CN102158110A - 一种非隔离光伏并网逆变器的主电路及其控制实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种非隔离光伏并网逆变器的主电路及其控制实现方法，其中主电路包括由功率开关器件V1～V4及二极管D1～D4组成的H桥、由功率开关器件V5、二极管D5、D7组成的电网电压正半周的第一续流回路，由功率开关器件V6、二极管D6、D8组成的电网电压负半周的第二续流回路，及由Lf和Cf组成的滤波回路；其控制实现方法为在电网电压的正半周或负半周，分别只有两个功率开关器件V1、V4或V2、V3存在导通损耗，并分别通过功率开关器件V5、二极管D7或功率开关器件V6、二极管D8实现电网的续流。实施本发明的非隔离光伏并网逆变电路具有共模电压/电流小、逆变效率高、体积小、重量轻、电磁噪声小等优点。

Description

一种非隔离光伏并网逆变器的主电路及其控制实现方法
技术领域
本发明涉及一种并网逆变电路，尤其涉及一种非隔离光伏并网逆变电路及其控制方法，可用于光伏并网发电、通信电源等装置。
背景技术
非隔离并网逆变器具有体积小、重量轻、成本低、效率高等优势，受到业界的普遍关注。但由于光伏电池板对地存在分布电容，使得光伏并网逆变器主电路功率开关器件在开关动作时产生的高频共模电压作用在该分布电容上，导致光伏电池板对地间有较大的漏电流产生，该漏电流甚至超出相关标准规定范围。高频漏电流的产生会带来传导和辐射干扰，增大并网谐波电流及损耗，还可能危及设备和人身安全。
为了克服以上缺陷，专利文献(US 7411802B2)公开了在单相H桥的直流母线正侧插入一个高频开关，如图1所示。该结构能有效抑制上述的共模漏电流，但从直流母线两端看，主电路有三个功率开关器件的导通损耗，其导通损耗相对较大。如在电网电压的正半周波，功率开关器件V5、V1、V4均有导通损耗；而在电网电压的负半周波，功率开关器件V5、V3、V2均有导通损耗。而中国公开号为CN 101814856 A的申请专利(申请号：200910234342.9)提出如图2和图3所示的拓扑结构。该结构也能有效抑制上述的共模漏电流，但仍遗留着专利文献(US 7411802B2)中主电路功率开关器件过多的导通损耗问题，且功率开关器件比前者还多了一个，控制方法也相对复杂。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种非隔离光伏并网逆变器的主电路及其控制实现方法，实现抑制上述共模漏电流，减少功率开关器件的导通损耗，且并简化控制实现方法。
本发明目的之一种非隔离光伏并网逆变器的主电路，其技术方案为：
该主电路包括非隔离DC/DC变换器、电容C、由功率开关器件V1～V4及二极管D1～D4一对一成组构成的H桥及由Lf和Cf组成的滤波回路，其中所述主电路的输入端为PV光伏电池板，且电池板的正、负极分别与非隔离DC/DC变换器的两个输入端连接；所述非隔离DC/DC变换器的一个输出端与电容C的正极、功率开关器件V1的集电极、二极管D1的阴极、功率开关器件V3的集电极、二极管D3的阴极相接，另一个输出端与电容C的负极、功率开关器件V2的发射极、二极管D2的阳极、功率开关器件V4的发射极、二极管D4的阳极相接；功率开关器件V1的发射极与二极管D1的阳极、功率开关器件V2的集电极、二极管D2的阴极及一个滤波电感Lf的一端连接于节点A，功率开关器件V3的发射极与二极管D3的阳极、功率开关器件V4的集电极、二极管D4的阴极及另一个滤波电感Lf的一端连接于节点B，两个滤波电感Lf的另一端分别连至滤波电容Cf的一端和电网电压的L端以及滤波电容Cf的另一端和电网电压的N端，
其特征在于：所述主电路具有由功率开关器件V5、二极管D5和二极管D7组成的电网电压正半周的第一续流回路，以及由功率开关器件V6、二极管D6和二极管D8组成的电网电压负半周的第二续流回路，两个续流回路并联至节点A和节点B之间。其中：功率开关器件V5的发射极、二极管D5的阳极、二极管D8的阳极连接至节点A，功率开关器件V5的集电极与二极管D5的阴极、二极管D7的阴极连接；同时二极管D7的阳极、功率开关器件V6的发射极、二极管D6的阳极连接至节点B，功率开关器件V6的集电极与二极管D6的阴极、二极管D8的阴极连接。
进一步地，前述功率开关器件V1～V6可选包括绝缘栅双极晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、晶闸管SCR、可关断晶闸管GTO和集成门极换向晶闸管IGCT中的一种或几种混用；所述二极管D1～D4为绝缘栅双极晶体管IGBT的体内二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的体内二极管或外接二极管。
本发明目的之该主电路的控制实现方法，其技术解决方案为：
