CN104038094B - 一种非隔离三相光伏并网逆变器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相非隔离型光伏并网逆变器的控制方法，该逆变器由十个开关管、六个二极管和九个电感组成。本发明提出的三相非隔离型光伏并网逆变器及其控制方法有益效果是克服了传统三相非隔离型光伏并网逆变器桥臂直通和开关死区带来的问题，同时解决了逆变器共模电压波动的问题，使光伏并网逆变器漏电流得到有效抑制。

Description

一种非隔离三相光伏并网逆变器的控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相非隔离光伏并网逆变器的控制方法。

背景技术

为解决能源危机、防治环境污染，太阳能作为清洁能源之一受到了世界各国的共同关注，光伏发电技术是实现太阳能有效利用的重要途径。光伏发电系统一般采用逆变器作为输出接口连接电网，传统光伏逆变器系统采用隔离型拓扑结构，通过工频变压器或高频变压器来实现电压调整和电气隔离。然而，工频隔离变压器存在重量大、体积大，价格昂贵等缺陷，而高频变压器虽然减小了体积和重量，但整个电路结构比较复杂，导致系统整机效率较低。因此，无变压器的非隔离型光伏并网逆变器成为研究热点，去掉隔离变压器，可减小光伏逆变器系统的体积和重量，降低成本，并可使系统整体效率得到一定改善。但去掉变压器之后，光伏电池阵列对地寄生电容与直流母线、逆变器、电网、大地构成一个共模回路，逆变器的高频开关动作会导致该寄生电容上的电压发生高频跳变。该电压被称为共模电压，共模电压的高频变化会引发寄生电容频繁的充放电，从而形成共模电流，也称之为漏电流，该漏电流的存在会增加逆变器输出电流谐波含量，增大电磁干扰，从而降低电能质量，引发电网畸变，造成不必要的功率损失等。如果人体位于这一共模回路中，漏电流还会对人身安全构成威胁，因此有必要采取措施抑制漏电流。

巴西学者Cavalcanti等人2010年在IEEE Transactions on IndustrialElectronics发表文章《Modulation techniques to eliminate leakage currents intransformerless three-phase photovoltaic systems》，该文章指出传统三相并网逆变器拓扑和调制方法将导致系统出现较大的漏电流，并提出一种空间矢量调制方法，采用特定3个非零矢量合成参考矢量以保证系统共模电压恒定，从而达到抑制系统漏电流的目的。但该方法直流电压利用率很低，开关管的电压应力较高。Vazquez等人在ISIE2010国际会议发表文章《A photovoltaic three-phase topology to reduce common mode Voltage》，该文章提出通过安装辅助开关的方式来减小共模电压，但该电路只能减小共模电压，无法实现共模电压恒定。文献《Eliminating Leakage Currents in Neutral Point ClampedInverters for Photovoltaic Systems》提出一种三相二极管钳位多电平光伏并网逆变器空间矢量调制方法，可以实现系统共模电压恒定，但其空间矢量调制方法较为复杂，同时该电路存在桥臂直通的问题，开关必须加入死区，而死区的存在将引发并网电流畸变，影响光伏逆变器并网效率和电能质量。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够有效抑制高频共模电压和漏电流的三相非隔离光伏并网逆变器的控制方法。

为了实现上述目的，本发明是采用如下技术方案：

一种三相非隔离光伏并网逆变器的控制方法，一种三相非隔离光伏并网逆变器的构成是由十个开关管、六个二极管和九个电感组成，直流母线的P₁端与第七开关S₇的集电极连接，直流母线的N₁端与第八开关S₈的发射极连接，第八开关S₈的集电极分别与第二开关S₂、第四开关S₄、第六开关S₆的发射极和第一二级管D₁、第三二极管D₃、第五二极管D₅的阳极连接，直流母线的P₂端与第九开关S₉的集电极连接，第九开关S₉的发射极与第七开关S₇的发射极连接，直流母线的N₂端与第十开关S₁₀的发射极连接，第十开关S₁₀的集电极与第八开关S₈的集电极连接，第七开关S₇的发射极分别与第一开关S₁、第三开关S₃、第五开关S₅的集电极和第二二极管D₂、第四二极管D₄、第六二极管D₆的阴极连接，第一开关S₁的发射极与第一二级管D₁的阴极连接，同时经过第一电感L₁和第七电感L_a与电网连接；第二开关S₂的集电极与第二二极管D₂的阳极连接，同时经过第二电感L₂和第七电感L_a与电网连接；第三开关S₃的发射极与第三二极管D₃的阴极连接，同时经过第三电感L₃和第八电感L_b与电网连接；第四开关S₄的集电极与第四二极管D₄的阳极连接，同时经过第四电感L₄和第八电感L_b与电网连接；第五开关S₅的发射极与第五二极管D₅的阴极连接，同时经过第五电感L₅和第九电感L_c与电网连接；第六开关S₆的集电极与第六二极管D₆的阳极连接，同时经过第六电感L₆和第九电感L_c与电网连接；

