CN103779874B - 单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统，引入耦合电感无源网络将逆变器的主电路与电源耦合，利用一级变换，实现升压功能，同时加入第四二极管，断开了有效矢量和传统零矢量状态的光伏电池端和电网侧的电气连接，因此阻断了该状态下的共模电压产生电流回路；本发明还公开了一种单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统的控制方法，采用相邻有效矢量合成脉宽调制+直通的控制，不采用传统零矢量，消除了传统零矢量状态向其它状态转换时的共模电压，并减小了有效矢量时的共模电压幅值。
Description
技术领域
本发明属于电力领域,具体涉及一种单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统及其控制方法。
背景技术
应用于新能源发电场合的变换器通常使用隔离变压器，包括网侧的工频变压器或变换器前级的高频变压器，起到匹配输入、输出电压和隔离光伏模块与电网的作用。但工频变压器增加了系统的体积、重量和成本，降低了变换效率；而高频变压器与前者相比虽然大大降低了体积、重量和成本，但增加了功率变换的复杂程度。
非隔离光伏并网发电系统不含有隔离变压器，具有体积、重量和成本相对较低和变换效率高的优势，但会产生新的问题。从各种关于光伏并网发电系统的标准中可知大部分的光伏电池板必须接地（IEEEStandard929），只有个别情况除外（DINVDE0126-1-1AutomaticDisconnectionDevicebetweenaGeneratorandthePublicLow-voltageGrid），那么必须考虑光伏电池板对地的分布电容，该容值与大气条件和光伏电池板的面积、结构有关，约为50～150nF/kW。当去除隔离变压器后，光伏电池板和电网有电气连接，分布电容与光伏电池板、交流侧滤波器和电网阻抗等形成谐振回路，桥臂功率管开关产生的高频电压会在该分布电容上产生容性的漏电流。系统经过效率优化后，谐振回路的阻尼很小，漏电流幅值大幅增加，带来安全隐患。且由于分布电容容值随环境条件变化，该谐振频率也不固定。根据变换器拓扑和开关调制策略的不同，漏电流会产生不同大小的电磁干扰、并网电流谐波和系统的损耗。德国标准VDE0126-1-1对漏电流做出了限制：当漏电流大于300mA超过0.3s时，必须断开电路连接。
在光伏并网发电系统中，光伏电池的输出电压变化范围大，而用电负载或并网均要求分布式发电系统输出相对稳定的电压。因此，系统中的变换电路多采用带DC/DC升压变换器的电压型光伏并网逆变器，如附图1所示。其中，电压型逆变器将直流电能逆变并传输到电网，DC/DC升压变换器将光伏电池输出波动较大的电压进行稳压满足并网逆变器的交直流电压变比关系。在电压型逆变器前插入一级DC/DC升压变换器的方案，增加了系统的成本，降低了变换效率和可靠性，并且电压型逆变器本身的不足并没有克服。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统，引入的耦合电感无源网络将逆变器的主电路与电源耦合，利用一级变换，实现升压功能，同时加入第四二极管，断开了有效矢量和传统零矢量状态的光伏电池端和电网侧的电气连接，因此阻断了该状态下的共模电压产生电流回路。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统，包括依次连接的储能单元、升压单元、缓冲吸收单元、逆变桥单元，所述逆变桥单元包括a、b、c三相桥臂，每相桥臂均包括两个开关管，所述储能单元包括第四电感、第三电容；所述升压单元包括第一电容，第一二极管、第四二极管、耦合电感，其中耦合电感包括第一电感、第二电感；所述缓冲吸收单元包括第二二极管、第三二极管、第二电容、第三电感；所述第一至第四电感、第一电容、第二电容均包括第一端、第二端，所述第三电容为极性电容，所述第一电感的第一端与第二电感的第一端互为同名端，所述第一电感的第二端与第二电感的第二端互为同名端；所述第四电感的第一端与光伏电源的正极连接，所述第四电感的第二端分别与第三电容的正极、第一电感的第一端连接，所述第三电容的负极分别与光伏电源的负极、第四二极管的阴极连接；所述第一电感的第二端与第一二级管的阳极连接，所述第一二极管的阴极分别与第二电感的第二端、第二电容的第一端、逆变桥单元输入端的正极连接；所述第二电感的第一端分别与第二二极管的阴极、第一电容的第一端连接；所述第二电容的第二端分别与第二二极管的阳极、第三电感的第一端连接；所述第三电感的第二端与第三二极管的阴极连接，所述第三二极管的阳极分别与第一电容的第二端、第四二极管的阳极、逆变桥单元输入端的负极连接。
