CN102611347A - 一种单相非隔离太阳能并网逆变器 - Google Patents

一种单相非隔离太阳能并网逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单相非隔离太阳能并网逆变器，涉及电子电路设计技术领域，该逆变器包括：太阳能电池板、太阳能储能电路、带有两组续流元件的直流/交流逆变电路和交流滤波电路；所述太阳能电池板，用于收集太阳光能，并将其收集到的光能转化为电能，存储到所述太阳能储能电路中；所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路，用于将所述太阳能储能电路中存储的直流电转化为交流电，并通过所述两组续流元件将直流输入电压与高频共模电压隔离；所述交流滤波电路，用于过滤所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路所产生的高频脉冲波。采用本发明不但可以降低逆变过程中的损耗，提高DC/AC转换效率，还可以避免高频共模电压，提高电磁兼容性。

Description

一种单相非隔离太阳能并网逆变器
技术领域
本发明涉及电子电路设计技术领域，尤其涉及一种单相非隔离太阳能并网逆变器。
背景技术
目前，抑制共模电流的实用电路拓扑通常可以包括：全桥逆变器和H5拓扑。
所述全桥逆变器包括：太阳能电池板、DC/AC逆变电路和AC滤波电路；所述DC/AC逆变电路包括由4个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)组成的全桥拓扑。当采用单极性调制的方式对所述全桥逆变器进行调制时，所述全桥逆变器的共模电压幅值将在0-VPV/2之间变化，且频率为开关频率的高频脉冲电压。此共模电压激励共模谐振回路产生共模电流，其数值达到数安培并随着开关频率的增大而线性增加。
所述H5拓扑是由专利号为200510079923.1的专利所公开的。当所述H5拓扑处于工作状态时，将同时有三个开关管处于工作状态。
在实现上述全桥逆变器和所述H5拓扑的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
在所述全桥逆变器实现过程中，发明人发现现有电路中EMC处理中存在难度，需要使用较大的电感来抑制共模电流，从而使得整个电路的损耗较大。
在所述H5拓扑实现过程中，发明人发现当所述H5拓扑处于工作状态时，将同时有三个开关管处于工作状态，从而使得整个电路的DC/AC转换效率较低，且损耗也大。
发明内容
本发明的实施例提供一种单相非隔离太阳能并网逆变器。为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种单相非隔离太阳能并网逆变器，包括：
太阳能电池板、太阳能储能电路、带有两组续流元件的直流/交流逆变电路和交流滤波电路；
所述太阳能电池板，用于收集太阳光能，并将其收集到的光能转化为电能，存储到所述太阳能储能电路中；
所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路，用于将所述太阳能储能电路中存储的直流电转化为交流电，并通过所述两组续流元件将直流输入电压与高频共模电压隔离；
所述交流滤波电路，用于过滤所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路所产生的高频脉冲波。
进一步地，所述带有续流元件的直流/交流逆变电路包括：第一开关管V1，第二开关管V2，第三开关管V3，第四开关管V4，第五开关管V5，第六开关管V6，第一二极管D1，第二二极管D2；
所述第一开关管V1漏极与所述太阳能储能电路一端相连，所述第一开关管V1源极与所述第二开关管V2漏极相连；
所述第二开关管V2源极与所述太阳能储能电路的另一端相连；
所述第三开关管V3漏极与所述太阳能储能电路的一端相连，所述第三开关管V3源极与所述第四开关管V4漏极相连；
所述第四开关管V4源极与所述太阳能储能电路的另一端相连；
所述第五开关管V5漏极与所述第一二极管D1的负极端相连，所述第五开关管V5源极与所述第四开关管V4的漏极相连；
所述第一二极管D1的正极端与所述第二开关管漏极相连；
所述第六开关管V6漏极与所述第二二极管D2的负极端相连，所述第六开关管V6源极与所述第二开关管V2的漏极相连；
所述第二二极管D2的正极端与所述第四开关管V4漏极相连。
进一步地，所述第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3和第四开关管V4全桥高频工作从所述太阳能储能电路提取能量；所述第五开关管V5和第六开关管V6的工作状态为工频续流工作。
进一步地，所述第一开关管V1栅极和第四开关管V4的栅极采用相同脉宽的正弦波脉冲宽度调制；所述第二开关管V2的栅极和第三开关管V3的栅极采用相同脉宽的正弦波脉冲宽度调制；所述第五开关管V5栅极和第六开关管V6栅极采用工频控制。
进一步地，所述太阳能储能电路包括：第一电容C1；所述第一电容C1并联于所述太阳能电池板两端。
进一步地，该逆变器，还包括：高频滤波电感；所述高频滤波电感连接在所述交流滤波电路和所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路之间。
进一步地，所述高频滤波电感为耦合的电流扼流圈L；
