一端与电网14的一端连接于节点25，电网14的另一端通过节点26后分为两条支路，其中一条与地15相连接于节点26，另一条支路通过电感12在中间节点17处连接于开关管5的发射极和开关管6的集电极，开关管5的集电极连接到节点19，开关管6的发射极连接到节点20。
上述实施例中，所涉及到的光伏阵列模块、开关管、二极管、电容器、电感和电网都是公知的，所有元器件都可以通过商购等公知途径获得；其中所有元器件的连接也都是普通的线路连接方法。

Claims (2)

1.一种光伏并网三电平逆变器，其特征在于：由光伏阵列模块、六个同样的开关管、两个同样的二极管、两个相同的电容器、两个相同的电感和电网组成；第一电容器(9)的负极连接第二电容器(10)的正极，第一电容器(9)的正极连接于光伏阵列模块的输出端的正极节点，第二电容器(10)的负极连接于光伏阵列模块的输出端的负极节点，第一开关管(1)、第二开关管(2)、第三开关管(3)和第四开关管(4)依次串联后的第一开关管(1)的集电极连接于光伏阵列模块的输出端的正极节点，第一开关管(1)、第二开关管(2)、第三开关管(3)和第四开关管(4)依次串联后的第四开关管(4)的发射极连接于光伏阵列模块的输出端的负极节点，第一电容器(9)和第二电容器(10)串联的中间节点18连接第一二极管(7)的正极，第一二极管(7)的负极与第一开关管(1)的发射极连接于节点19，第一电容器(9)和第二电容器(10)的中间节点18还连接第二二极管(8)的负极，第二二极管(8)的正极与第四开关管(4)的集电极连接于节点20，第一开关管(1)的发射极与第二开关管(2)的集电极连接于节点19，第二开关管(2)的发射极与第三开关管(3)的集电极连接于节点16，第三开关管(3)的发射极与第四开关管(4)的集电极连接于节点20，第一电感(11)一端连接到节点16，第一电感(11)另一端与电网的一端连接，电网的另一端分为两条支路，其中一条支路与地相连接，另一条支路通过第二电感(12)与第五开关管(5)的发射极和第六开关管(6)的集电极相连，第五开关管(5)的集电极连接到节点19，第六开关管(6)的发射极连接到节点20。
2.根据权利要求1的一种光伏并网三电平逆变器，其特征在于：其中所有开关管均为绝缘栅双极型晶体管IRG4PSC71UD，所有二极管均为快恢复二极管HFA25TB60，所用电容器的电容值为300uF，所用电感的电感值为1.5mH，所用光伏阵列模块的型号为165(36)P/61573*824的太阳电池板串并联组成，其输出电压介于350伏到550伏之间，电网电压220V，电网频率50Hz，额定功率5kW，开关频率20kHz。
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