CN102983765A

CN102983765A - 一种高效无变压器单相光伏并网逆变器

Info

Publication number: CN102983765A
Application number: CN2011102641482A
Authority: CN
Inventors: 杨勇; 赵方平; 王仁峰; 魏冬冬
Original assignee: AFORE NEW ENERGY TECHNOLOGY (SHANGHAI) CO LTD
Current assignee: AFORE NEW ENERGY TECHNOLOGY (SHANGHAI) CO LTD
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-03-20

Abstract

一种高效无变压器单相光伏并网逆变器，它涉及一种逆变器。它包含太阳能光伏阵列(1)、升压电路(2)、DC-AC逆变器(3)、继电器(4)、电网(5)和以漏电流回路(6)，太阳能光伏阵列(1)、升压电路(2)、DC-AC逆变器(3)、继电器(4)和电网(5)依次相连，继电器(4)与电网(5)相连，且升压电路(2)与以漏电流回路(6)相连，以漏电流回路(6)与电网(5)相连。它能有效抑制共模电流，拓扑结构最高效率可达到96％。

Description

一种高效无变压器单相光伏并网逆变器

技术领域：

本发明涉及一种逆变器，尤其涉及一种高效无变压器单相光伏并网逆变器。

背景技术：

随着能源的日益枯竭，太阳能已经成为一种十分具有潜力的绿色能源，而光伏发电是当前利用太阳能的主要方式。对于并网型的光伏并网逆变器，存在有隔离变压器和无隔离变压器两种拓扑结构。对于隔离变压器的并网逆变器，通常在电网侧加入工频变压器实现光伏阵列直流侧与电网侧电气隔离；也可以在直流侧加入高频隔离变压器实现电网侧与直流侧电气隔离。由于电网侧频率低，使得电网侧隔离变压器体积庞大、笨重而且价格昂贵。虽然前两种拓扑结构实现电气隔离，但由于隔离变压器的加入，使得系统的整体效率下降1％-2％。无变压器式并网逆变器结构不含变压器(低频和高频)，具有效率高，体积、重量和成本低的绝对优势。因此，越来越多的商用光伏并网逆变器采用这路拓扑结构。但是，无隔离变压器并网逆变器使光伏(PV)和电网之间有了电气连接，共模电流大大增加，带来安全隐患。采用无变压器的并网逆变器必须解决的一个问题是如何消除共模电压在寄生电容(PV和大地之间)形成回路所产生的漏电流。德国SMASunnyBoy公司采用H5拓扑结构(中国发明专利号：200510079923.1)，在该拓扑结构中，V1和V2在电网电流的正负半周各自导通，V4、V5在电网正半周以开关频率调制，而V2、V5在电网负半周期以开关频率调制。这种无变压器拓扑结构，可以很好的解决漏电流问题；同时，其最高效率达到98.1％，欧洲效率达到97.7％。Sunways公司采用HERIC(欧洲专利号：EP 1369985A2)拓扑结构，该拓扑是对双极性调制的全桥拓扑的改进，即在全桥拓扑的交流侧增加一个由2个IGBT组成的双向续流支路，使得续流回路与直流侧断开，同样可以有效解决漏电流问题，其最高效率达到96.3％。文献(Transformerless Inverters for Single-phase PhotovoltaicSystems[J].IEEE Transactions on power electronics，2007，22(2)：693-697)提出一种新的拓扑结构FB-DCBP(full-bridgewith dc-bypass)，在电网电压正半周期，开关管S1、S4始终保持导通，开关管S5、S6与S2、S3交替导通；在电网电压负半周期，开关管S2、S3始终保持导通，开关管S5、S6与S1、S4交替导通。该拓扑结构很好的解决了漏电流问题，其最高效率可达到97.4％。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高效无变压器单相光伏并网逆变器，它能有效抑制共模电流，拓扑结构最高效率可达到96％。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：它包含太阳能光伏阵列1、升压电路2、DC-AC逆变器3、继电器4、电网5和以漏电流回路6，太阳能光伏阵列1、升压电路2、DC-AC逆变器3、继电器4和电网5依次相连，继电器4与电网5相连，且升压电路2与以漏电流回路6相连，以漏电流回路6与电网5相连。

本发明中的太阳光伏阵列1是单相光伏逆变器的输入，为整个系统包括控制电路提供电能。在白天光照的条件下，太阳能电池阵列将所接收的光能转换为电能，经过BOOST升压电路，经过直流变交流(DC-AC)逆变器将直流转换为交流，向电网输送功率，天黑时，整个系统自动停止工作，利用继电器使输出端与电网断开。