所述耦合的电流扼流圈L的第一端子与所述第六开关管V6的源极相连；第二端子与所述第二二极管D2的正极端相连；第三端子与所述第二电容C2的一端相连；第四端子与所述第二电容C2的另一端子相连。
进一步地，所述耦合的电流扼流圈L的第一端侧和第三端侧的电感量参数与第二端侧和第四端侧的电感量参数一致。
进一步地，所述交流滤波电路包括：第二电容C2；所述第二电容C2两端分别于所述耦合的电流扼流圈L的第三端子和第四端子相连。
本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器，通过所述太阳能电池板收集太阳光能，并将其收集到的光能转化为电能，存储到所述太阳能储能电路中；所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路，用于将所述太阳能储能电路中存储的直流电转化为交流电，并通过所述两组续流元件将直流输入电压与高频共模电压隔离；所述交流滤波电路，用于过滤所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路所产生的高频脉冲波。由于所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路能够直接从所述太阳能储能电路中获取太阳光能转化来的电能，所以使得所述单相非隔离太阳能并网逆变器转化效率较高；还由于所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路不但可以将所述太阳能储能电路中存储的直流电转化为交流电，还可以通过所述两组续流元件将直流输入电压与高频共模电压隔离，从而使得所述单相非隔离太阳能并网逆变器可以避免高平共模电压，降低EMC的设计难度；还由于所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路在工作状态时，总是有两个开关管处理工作状态，从而使得所述单相非隔离太阳能并网逆变器的耗损较低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器的电路图；
图3为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器的开关管工作时序图；
图4为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器直流端共模电压示意图；
图5为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器的正半波能量流向示意图；
图6为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器的正半波耦合扼流圈续流示意图；
图7为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器的负半波能量流向示意图；
图8为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器的负半波耦合扼流圈续流示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器，进行详细描述。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器结构示意图；所述单相非隔离太阳能并网逆变器包括：太阳能电池板101、太阳能储能电路102、带有两组续流元件的直流/交流逆变电路103和交流滤波电路104。
所述太阳能电池板101，用于收集太阳光能，并将其收集到的光能转化为电能，存储到所述太阳能储能电路102中；
所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路103，用于将所述太阳能储能电路102中存储的直流电转化为交流电，并通过所述两组续流元件将直流输入电压与高频共模电压隔离；
所述交流滤波电路104，用于过滤所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路103所产生的高频脉冲波。
如图2所示，为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器的电路图；所述单相非隔离太阳能并网逆变器包括：太阳能电池板PV、太阳能储能电路、带有两组续流元件的直流/交流逆变电路、高频滤波电感和交流滤波电路。本实施例中所述高频滤波电感采用耦合的电流扼流圈L。
其中，所述太阳能储能电路具体包括：第一电容C1；所述第一电容C1并联于所述太阳能电池板PV两端。所述带有续流元件的直流/交流逆变电路包括：第一开关管V1，第二开关管V2，第三开关管V3，第四开关管V4，第五开关管V5，第六开关管V6，第一二极管D1，第二二极管D2；
所述第一开关管V1漏极与所述太阳能储能电路的第一电容C1一端相连，所述第一开关管V1源极与所述第二开关管V2漏极相连；
所述第二开关管V2源极与所述太阳能储能电路的第一电容C1的另一端相连；
所述第三开关管V3漏极与所述太阳能储能电路的第一电容C1一端相连，所述第三开关管V3源极与所述第四开关管V4漏极相连；
所述第四开关管V4源极与所述太阳能储能电路的第一电容C1另一端相连；
所述第五开关管V5漏极与所述第一二极管D1的负极端相连，所述第五开关管V5源极与所述第四开关管V4的漏极相连；
