CN103051233B - 一种非隔离型单相光伏并网逆变器及其开关控制时序 - Google Patents

一种非隔离型单相光伏并网逆变器及其开关控制时序 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低导通损耗、低漏电流的非隔离型光伏并网逆变器及其开关控制时序，其中该光伏并网逆变器包括相互连接的分压电容支路（1）、全桥基本单元（2）、箝位支路（3）和续流支路（4）。本发明通过在单相全桥逆变电路的基础上分别加入两支可控开关管和两支二极管构成零电平续流支路和加入两支二极管和分压电容构成双向箝位支路，并配合开关时序可以实现功率传递阶段、死区阶段和续流阶段时共模电压均为同一恒定的电压值，从而消除非隔离并网逆变器的漏电流；并保证了功率传输阶段和续流阶段输出电流仅流经两支功率管，使得导通损耗最低。

Description

一种非隔离型单相光伏并网逆变器及其开关控制时序
技术领域
本发明涉及一种非隔离光伏并网逆变器及其开关控制时序，属于高效并网逆变器拓扑技术领域。
背景技术
非隔离型光伏并网逆变器拥有效率高、体积小、重量轻和成本低等优势。但由于电池板对地寄生电容的存在，使得并网逆变器开关器件的开关动作可能产生高频时变电压作用在寄生电容之上，由此诱发的漏电流可能超出允许范围。高频漏电流的产生会带来传导和辐射干扰、进网电流谐波及损耗的增加，甚至危及设备和人员安全。
双极性SPWM全桥并网逆变器可以有效消除漏电流，能直接用于非隔离应用场合，但其差模特性较差，滤波电感电流脉动量大，存在能量回馈直流侧阶段，效率较低。单极性SPWM全桥并网逆变器的差模特性优良，如输入直流电压利用率高和滤波电感电流脉动量小等受到广泛关注。但同时产生了开关频率脉动的共模电压（其幅值为输入直流电压），使得在光伏并网应用场合需要加入变压器隔离（低频或高频），但高频脉动的共模电压对变压器的绝缘强度构成威胁，进一步增加了制作成本；半桥型（两电平和散电平）逆变器结构虽然可以有效消除共模电压，但直流侧电压利用率低，仅为全桥型逆变器结构的一半。为了去掉单极性SPWM全桥并网逆变器中的隔离变压器，专利EP1369985A2（简称Heric拓扑）提出在全桥电路的桥臂中点间（交流侧）加入双向可控开关组构造新的续流回路；专利US7411802B2（简称H5拓扑）在电池侧正端引入一支高频开关，同样可以实现续流阶段太阳能电池端与电网脱离。但根据全桥电路高频共模等效模型，为了消除单极性SPWM调制产生的高频共模电压，必须使续流阶段的续流回路电位箝位在太阳能电池输入电压的一半，这样才能使共模电压完全消除，而并非简单的使电池板与电网脱离。专利CN101814856A（已完成实质性审查和修回，待批准）在专利US7411802B2的基础上加入箝位支路可将续流阶段的续流回路电位箝位在太阳能电池输入电压的一半，大幅降低开关频率漏电流，但是由于引入的单向开关引起了漏电流正负半周不对称。
增加了均压电容平衡电路的负担，另外，与专利US7411802B2一样，在功率传输阶段电流需要流经三只功率管，增加了导通损耗。也有其它一些文献提出了一些改进拓扑，要么在续流回路电位箝位上达到最优，却增加了导通损耗；要么在保证导通损耗最优的情况下降低了续流回路电位箝位的性能。到目前还未见在共模性能（漏电流消除）和差模性能（导通损耗最小、效率最高）两方面均达到最优的方案提出。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述缺陷，提供一种在共模性能和差模性能均最优的非隔离光伏并网逆变器及其开关控制时序。
为实现上述目的，本发明所述非隔离光伏并网逆变器可采用如下技术方案：
一种非隔离光伏并网逆变器，包括分压电容支路、全桥基本单元、箝位支路和续流支路；
所述分压电容支路由第一分压电容、第二分压电容组成；所述全桥基本单元由第一功率开关管和第一功率二极管的并联组合、第二功率开关管和第二功率二极管的并联组合、第三功率开关管和第三功率二极管并联组合、第四功率开关管和第四功率二极管并联组合组成；所述箝位支路由第七功率二极管、第八功率二极管组成；续流支路由第五功率开关管和第五功率二极管的串联组合、第六功率开关管和第六功率二极管的串联组合组成；
所述第一分压电容的正端分别连接太阳能电池正输出端、第一功率开关管和第三功率开关管的集电极、第一功率二极管和第三功率开关管的阴极；所述第一分压电容的负端分别连接第二分压电容的正端、第七功率二极管的阴极和第八功率二极管的阳极；所述第二分压电容的负端分别连接太阳能电池负输出端、第二功率开关管的发射极和第四功率开关管的发射极、第二功率二极管和第四功率二极管的阳极；
所述第一功率开关管的发射极分别连接第二功率开关管的集电极、第一功率二极管的阳极和第二功率二极管的阴极，以及连接第五功率开关管的集电极、第六功率开关管的发射极和进网滤波器的一端；
所述第三功率开关管的发射极分别连接第四功率开关管的集电极、第三功率二极管的阳极和第四功率二极管的阴极，以及第五功率二极管的阴极、第六功率二极管的阳极和进网滤波器的一端；
所述第七功率二极管的阳极分别连接第五功率开关管的发射极、第五功率二极管的阳极；所述第八功率二极管的阴极分别连接第六功率开关管的集电极、第六功率二极管的阴极。
根据本发明所述的非隔离光伏并网逆变器的一个方面：所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管和第六功率开关管为全控型器件。
根据本发明所述的非隔离光伏并网逆变器的一个方面：所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管和第六功率开关管为IGBT（绝缘栅双极型晶体管）或MOSFET（金属-氧化层-半导体-场效晶体管）。