基于前述的主电路结构，含有由功率开关器件V1～V4及二极管D1～D4一对一成组构成的H桥：
在电网电压的正半周，H桥的功率开关器件V1和功率开关器件V4按照PWM规律被触发导通后关断，功率开关器件V2、功率开关器件V3和功率开关器件V6始终关断，且功率开关器件V5始终导通，随着H桥的关断，在功率开关器件V5与电网电压间形成续流；
在电网电压的负半周，H桥的功率开关器件V2和功率开关器件V3按照PWM规律被触发导通后关断，功率开关器件V1、功率开关器件V4和功率开关器件V5始终关断，且功率开关器件V6始终导通，随着H桥的关断，在功率开关器件V6与电网电压间形成续流。
本发明主电路及其控制实现方法的应用，较之于现有技术其突出效果为：光伏电池板的直流输出电能经非隔离光伏并网逆变器逆变并输出到电网时，可有效抑制因光伏电池板存在对地分布电容而引起的光伏电池板对地间的共模漏电流及电磁噪声，并减少逆变桥功率开关器件的导通损耗，提高了并网逆变器的逆变效率。
附图说明
图1是现有专利(US 7411802B2)公开的主电路结构；
图2是现有专利(CN 101814856 A)公开的主电路结构之一；
图3是现有专利(CN 101814856 A)公开的主电路结构之二；
图4是本发明逆变器的主电路结构；
图5为本发明逆变器功率开关器件驱动信号的控制方法示意图；
图6是本发明逆变器在电网电压正半周时的输出电流路径；
图7是本发明逆变器在电网电压正半周时的续流电流路径；
图8是本发明逆变器在电网电压负半周时的输出电流路径；
图9是本发明逆变器在电网电压负半周时的续流电流路径；
图10是未连接本发明续流回路时逆变器的主电路结构及其共模电流等效示意图；
图11是图10所示共模电流的波形示意图；
图12是本发明逆变器的主电路结构及其共模电流等效示意图；
图13是图12所示共模电流的波形示意图。
具体实施方式
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
主电路结构
如图1至图3所示，展示了现有技术中用于光伏并网的逆变电路结构，其所存在的缺陷在背景技术中已做出大致描述，在此不再重复。对于本领域技术人员而言，从该些附图再结合文字描述，上述缺陷不会造成理解上的困难及错误。
如图4所示，是本发明一种非隔离光伏并网逆变器的主电路拓扑结构示意图。从图示可见，该并网逆变器主电路包括非隔离DC/DC变换器、电容C、由功率开关器件V1～V4及二极管D1～D4一对一成组构成的H桥、由功率开关器件V5、二极管D5和二极管D7组成的电网电压正半周的第一续流回路、由功率开关器件V6、二极管D6和二极管D8组成的电网电压负半周的第二续流回路以及由Lf和Cf组成的滤波回路。其中：主电路的输入端是PV光伏电池板，该光伏电池板的正极与非隔离DC/DC变换器的一个输入端连接，其负极与非隔离DC/DC变换器的另一个输入端连接；非隔离DC/DC变换器的一个输出端与电容C的正极、功率开关器件V1的集电极、二极管D1的阴极、功率开关器件V3的集电极、二极管D3的阴极连接，而另一个输出端与电容C的负极、功率开关器件V2的发射极、二极管D2的阳极、功率开关器件V4的发射极、二极管D4的阳极连接；功率开关器件V1的发射极与二极管D1的阳极、功率开关器件V2的集电极、二极管D2的阴极、功率开关器件V5的发射极、二极管D5的阳极、二极管D8的阳极、一个滤波电感Lf的一端相接于节点A；功率开关器件V3的发射极与二极管D3的阳极、功率开关器件V4的集电极、二极管D4的阴极、二极管D7的阳极、功率开关器件V6的发射极、二极管D6的阳极、另一个滤波电感Lf的一端相接于节点B；滤波电感Lf的另一端与滤波电容Cf的一端、电网电压e的L端连接；另一个滤波电感Lf的另一端与滤波电容Cf的另一端、电网电压e的N端连接。从第一续流回路和第二续流回路来看：其中功率开关器件V5的集电极与二极管D5的阴极、二极管D7的阴极连接；功率开关器件V6的集电极与二极管D6的阴极、二极管D8的阴极连接。
控制实现方法
基于前述的主电路结构，如图5所示，其控制实现方法是：
在电网电压的正半周，即0°～180°期间，H桥的功率开关器件V1和功率开关器件V4按照PWM规律被触发导通后关断，功率开关器件V2、功率开关器件V3和功率开关器件V6始终关断，且功率开关器件V5始终导通，随着H桥的关断，在功率开关器件V5与电网电压间形成续流；
在电网电压的负半周，即180°～360°期间，H桥的功率开关器件V2和功率开关器件V3按照PWM规律被触发导通后关断，功率开关器件V1、功率开关器件V4和功率开关器件V5始终关断，且功率开关器件V6始终导通，随着H桥的关断，在功率开关器件V6与电网电压间形成续流。