所述第一二极管D1的正极端与所述第二开关管漏极相连；
所述第六开关管V6漏极与所述第二二极管D2的负极端相连，所述第六开关管V6源极与所述第二开关管V2的漏极相连；
所述第二二极管D2的正极端与所述第四开关管V4漏极相连。
所述耦合的电流扼流圈L的第一端子1与所述第六开关管V6的源极相连；第二端子2与所述第二二极管D2的正极端相连；第三端子3与所述第二电容C2的一端相连；第四端子4与所述第二电容C2的另一端子相连。
所述交流滤波电路包括：第二电容C2；所述第二电容C2两端分别于所述耦合的电流扼流圈L的第三端子3和第四端子4相连。
需要说明的是，所述第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3和第四开关管V4全桥高频工作(＞1kHz)从所述太阳能储能电路提取能量；所述第五开关管V5和第六开关管V6的工作状态为工频续流工作(如40Hz-70Hz)。
还需要说明的是，所述第一开关管V1栅极和第四开关管V4的栅极采用相同脉宽的正弦波脉冲宽度调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，简称SPWM)；所述第二开关管V2的栅极和第三开关管V3的栅极采用相同脉宽的正弦波脉冲宽度调制；所述第五开关管V5栅极和第六开关管V6栅极采用工频控制。
还需要说明的是，所述耦合的电流扼流圈L的第一端侧和第三端侧的电感量参数与第二端侧和第四端侧的电感量参数一致。
以下针对本发明实施例中的单相非隔离太阳能并网逆变器的正半波与负半波的工作过程进行详细的阐述。设所述单相非隔离太阳能并网逆变器的开关管工作时序如图3所示，直流端共模电压如图4所示。
如图5所示，为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器的正半波能量流向示意图；
在所述单相非隔离太阳能并网逆变器工作过程中，设开关管V1和V4处于高频脉冲打开工作状态时，由图3可知，开关管V2和V3处于关闭工作状态；开关管V5处于工频的低电平关断状态；开关管V6处于工频的高电平导通状态。
当所述开关管V1、V4处于高频脉冲波的高电平状态时，所述太阳能电池板存储在所述第一电容C1的电能，通过所述第一开关管V1，经过耦合扼流圈电感L的第一端子1和第三端子3流入电网；然后，再由电网，通过所述耦合扼流圈电感L的第四端子4和第二端子2，经过第四开关管V4，流入所述第一电容C1的另一端。
如图6所示，为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器的正半波耦合扼流圈续流示意图；
在所述单相非隔离太阳能并网逆变器工作过程中，设开关管V1和V4处于高频脉冲打开工作状态时，由图3可知，开关管V2和V3处于关闭工作状态；开关管V5处于工频的低电平状态；开关管V6处于工频的高电平状态。
当所述开关管V1、V4处于高频脉冲波的低电平状态时，所述单相非隔离太阳能并网逆变器的带有两组续流元件的直流/交流逆变电路的续流端侧的电流从耦合扼流圈电感L的第一端子1和第三端子3侧，流入电网；然后，再由电网通过耦合扼流圈电感L的第四端子4和第二端子2，经过二极管D4，开关管V6返回耦合扼流圈电感L，从而实现扼流圈能量释放到电网。
如图7所示，为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器的负半波能量流向示意图；
在所述单相非隔离太阳能并网逆变器工作过程中，设开关管V1和V4处于高频脉冲关闭工作状态时，由图3可知，开关管V2和V3处于打开工作状态；开关管V5处于工频的高电平状态；开关管V6处于工频的低电平状态。
当所述开关管V2、V3处于高频脉冲波的高电平状态时，所述太阳能电池板存储在所述第一电容C1的电能，通过所述第一开关管V3，经过耦合扼流圈电感L的第二端子2和第四端子4流入电网；然后，再由电网，通过所述耦合扼流圈电感L的第三端子3和第一端子1，经过第二开关管V2，流入所述第一电容C1的另一端。
如图8所示，为本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器的负半波耦合扼流圈续流示意图；
在所述单相非隔离太阳能并网逆变器工作过程中，设开关管V1和V4处于高频脉冲关闭工作状态时，由图3可知，开关管V2和V3处于打开工作状态；开关管V5处于工频的高电平状态；开关管V6处于工频的低电平状态。
当所述开关管V2、V3处于高频脉冲波的低电平状态时，所述单相非隔离太阳能并网逆变器的带有两组续流元件的直流/交流逆变电路的续流端侧的电流从耦合扼流圈电感L的第二端子2和第四端子4侧，流入电网；然后，再由电网通过耦合扼流圈电感L的第三端子3和第一端子1，经过二极管D1，开关管V5返回耦合扼流圈电感L，从而实现扼流圈能量释放到电网。
综上所述，通过V1-V4是高频工作，从而续流时将输出高频与直流输入断开，因此直流输入端不会出现高频共模电压出现。直流端共模电压如图3所示只有工频和直流共模电压。
另外本发明采用了耦合的电流扼流圈电感L，体积小，损耗小，并可以有效抑制高频共模电流，很好解决EMI问题。
通过本发明通过简单的方式有效解决了非隔离并网逆变器中的高频共模电压问题，同时又具有很高的工作效率。