本发明进一步提供了一种基于上述非隔离光伏并网逆变器的开关控制时序，其过程如下：
将第一功率开关管和第四功率开关管在进网电流正半周按单极性SPWM方式高频动作，负半周关断；
将第二功率开关管和第三功率开关管在进网电流负半周按单极性SPWM方式高频动作，正半周关断；
将第五功率开关管和第六功率开关管在进网电流正半周的驱动信号与第一功率开关管的驱动信号互补，并加入死区时间；将进网电流负半周的驱动信号与第二功率开关管的驱动信号互补，并加入死区时间。
本发明在全桥电路的基础上在桥臂输出侧加入两支可控开关管提供续流回路和在直流侧加入两支二极管和分压电容构成双向箝位支路，配合上诉开关控制时序，可以实现功率传输、死区和续流阶段时共模电压恒处于二分之一的电池电压来消除漏电流，并保证了功率传输、死区和续流阶段输出电流仅流经两支功率管，实现导通损耗最小。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明主电路拓扑采用IGBT的电路图；
图2是本发明的功率开关管驱动信号和差模电压、共模电压示意图；
图3a至图3c是本发明在进网电流正半周时等效工作模态图，其中：
图3a是功率传输阶段，进网电流正半周的工作模态图；
图3b是死区阶段，进网电流正半周的工作模态图；
图3c是续流阶段，进网电流负半周的工作模态图；
图4a至图4c是本发明在进网电流正半周时工作模态图，其中：
图4a是功率传输阶段，进网电流正半周的工作模态图；
图4b是死区阶段，进网电流正半周的工作模态图；
图4c是续流阶段，进网电流负半周的工作模态图；
图5a至图5d是本发明在续流阶段时箝位工作模态图，其中：
图5a是续流回路电平升高，进网电流正半周的工作模态图；
图5b是续流回路电平降低，进网电流正半周的工作模态图；
图5c是续流回路电平升高，进网电流负半周的工作模态图；
图5d是续流回路电平降低，进网电流负半周的工作模态图；
图6a至图6b是本发明在一个电网周期的电网电压、进网电流和差模、共模电压波形图，其中：
图6a是一个电网周期内电网电压、进网电流和差模电压波形图；
图6b是一个电网周期内电网电压、进网电流和共模电压波形图；
图7a至图7b是本发明分别在电网电压正半周和负半周时开关驱动信号、电感电流和逆变器桥臂输出电压在开关周期内的波形图；
图7a是在电网电压正半周时开关驱动信号、电感电流和逆变器桥臂输出电压在开关周期内的波形图；
图7b是在电网电压负半周时开关驱动信号、电感电流和逆变器桥臂输出电压在开关周期内的波形图。
上述附图的主要符号及标号名称：Cdc1、Cdc2——分压电容；S1~S6——功率开关管及驱动信号；D1~D8——功率二极管；Grid,ug——电网电压；Upv——太阳能电池板输出电压；L1、L2——进网滤波电感；C1进网滤波电容；ig—进网电流；vDM—逆变器产生的差模电压；vCM—逆变桥产生的共模电压。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域的技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请的权利要求所限定的范围。
结合图1描述了本发明的主电路的具体实施案例，它由第一分压电容Cdc1和第二分压电容Cdc2组成基本单元1；由第一功率开关管S1和第一功率二极管D1并联组合、第二功率开关管S2和第二功率二极管D2并联组合、第三功率开关管S3和第三功率二极管D3并联组合、第四功率开关管S4和第四功率二极管D4并联组合组成基本单元2；由第七功率二极管D7、第八功率二极管D8组成基本单元3；由第五功率开关管S5和第五功率二极管D5串联组合、第六功率开关管S6和第六功率二极管D6串联组合组成基本单元4。
转到图2，它为本发明主电路功率开关管的驱动信号时序图，第一功率开关管S1和第四功率开关管S4在进网电流正半周按单极性SPWM方式高频动作，在进网电流负半周关闭；第二功率开关管S2和第三功率开关管S3在进网电流负半周按单极性SPWM方式高频动作，在进网电流正半周关闭；第五功率开关管S5和第六功率开关管S6的驱动信号在进网电流正半周与第一功率开关管S1的驱动信号互补，并加入死区时间，在进网电流负半周与第二功率开关管S2的驱动信号互补，并加入死区时间；为了保证续流回路的完全箝位，过零阶段第五功率开关管S5和第六功率开关管S6需要导通。
图3a至图3c分别为本发明主电路工作在进网电流正半周时三种工作模态的等效电路。
图4a至图4c分别为本发明中的全控开关选用IGBT时电路工作在进网电流正半周时三种工作模态的流通电路。
图5a至图5d分别为变换器零电平续流阶段箝位工作时的等效电路。无论进网电流的方向，只要续流回路电位降低，第六功率开关管S6和第八功率二极管D8导通，将续流回路箝位在只要续流回路电位升高，第七功率开关管S7和第五功率开关管S5导通，同样将续流回路箝位在电平。
本发明的一个具体实例如下：电池板电压Upv＝400V、电网电压Ugrid=220VRMS、电网频率fgrid=50Hz、额定功率PN=5kW；直流母线电容Cdc1=Cdc2=470μF；滤波电感L1＝L2=2mH；滤波电容C1=6μF；电池板对地寄生电容Cpv1=Cpv2=0.15μF；开关频率f=20kHZ。
图6a和图6b为该实例的具体工作波形图。从图6可以看到一个电网周期的电网电压、进网电流ig和差模、共模电压波形图。可以看出，差模电压vDM、共模电压vCM与原理分析一致，除去开关动作引起的电压尖峰，共模电压为恒定值。
图7a和图7b分别为电网电压正半周和负半周时开关驱动信号、电感电流和逆变器桥臂输出电压在开关周期内的波形图。从上述两图中可以看出实施例的工作情况与原理分析一致。