结合电路具体来看：在电网电压e的正半周期间，当功率开关器件V1、V4按照PWM规律被触发导通且功率开关器件V5一直导通时，其输出电流路径如图6所示；当功率开关器件V1、V4按照PWM规律被关断且V5一直导通时，其输出电流(即续流)路径如图7所示；在电网电压e的负半周期间，当功率开关器件V2、V3按照PWM规律被触发导通且V6一直导通时，其输出电流路径如图8所示；当功率开关器件V2、V3按照PWM规律被关断且V6一直导通时，其输出电流(即续流)路径如图9所示。
分析与比较
现有技术中如图10所示，为未连接本发明续流回路时逆变器的主电路结构及其共模电流等效示意图，图中CPV+、CPV-分别表示光伏电池板“+极”和“-极”对地的分布电容，实验时取CPV+＝CPV-＝220pF；如图11所示，为没有本发明续流回路时H桥逆变器的共模电流icom的波形示意图，图中电流的定标为10A，可以看出，共模电流的尖峰达到了13A，远高于VDE0126-1-1标准中规定的300mA极限值。
如图12所示，为采用本发明续流回路的主电路结构及其共模电流等效示意图，同理，图中CPV+、CPV-分别表示光伏电池板“+极”和“-极”对地的分布电容，实验时取CPV+＝CPV-＝220pF；如图13所示，为使用本发明续流回路后H桥逆变器的共模电流icom波形示意图，图中电流的定标为2A，初看起来，共模电流的尖峰接近1.5A，但由于本实验的电流传感器量程较大(500A)，为防止精度不够，测试时特地在电流传感器上绕了10圈电流线，因此必须将1.5A除以10，得150mA，即实际共模电流icom的尖峰约为150mA。该数值远低于VDE0126-1-1标准中规定的300mA极限值。除了该尖峰电流外，其余部分也明显更减小。因此说，使用本发明技术能有效抑制因PV的分布电容引起的共模电流及由此引起的电磁噪声。

Claims (3)

1.一种非隔离光伏并网逆变器的主电路，包括非隔离DC/DC变换器、电容C、由功率开关器件V1～V4及二极管D1～D4一对一成组构成的H桥及由Lf和Cf组成的滤波回路，其中：所述主电路的输入端为PV光伏电池板，且电池板的正、负极分别与非隔离DC/DC变换器的两个输入端连接；所述非隔离DC/DC变换器的一个输出端与电容C的正极、功率开关器件V1的集电极、二极管D1的阴极、功率开关器件V3的集电极、二极管D3的阴极相接，另一个输出端与电容C的负极、功率开关器件V2的发射极、二极管D2的阳极、功率开关器件V4的发射极、二极管D4的阳极相接；功率开关器件V1的发射极与二极管D1的阳极、功率开关器件V2的集电极、二极管D2的阴极及一个滤波电感Lf的一端连接于节点A，功率开关器件V3的发射极与二极管D3的阳极、功率开关器件V4的集电极、二极管D4的阴极及另一个滤波电感Lf的一端连接于节点B，两个滤波电感Lf的另一端分别连至滤波电容Cf的一端和电网电压的L端以及滤波电容Cf的另一端和电网电压的N端，
其特征在于：所述主电路具有由功率开关器件V5、二极管D5和二极管D7组成的电网电压正半周的第一续流回路，以及由功率开关器件V6、二极管D6和二极管D8组成的电网电压负半周的第二续流回路，两个续流回路并联至节点A和节点B之间，其中：功率开关器件V5的发射极、二极管D5的阳极、二极管D8的阳极连接至节点A，功率开关器件V5的集电极与二极管D5的阴极、二极管D7的阴极连接；同时二极管D7的阳极、功率开关器件V6的发射极、二极管D6的阳极连接至节点B，功率开关器件V6的集电极与二极管D6的阴极、二极管D8的阴极连接。
2.根据权利要求1所述的一种非隔离光伏并网逆变器的主电路，其特征在于：所述功率开关器件V1～V6可选包括绝缘栅双极晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、晶闸管SCR、可关断晶闸管GTO和集成门极换向晶闸管IGCT中的一种或几种混用；所述二极管D1～D4为绝缘栅双极晶体管IGBT的体内二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的体内二极管或外接二极管。
3.基于权利要求1所述的一种非隔离光伏并网逆变器的主电路的控制实现方法，其特征在于：所述主电路含有由功率开关器件V1～V4及二极管D1～D4一对一成组构成的H桥：
在电网电压的正半周，H桥的功率开关器件V1和功率开关器件V4按照PWM规律被触发导通后关断，功率开关器件V2、功率开关器件V3和功率开关器件V6始终关断，且功率开关器件V5始终导通，随着H桥的关断，在功率开关器件V5与电网电压间形成续流；
在电网电压的负半周，H桥的功率开关器件V2和功率开关器件V3按照PWM规律被触发导通后关断，功率开关器件V1、功率开关器件V4和功率开关器件V5始终关断，且功率开关器件V6始终导通，随着H桥的关断，在功率开关器件V6与电网电压间形成续流。
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