本发明实施例提供的一种单相非隔离太阳能并网逆变器，通过所述太阳能电池板收集太阳光能，并将其收集到的光能转化为电能，存储到所述太阳能储能电路中；所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路，用于将所述太阳能储能电路中存储的直流电转化为交流电，并通过所述两组续流元件将直流输入电压与高频共模电压隔离；所述交流滤波电路，用于过滤所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路所产生的高频脉冲波。由于所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路能够直接从所述太阳能储能电路中获取太阳光能转化来的电能，所以使得所述单相非隔离太阳能并网逆变器转化效率较高；还由于所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路不但可以将所述太阳能储能电路中存储的直流电转化为交流电，还可以通过所述两组续流元件将直流输入电压与高频共模电压隔离，从而使得所述单相非隔离太阳能并网逆变器可以避免高频共模电压，降低EMC的设计难度；还由于所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路在工作状态时，总是有两个开关管处于工作状态，从而使得所述单相非隔离太阳能并网逆变器的耗损较低。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：(方法的步骤)，所述的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种单相非隔离太阳能并网逆变器，其特征在于，包括：太阳能电池板、太阳能储能电路、带有两组续流元件的直流/交流逆变电路和交流滤波电路；
所述太阳能电池板，用于收集太阳光能，并将其收集到的光能转化为电能，存储到所述太阳能储能电路中；
所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路，用于将所述太阳能储能电路中存储的直流电转化为交流电，并通过所述两组续流元件将直流输入电压与高频共模电压隔离；
所述交流滤波电路，用于过滤所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路所产生的高频脉冲波。
2.根据权利要求1所述的单相非隔离太阳能并网逆变器，其特征在于，所述带有续流元件的直流/交流逆变电路包括：第一开关管V1，第二开关管V2，第三开关管V3，第四开关管V4，第五开关管V5，第六开关管V6，第一二极管D1，第二二极管D2；
所述第一开关管V1漏极与所述太阳能储能电路一端相连，所述第一开关管V1源极与所述第二开关管V2漏极相连；
所述第二开关管V2源极与所述太阳能储能电路的另一端相连；
所述第三开关管V3漏极与所述太阳能储能电路的一端相连，所述第三开关管V3源极与所述第四开关管V4漏极相连；
所述第四开关管V4源极与所述太阳能储能电路的另一端相连；
所述第五开关管V5漏极与所述第一二极管D1的负极端相连，所述第五开关管V5源极与所述第四开关管V4的漏极相连；
所述第一二极管D1的正极端与所述第二开关管漏极相连；
所述第六开关管V6漏极与所述第二二极管D2的负极端相连，所述第六开关管V6源极与所述第二开关管V2的漏极相连；
所述第二二极管D2的正极端与所述第四开关管V4漏极相连。
3.根据权利要求2所述的单相非隔离太阳能并网逆变器，其特征在于，所述第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3和第四开关管V4全桥高频工作从所述太阳能储能电路提取能量；所述第五开关管V5和第六开关管V6的工作状态为工频续流工作。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的单相非隔离太阳能并网逆变器，其特征在于，所述第一开关管V1栅极和第四开关管V4的栅极采用相同脉宽的正弦波脉冲宽度调制；所述第二开关管V2的栅极和第三开关管V3的栅极采用相同脉宽的正弦波脉冲宽度调制；所述第五开关管V5栅极和第六开关管V6栅极采用工频控制。
5.根据权利要求4所述的单相非隔离太阳能并网逆变器，其特征在于，所述太阳能储能电路包括：第一电容C1；所述第一电容C1并联于所述太阳能电池板两端。
6.根据权利要求5所述的单相非隔离太阳能并网逆变器，其特征在于，该逆变器，还包括：高频滤波电感；所述高频滤波电感连接在所述交流滤波电路和所述带有两组续流元件的直流/交流逆变电路之间。
7.根据权利要求6所述的单相非隔离太阳能并网逆变器，其特征在于，所述高频滤波电感为耦合的电流扼流圈L；
所述耦合的电流扼流圈L的第一端子与所述第六开关管V6的源极相连；第二端子与所述第二二极管D2的正极端相连；第三端子与所述第二电容C2的一端相连；第四端子与所述第二电容C2的另一端子相连。
8.根据权利要求7所述的单相非隔离太阳能并网逆变器，其特征在于，所述耦合的电流扼流圈L的第一端侧和第三端侧的电感量参数与第二端侧和第四端侧的电感量参数一致。
9.根据权利要求8所述的单相非隔离太阳能并网逆变器，其特征在于，所述交流滤波电路包括：第二电容C2；所述第二电容C2两端分别于所述耦合的电流扼流圈L的第三端子和第四端子相连。
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