为了进一步减小共模电压幅值，本发明还提供了一种单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统的控制方法，具体采用的技术方案如下：
单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1、通过三相正弦波信号计算零序电压信号，然后将该零序电压信号分别加入三相正弦波信号获取三相调制信号，所述三相调制信号分别为a、b、c三相调制信号；
步骤2、将电压矢量空间划分为相等的6个扇区，分别为第一至第六扇区，第一扇区的相位为-30°～30°，将a、b、c三相调制信号与两个相位相反的载波信号在每个扇区内进行交截，生成与a、b、c三相桥臂相对应的控制信号，所述a、b、c三相桥臂的六个开关管依次对应在一个扇区内常通，每相桥臂上的两个开关管的开关状态相反。
还包括如下步骤：
步骤3、依次在每个扇区内插入直通脉冲信号，所述直通脉冲信号与常通开关信号分别在不同的扇区内，相邻两个直通脉冲信号之间相差60°。
所述步骤3为：依次在每个扇区内插入直通脉冲信号，当三相调制信号中的一相与反向载波信号交截时，在该相所在扇区内插入直通脉冲信号，相邻两个直通脉冲信号之间相差60°。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、引入的耦合电感无源网络将逆变器的主电路与电源耦合，利用一级变换，实现升压功能，同时为了不改变无源升压网络的特性，加入第四二极管D4后，断开了有效矢量和传统零矢量状态的光伏电池端和电网侧的电气连接，因此阻断了该状态下的共模电压产生电流回路。
2、采用相邻有效矢量合成脉宽调制+直通的控制，不采用传统零矢量，消除了传统零矢量状态向其它状态转换时的共模电压，并减小了有效矢量时的共模电压幅值。
3、本发明的三相耦合电感单级升压逆变器及其控制方法构成了三相耦合电感单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统。
4、克服了上述传统电压型逆变器的不足，利用“直通零矢量”状态，调节其作用时间，同时通过设计耦合电感的匝比，实现逆变器输入侧直流母线电压的可控提升，从而逆变输出期望的交流电压。所谓“直通零矢量”，就是将逆变桥的上下功率管直通，控制其作用时间，使电感电流增长。当处于非直通零矢量时，电感将原先储存的能量释放使得直流母线电压提升。因“直通零矢量”在传统零矢量中插入，仍属于零矢量，对逆变器PWM输出没有影响。该升压逆变器具有更高的升压能力，能够充分利用电容的电压等级。
附图说明
图1为现有技术中前级带有DC/DC升压变换器的光伏并网发电系统。
图2为现有技术中的单级可升压逆变器的结构图。
图3为本发明三相耦合电感单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统的结构图。
图4为相邻有效矢量合成脉宽调制的空间电压矢量及扇区定义。
图5为加入直通零矢量的相邻有效矢量合成脉宽调制方法的信号框图。
图6为相邻有效矢量合成脉宽调制+直通控制的耦合电感单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统在B5扇区内的开关序列和共模电压。
图7为三次谐波注入PWM（SVPWM）+直通控制的耦合电感单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统在第一扇区内的开关序列和共模电压。
图8为在正弦调制波中注入零序信号构成的新的调制波信号。
具体实施方式
如图3所示，本发明的单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统，包括依次连接的储能单元、升压单元、缓冲吸收单元、逆变桥单元，所述逆变桥单元包括a、b、c三相桥臂，其特征在于：所述储能单元包括第四电感L4、第三电容C3；所述升压单元包括第一电容C1，第一二极管D1、第四二极管D4、耦合电感，其中耦合电感包括第一电感L1、第二电感L2；所述缓冲吸收单元包括第二二极管D2、第三二极管D3、第二电容C3、第三电感L3；所述第一至第四电感、第一电容C1、第二电容C2均包括第一端、第二端，所述第三电容C3为极性电容，所述第一电感L1的第一端与第二电感L2的第一端互为同名端，所述第一电感L1的第二端与第二电感L2的第二端互为同名端；所述第四电感L4的第一端与光伏电源的正极连接，所述第四电感L4的第二端分别与第三电容C3的正极、第一电感L1的第一端连接，所述第三电容C3的负极分别与光伏电源的负极、第四二极管D4的阴极连接；所述第一电感L1的第二端与第一二级管D1的阳极连接，所述第一二极管D1的阴极分别与第二电感L2的第二端、第二电容C2的第一端、逆变桥单元输入端的正极连接；所述第二电感L2的第一端分别与第二二极管D2的阴极、第一电容C1的第一端连接；所述第二电容C2的第二端分别与第二二极管D2的阳极、第三电感L3的第一端连接；所述第三电感L3的第二端与第三二极管D3的阴极连接，所述第三二极管D3的阳极分别与第一电容C1的第二端、第四二极管D4的阳极、逆变桥单元输入端的负极连接。