Claims (2)

1.一种非隔离光伏并网逆变器，其特征在于：它包括分压电容支路（1）、全桥基本单元（2）、箝位支路（3）和续流支路（4）；
所述分压电容支路（1）由第一分压电容(Cdc1)、第二分压电容(Cdc2)组成；所述全桥基本单元（2）由第一功率开关管(S1)和第一功率二极管(D1)的并联组合、第二功率开关管(S2)和第二功率二极管(D2)的并联组合、第三功率开关管(S3)和第三功率二极管(D3)并联组合、第四功率开关管(S4)和第四功率二极管(D4)并联组合组成；所述箝位支路（3）由第七功率二极管(D7)、第八功率二极管(D8)组成；所述续流支路（4）由第五功率开关管(S5)和第五功率二极管(D5)的串联组合、第六功率开关管(S6)和第六功率二极管(D6)的串联组合组成；
所述第一分压电容(Cdc1)的正端分别连接太阳能电池正输出端、第一功率开关管(S1)和第三功率开关管(S3)的集电极、第一功率二极管(D1)和第三功率开关管(D3)的阴极；所述第一分压电容(Cdc1)的负端分别连接第二分压电容(Cdc2)的正端、第七功率二极管(S7)的阴极和第八功率二极管(S8)的阳极；所述第二分压电容(Cdc2)的负端分别连接太阳能电池负输出端、第二功率开关管(S2)的发射极和第四功率开关管(S4)的发射极、第二功率二极管(D2)和第四功率二极管(D4)的阳极；
所述第一功率开关管(S1)的发射极分别连接第二功率开关管(S2)的集电极、第一功率二极管(D1)的阳极和第二功率二极管(D2)的阴极，以及连接第五功率开关管(S5)的集电极、第六功率开关管(S6)的发射极和进网滤波器(L 1)的一端；
所述第三功率开关管(S3)的发射极分别连接第四功率开关管(S4)的集电极、第三功率二极管(D3)的阳极和第四功率二极管(D4)的阴极，以及第五功率二极管(D5)的阴极、第六功率二极管(D6)的阳极和进网滤波器(L 2)的一端；
所述第七功率二极管(D7)的阳极分别连接第五功率开关管(S5)的发射极、第五功率二极管(D5)的阳极；所述第八功率二极管(D8)的阴极分别连接第六功率开关管(S6)的集电极、第六功率二极管(D6)的阴极；
所述第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)、第四功率开关管(S4)、第五功率开关管(S5)和第六功率开关管(S6)为全控型器件；
所述第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)、第四功率开关管(S4)、第五功率开关管(S5)和第六功率开关管(S6)为IGBT或MOSFET。
2.一种基于权利要求1所述非隔离光伏并网逆变器的开关控制时序，其特征是过程如下：
将第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)在进网电流正半周按单极性SPWM方式高频动作，负半周关断；
将第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)在进网电流负半周按单极性SPWM方式高频动作，正半周关断；
将第五功率开关管(S5)和第六功率开关管(S6)在进网电流正半周的驱动信号与第一功率开关管(S1)的驱动信号互补，并加入死区时间；将进网电流负半周的驱动信号与第二功率开关管(S2)的驱动信号互补，并加入死区时间。
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