本发明中的升压电路2负责将太阳能光伏阵列的输入电压转换为所需求的直流电压，一般运行在升压状态，将低的光伏阵列输入电压升到一定高的直流电压，以便逆变。

本发明中的DC-AC逆变器3作为并网逆变器的关键环节，对电能变换起非常关键的作用。通过控制H桥和续流回路使光伏逆变器输出电流与电网电压同相位，同时实现光伏阵列最大功率输出和抑制漏电流，提高整个光伏系统的转换效率。

本发明能有效地抑制共模电流，它和Sunways公司采用HERIC专利相比，在交流侧少一个开关管，但增加一个二极管整流桥。从控制来看，可以少控制一个开关管，控制相对来说简单，整体效率略下降。此拓扑结构最高效率可达到96％。和采用H桥+双极性调制相比，效率可以提高。H桥+双极性调制的最高效率可94.8％左右。

附图说明：

图1为本发明的高效无变压器单相光伏并网逆变器的拓扑结构图；

图2为本发明无变压器单相光伏并网逆变器漏电流回路图；

图3为本发明电网电压正半周开关管S1和S4导通时的电流流向示意图；

图4为本发明电网电压正半周开关管S1和S4关断时的电流流向示意图；

图5为本发明电网电压负半周开关管S2和S3开通时的电流流向示意图；

图6为本发明电网电压负半周开关管S2和S3关闭时的电流流向示意图；

图7为本发明高效无变压器单相光伏并网逆变器控制策略图；

图8(a)为本发明单极性调制方式输出电流和漏电流示意图；

(b)为本发明的调制方式输出电流和漏电流示意图。

具体实施方式：

参照图1-8，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含太阳能光伏阵列1、升压电路2、DC-AC逆变器3、继电器4、电网5和以漏电流回路6，太阳能光伏阵列1、升压电路2、DC-AC逆变器3、继电器4和电网5依次相连，继电器4与电网5相连，且升压电路2与以漏电流回路6相连，以漏电流回路6与电网5相连。

本具体实施方式中的太阳光伏阵列1是单相光伏逆变器的输入，为整个系统包括控制电路提供电能。在白天光照的条件下，太阳能电池阵列将所接收的光能转换为电能，经过BOOST升压电路，经过直流变交流(DC-AC)逆变器将直流转换为交流，向电网输送功率，天黑时，整个系统自动停止工作，利用继电器使输出端与电网断开。

本具体实施方式中的升压电路2负责将太阳能光伏阵列的输入电压转换为所需求的直流电压，一般运行在升压状态，将低的光伏阵列输入电压升到一定高的直流电压，以便逆变。

本具体实施方式中的DC-AC逆变器3作为并网逆变器的关键环节，对电能变换起非常关键的作用。通过控制H桥和续流回路使光伏逆变器输出电流与电网电压同相位，同时实现光伏阵列最大功率输出和抑制漏电流，提高整个光伏系统的转换效率。

本具体实施方式中的拓扑结构采用二级功率电路，将光伏阵列输出变化的直流电压转化为交流电压。第一级功率电路为DC-DC(BOOST升压电路)，通过控制开关管S6，使直流母线电压Udc达到一定值，满足向电网输送功率的要求。第二级功率电路为DC-AC电路，它由开关管S1、S2、S3、S4、S5以及二极管D1、D2、D3、D4组成，它负责将直流电转化交流电。

在无变压器的非隔离光伏并网系统中，电网与光伏阵列之间存在直接的电气连接，由于光伏阵列和地之间存在寄生电容，形成由寄生电容、直流侧和交流滤波器以及电网阻抗形成共模谐振回路。寄生电容上共模电压的变化会在寄生电容上产生共模电流(漏电流)。光伏并网系统其漏电流回路如图2所示。为抵制无变压器单相光伏逆变器的漏电流，应尽量使共模电压变化比较小。若能Ucm为一定值，则能够基本上消除共模电流，即功率器件采用PWM控制使得a和b点对O点的电压之和满足：

U_cm＝(u_ao+u_bo)/2＝定值(1)

下面具体分析消除漏电流PWM调制过程：

(1)电网电压正半周开关管S1和S4开通

在电网电压正半周时，开关管S2和S3始终保持关断，S1和S4同时采用PWM调制(S1和S4的开关驱动信号相同)，开关管S5的开关驱动信号与开关管S1(S4)的驱动信号互补。当开关管S1、S4导通，其电流流向如图3所示。此时共模电压：

U_cm＝(u_ao+u_bo)/2＝(Udc+0)/2＝Udc/2

(2)