第一二极管D1的作用是防止输出给负载的能量回馈；第四二极管D4对于非隔离光伏并网发电系统的作用是断开有效矢量和传统零矢量状态的光伏电池端和电网侧的电气连接。
根据所述单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统所需要的电压增益设置第二电感与第一电感的匝比。
为了进一步减小传统零矢量状态向其它状态转换时的共模电压及有效矢量时的共模电压幅值，本发明所述的插入直通零矢量的无传统零矢量的调制方法——相邻有效矢量合成脉宽调制，基于上述的耦合电感单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统实现；并通过适当插入直通零矢量，达到升压的目的。
相邻有效矢量合成脉宽调制不采用传统零电压矢量，采用三个相邻的有效电压矢量合成综合电压矢量，每隔60°采用的有效电压矢量变化一次，其空间电压矢量及扇区定义如附图4所示。与SVPWM相比，扇区顺时针旋转了30°。
图4为采用的调制方式——相邻有效矢量合成脉宽调制的空间电压矢量及扇区定义。该调制方法将空间分为六个扇区，分别为第一扇区B1至第六扇区B6，其中第一扇区与第四扇区呈中心对称、第二扇区与第五扇区呈中心对称、第三扇区与第六扇区呈中心对称，控制a、b、c三相桥臂与三组中心对称扇区一一对应，同一桥臂上的两个开关管在相互呈中心对称的两个扇区内依次导通，采用三个相邻的有效电压矢量合成综合电压矢量，不采用零电压矢量，每隔60°采用的有效电压矢量变化一次。电压矢量Ui-1、Ui和Ui+1作用于Bi扇区，其中i为1～6的整数。输出相电压幅值所处的线性区间为其中mi为调制比，在这个区间内，三个相邻的有效电压矢量可以以不同的序列合成综合电压矢量。而且调制比mi保持在高调制比区，避免了输出相电压谐波的增大。为了实现最小开关次数，在扇区Bi内，合理的电压矢量为Ui+1～Ui～Ui-1～Ui～Ui+1。例如在扇区B1,开关序列为110～100～101～100～110。采用单相直通的方法，即每个扇区只有一相直通，以减小开关次数。插入直通零矢量后，有效矢量的占空比将减少，但不改变合成的综合电压矢量角度。
附图5为加入直通零矢量的相邻有效矢量合成脉宽调制方法的信号框图，相邻有效矢量合成脉宽调制采用载波比较的方式实现。在正弦调制波中注入零序信号： 为三相正弦调制波的幅值。例如当 时， 此时c相调制波与三角波无交截。载波信号采用两个相位相反的三角波（Utri和-Utri），与调制波的比较需根据扇区判断，如表1所示，
表1采用相邻有效矢量合成脉宽调制，根据扇区判断的载波信号
| B1 | B2 | B3 | B4 | B5 | B6 | |
| a相 | Utri | -Utri | -Utri | Utri | Utri | Utri |
| b相 | Utri | Utri | Utri | -Utri | -Utri | Utri |
| c相 | -Utri | Utri | Utri | Utri | Utri | -Utri |
开关规则为：当调制波大于载波信号时，对应桥臂的上管开通。如当处于扇区B2时，b相和c相调制波与载波Utri比较，a相调制波与载波-Utri比较，可得到不同调制波时的开关序列。一个周期内逆变桥上的开关状态如表2所示，
表2一个周期内逆变桥的开关状态
| 扇区 | B1 | B2 | B3 | B4 | B5 | B6 |
| 常通开关 | T1 | T6 | T3 | T2 | T5 | T4 |
| 直通桥臂 | C相 | A相 | A相 | B相 | B相 | C相 |
本发明的控制方法如下：
通过三相正弦波信号计算零序电压信号，然后将该零序电压信号分别加入三相正弦波信号获取三相调制信号，所述三相调制信号分别为a、b、c三相调制信号；
步骤2、将电压矢量空间划分为相等的6个扇区，分别为第一至第六扇区，第一扇区的相位为-30°～30°，将a、b、c三相调制信号与两个相位相反的载波信号在每个扇区内进行交截，生成与a、b、c三相桥臂相对应的控制信号，所述a、b、c三相桥臂的六个开关管依次对应在一个扇区内常通，每相桥臂上的两个开关管的开关状态相反。
步骤3、依次在每个扇区内插入直通脉冲信号，所述直通脉冲信号与常通开关信号分别在不同的扇区内，相邻两个直通脉冲信号之间相差60°。
所述步骤3还可以为：依次在每个扇区内插入直通脉冲信号，当三相调制信号中的一相与反向载波信号交截时，在该相所在扇区内插入直通脉冲信号，相邻两个直通脉冲信号之间相差60°。