该控制方法内容包括下列步骤：

(1)首先，三相非隔离光伏逆变器三相调制波v_a、v_b、v_c分别与载波通过比较器比较后得到逻辑信号S_a、S_b、S_c；

(2)将三相电网电压信号u_a、u_b、u_c分别进行过零比较得到逻辑信号xa、xb、xc；

(3)将逻辑信号xa和逻辑信号S_a通过与门得到开关逻辑信号S₁，将逻辑信号xa通过非门得到的逻辑信号和逻辑信号S_a通过非门得到的逻辑信号通过与门得到开关逻辑信号S₂；

(4)将逻辑信号xb和逻辑信号S_b通过与门得到开关逻辑信号S₃，将逻辑信号xb通过非门得到的逻辑信号和逻辑信号S_b通过非门得到的逻辑信号通过与门得到开关逻辑信号S₄；

(5)将逻辑信号xc和逻辑信号S_c通过与门得到开关逻辑信号S₅，将逻辑信号xc通过非门得到的逻辑信号和逻辑信号S_c通过非门得到的逻辑信号通过与门得到开关逻辑信号S₆；

(6)将逻辑信号S_a和逻辑信号S_b通过异或门得到的逻辑信号再通过非门得到逻辑信号a，将逻辑信号S_b和逻辑信号S_c通过异或门得到的逻辑信号再通过非门得到逻辑信号b，将逻辑信号S_a和逻辑信号S_c通过异或门得到的逻辑信号再通过非门得到逻辑信号c，再将逻辑信号a、逻辑信号b和逻辑信号c通过三输入与门得到的逻辑信号再通过非门得到逻辑信号g；

(7)将逻辑信号S_a和逻辑信号S_b通过与门得到逻辑信号d，将逻辑信号S_b和逻辑信号S_c通过与门得到逻辑信号e，将逻辑信号S_a和逻辑信号S_c通过与门得到逻辑信号f，再将逻辑信号d、逻辑信号e和逻辑信号f通过三输入异或门得到逻辑信号h，将逻辑信号h通过非门得到逻辑信号i；

(8)将逻辑信号g和逻辑信号i通过与门得到开关逻辑信号S₇和开关逻辑信号S₈，将逻辑信号g和逻辑信号h通过与门得到开关逻辑信号S₉和开关逻辑信号S₁₀。

由于采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)三相桥臂不存在直通过流问题，可靠性高；(2)系统开关器件无需加入死区，从根本上消除了死区引起波形畸变问题；(3)控制方法采用载波调制，开关信号生成电路结构简单，可采用模拟电路实现，同时可以保证系统共模电压恒定，使漏电流得到有效抑制。

附图说明

图1为传统的光伏并网逆变器的电路原理图；

图2为本发明的三相非隔离光伏并网逆变器的电路原理图；

图3为本发明的三相非隔离光伏并网逆变器开关控制方式；

图4为本发明的三相非隔离光伏并网逆变器在开关逻辑信号S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀分别为1、0、0、1、0、1、1、1、0、0时对应的电路状态；

图5为本发明的三相非隔离光伏并网逆变器在开关信号S₇、S₈、S₉、S₁₀均为0时对应的直流侧电路状态；

图6为本发明的三相非隔离光伏并网逆变器在开关逻辑信号S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀分别为1、0、1、0、0、1、0、0、1、1时对应的电路状态。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细具体的说明。

图2所示为本发明的一种三相非隔离光伏并网逆变器，由十个开关管、六个二极管和九个电感组成，直流母线的P₁端与第七开关S₇的集电极连接，直流母线的N₁端与第八开关S₈的发射极连接，第八开关S₈的集电极分别与第二开关S₂、第四开关S₄、第六开关S₆的发射极和第一二级管D₁、第三二极管D₃、第五二极管D₅的阳极连接，直流母线的P₂端与第九开关S₉的集电极连接，第九开关S₉的发射极与第七开关S₇的发射极连接，直流母线的N₂端与第十开关S₁₀的发射极连接，第十开关S₁₀的集电极与第八开关S₈的集电极连接，第七开关S₇的发射极分别与第一开关S₁、第三开关S₃、第五开关S₅的集电极和第二二极管D₂、第四二极管D₄、第六二极管D₆的阴极连接，第一开关S₁的发射极与第一二级管D₁的阴极连接，同时经过第一电感L₁和第七电感L_a与电网连接；第二开关S₂的集电极与第二二极管D₂的阳极连接，同时经过第二电感L₂和第七电感L_a与电网连接；第三开关S₃的发射极与第三二极管D₃的阴极连接，同时经过第三电感L₃和第八电感L_b与电网连接；第四开关S₄的集电极与第四二极管D₄的阳极连接，同时经过第四电感L₄和第八电感L_b与电网连接；第五开关S₅的发射极与第五二极管D₅的阴极连接，同时经过第五电感L₅和第九电感L_c与电网连接；第六开关S₆的集电极与第六二极管D₆的阳极连接，同时经过第六电感L₆和第九电感L_c与电网连接。通过适当控制，保证并网电流和电网电压同频同相，实现单位功率因数并网运行。