(2)电网电压正半周开关管S1和S4关断

在电网电压正半周时，开关管S2和S3始终保持关断，当开关管S1、S4关断，开关管S5导通，其电流流向如图4所示。此时共模电压：

U_cm＝(u_ao+u_bo)/2＝(Udc/2+Udc/2)/2＝Udc/2

(3)

(3)电网电压负半周开关管S2和S3开通

在电网电压负半周时，开关管S1和S4始终保持关断，S2和S3同时采用PWM调制(S2和S3的开关驱动信号相同)，开关管S5的开关驱动信号与开关管S2(S3)的驱动信号互补。当开关管S2、S3导通，其电流流向如图5所示。此时共模电压：

U_cm＝(u_ao+u_bo)/2＝(Udc+0)/2＝Udc/2

(4)

(4)电网电压负半周开关管S2和S3关断

在电网电压负半周时，开关管S1和S4始终保持关断，当开关管S2、S3关断，开关管S5导通，其电流流向如图6所示。此时共模电压：

U_cm＝(u_ao+u_bo)/2＝(Udc/2+Udc/2)/2＝Udc/2

(5)

从式(2)、式(3)、式(4)、式(5)可以看出，不管是在电网电压正半周还是电网电压负半周期，共模电压保持不变。因此通过光伏阵列寄生电容Cs的共模电流比较小，其波形如图8所示。

本具体实施方式整个高效无变压器单相光伏并网逆变器的控制策略如图7所示。下面具体分析PWM调制方式：

1、通过锁相环得到电网空间角度的信息，在电网电压正半周时，开关管S2和S3始终保持关断，开关管S1和S4采用PWM调制(S1和S4的驱动信号相同)，续流回路中的开关管S5与S1(S4)的驱动信号互补。

◆当开关管S1和S4开通时(开关管S5关断)，此时的共模电压为Udc/2，此时DC AC逆变器的电流回路为：

开关管S1-电感L2-电容C3-电感L3-开关管S4——电容C2

◆当开关管S1和S4关断时(开关管S5开通)，此时的共模电压为Udc/2，此时DC-AC逆变器的电流回路为：

电感L2-电容C3-电感L3-二极管D4-开关管S5——二极管D1

电流经不过直流侧母线电容，而在续流回路上续流，这样使共模电压保持不变，从而使漏电流大大减少。

2、在电网电压负半周时，开关管S1和S4始终保持关断，开关管S2和S3采用PWM调制(S1和S4的驱动信号相同)，续流回路中的开关管S5与S2(S3)的驱动信号互补。

◆当开关管S2和S3开通时(开关管S5关断)，此时的共模电压为Udc/2，此时DC-AC逆变器的电流回路为：

开关管S3-电感L3-电容C3-电感L2-开关管S2-电容C2

◆当开关管S2和S3关断时(开关管S5开通)，此时的共模电压为Udc/2，此时DC-AC逆变器的电流回路为：

电感L3-电容C3-电感L2-二极管D3-开关管S5-二极管D2

同样，电流经不过直流侧母线电容，而在续流电路3-1上续流，这样使共模电压保持不变。

(1)滤波电感和滤波电容

对并网逆变器输出电流进行滤波。

(2)信号采集电路

采用两个差分电路分别采集光伏阵列输出电压和电网电压，采用两个VAC电流传感器分别采集光伏阵列的输出电流和并网逆变器输出电流，所有这此信号经过调理成0-3V之间，将此信号输入到TMS320F2808芯片为核心的AD采样口。

(3)控制板电路

以数字信号处理器TMS320F2808为核心，利用片内AD模块对信号采集电路信号进行采样，根据图7高效无变压器单相光伏并网逆变器控制策略，发出相应的PWM脉冲。

本具体实施方式能有效地抑制共模电流，它和Sunways公司采用HERIC专利相比，在交流侧少一个开关管，但增加一个二极管整流桥。从控制来看，可以少控制一个开关管，控制相对来说简单，整体效率略下降。此拓扑结构最高效率可达到96％。和采用H桥+双极性调制相比，效率可以提高。H桥+双极性调制的最高效率可94.8％左右。

Claims

1.一种高效无变压器单相光伏并网逆变器，其特征在于它包含太阳能光伏阵列(1)、升压电路(2)、DC-AC逆变器(3)、继电器(4)、电网(5)和以漏电流回路(6)，太阳能光伏阵列(1)、升压电路(2)、DC-AC逆变器(3)、继电器(4)和电网(5)依次相连，继电器(4)与电网(5)相连，且升压电路(2)与以漏电流回路(6)相连，以漏电流回路(6)与电网(5)相连。