附图6为带第四二极管D4的三相耦合电感单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统采用相邻有效矢量合成脉宽调制，并插入单相直通时，在B5扇区内的开关序列和共模电压。其共模电压幅值小于附图7中所示的三相耦合电感单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统采用SVPWM，并插入直通时在第一扇区内的共模电压幅值。
附图8为在正弦调制波中注入零序信号构成的新的调制波信号。其中，为SPWM的调制波信号，为注入零序信号后的调制波信号。
本发明的一个具体实例如下：
光伏电池输出电压Upv=150V，母线电压幅值Ub=400V，电网电压/频率：110V/50Hz，分布电容Cpv=100nF，光伏电池板对地阻抗Rpv=10Ω，滤波电感Lg=20mH，耦合电感：L1=215μH，N=2.5，k=0.98，电容C1=10μF，C2=70μF，电感L3=25μH，开关频率fs=10KHz。
现有技术的单级可升压逆变器采用SVPWM，并插入直通的情况下，由于漏电流较大，三相并网电流的纹波很大。共模电压在一个开关周期内变化8次，有4个不同的电平值。并网功率500W时，漏电流幅值为0.9A，有效值约0.64A，远大于VDE0126-1-1标准的规定。
而本发明提出的采用三个相邻有效矢量合成脉宽调制，并插入单相直通的情况下，由于漏电流较小，三相并网电流纹波小，共模电压虽然在一个开关周期内也变化8次，有3个不同的电平值，但幅值明显小于上一种情况。并网功率500W时，漏电流幅值为25mA，有效值约11.5mA，低于标准规定的限定值。
Claims (3)
1.单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统的控制方法，所述单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统，包括依次连接的储能单元、升压单元、缓冲吸收单元、逆变桥单元，所述逆变桥单元包括a、b、c三相桥臂，每相桥臂均包括两个开关管，所述储能单元包括第四电感、第三电容；所述升压单元包括第一电容，第一二极管、第四二极管、耦合电感，其中耦合电感包括第一电感、第二电感；所述缓冲吸收单元包括第二二极管、第三二极管、第二电容、第三电感；所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第二电容均包括第一端、第二端，所述第三电容为极性电容，所述第一电感的第一端与第二电感的第一端互为同名端，所述第一电感的第二端与第二电感的第二端互为同名端；所述第四电感的第一端与光伏电源的正极连接，所述第四电感的第二端分别与第三电容的正极、第一电感的第一端连接，所述第三电容的负极分别与光伏电源的负极、第四二极管的阴极连接；所述第一电感的第二端与第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极分别与第二电感的第二端、第二电容的第一端、逆变桥单元输入端的正极连接；所述第二电感的第一端分别与第二二极管的阴极、第一电容的第一端连接；所述第二电容的第二端分别与第二二极管的阳极、第三电感的第一端连接；所述第三电感的第二端与第三二极管的阴极连接，所述第三二极管的阳极分别与第一电容的第二端、第四二极管的阳极、逆变桥单元输入端的负极连接，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、通过三相正弦波信号计算零序电压信号，然后将该零序电压信号分别加入三相正弦波信号获取三相调制信号，所述三相调制信号分别为a、b、c三相调制信号；
步骤2、将电压矢量空间划分为相等的6个扇区，分别为第一至第六扇区，第一扇区的相位为-30°~30°，将a、b、c三相调制信号与两个相位相反的载波信号在每个扇区内进行交截，生成与a、b、c三相桥臂相对应的控制信号，所述a、b、c三相桥臂的六个开关管依次对应在一个扇区内常通，每相桥臂上的两个开关管的开关状态相反。
2.根据权利要求1所述的单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统的控制方法，其特征在于：还包括如下步骤：
步骤3、依次在每个扇区内插入直通脉冲信号，所述直通脉冲信号与常通开关信号分别在不同的扇区内，相邻两个直通脉冲信号之间相差60°。
3.根据权利要求2所述的单级升压逆变器非隔离光伏并网发电系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3为：依次在每个扇区内插入直通脉冲信号，当三相调制信号中的一相与反向载波信号交截时，在该相所在扇区内插入直通脉冲信号，相邻两个直通脉冲信号之间相差60°。
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