图3所示为本发明的三相非隔离光伏并网逆变器开关控制方式，本发明的三相非隔离光伏并网逆变器控制步骤如下：

(1)首先，三相非隔离光伏逆变器三相调制波v_a、v_b、v_c分别与载波通过比较器比较后得到逻辑信号S_a、S_b、S_c；

(2)将三相电网电压信号u_a、u_b、u_c分别进行过零比较得到逻辑信号xa、xb、xc；

(3)将逻辑信号xa和逻辑信号S_a通过与门得到开关逻辑信号S₁，将逻辑信号xa通过非门得到的逻辑信号和逻辑信号S_a通过非门得到的逻辑信号通过与门得到开关逻辑信号S₂；

(4)将逻辑信号xb和逻辑信号S_b通过与门得到开关逻辑信号S₃，将逻辑信号xb通过非门得到的逻辑信号和逻辑信号S_b通过非门得到的逻辑信号通过与门得到开关逻辑信号S₄；

(5)将逻辑信号xc和逻辑信号S_c通过与门得到开关逻辑信号S₅，将逻辑信号xc通过非门得到的逻辑信号和逻辑信号S_c通过非门得到的逻辑信号通过与门得到开关逻辑信号S₆；

(6)将逻辑信号S_a和逻辑信号S_b通过异或门得到的逻辑信号再通过非门得到逻辑信号a，将逻辑信号S_b和逻辑信号S_c通过异或门得到的逻辑信号再通过非门得到逻辑信号b，将逻辑信号S_a和逻辑信号S_c通过异或门得到的逻辑信号再通过非门得到逻辑信号c，再将逻辑信号a和逻辑信号b以及逻辑信号c通过三输入与门得到的逻辑信号再通过非门得到逻辑信号g；

(7)将逻辑信号S_a和逻辑信号S_b通过与门得到逻辑信号d，将逻辑信号S_b和逻辑信号S_c通过与门得到逻辑信号e，将逻辑信号S_a和逻辑信号S_c通过与门得到逻辑信号f，再将逻辑信号d和逻辑信号e以及逻辑信号f通过三输入异或门得到逻辑信号h，将逻辑信号h通过非门得到逻辑信号i；

(8)将逻辑信号g和逻辑信号i通过与门得到开关逻辑信号S₇和开关逻辑信号S₈，将逻辑信号g和逻辑信号h通过与门得到开关逻辑信号S₉和开关逻辑信号S₁₀。

表1和表2为本发明提出的非隔离型光伏并网逆变器不同开关状态与寄生电容上的共模电压的关系，表1和表2所示的开关状态由图3中本发明的三相非隔离光伏并网逆变器开关控制方式提出的单载波调制方式实现，可保证图2中本发明提出的非隔离型光伏并网逆变器的寄生电容上的共模电压均保持恒定。例如表1中第二行所示，当逻辑信号xa、xb、xc分别为1、0、0时，逻辑信号S_a、S_b、S_c有两种情况：

第一种情况：当逻辑信号S_a、S_b、S_c分别为1、0、0时，对应的开关逻辑信号S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆分别为1、0、0、1、0、1，此时开关逻辑信号S₇、S₈均为1，开关逻辑信号S₉、S₁₀均为0，直流侧电源V₁连接逆变器，电源V₂被切断，此时的电路状态如图4所示，可计算得此时寄生电容C_PV2上的共模电压可计算得根据可得寄生电容C_PV1上的共模电压为

第二种情况，当逻辑信号S_a、S_b、S_c全为0或全为1时，此时，开关逻辑信号S₇、S₈、S₉、S₁₀均为0，直流侧电源V₁和V₂均被切断，逆变器侧处于续流状态，此时的直流侧电路状态如图5所示，直流侧由于没有了电流通路，使得寄生电容C_PV1和C_PV2上的共模电压均保持不变，即

再例如表2中第二行所示，当逻辑信号xa、xb、xc分别为1、1、0时，逻辑信号S_a、S_b、S_c也有两种情况：

第一种情况：当逻辑信号S_a、S_b、S_c分别为1、1、0时，对应的开关逻辑信号S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆分别为1、0、1、0、0、1，此时开关逻辑信号S₇、S₈均为0，开关逻辑信号S₉、S₁₀均为1，直流侧电源V₁被切断，电源V₂连接逆变器，此时的电路状态如图6所示，可计算得V_AN2＝V_BN2＝V₂，此时寄生电容C_PV4上的共模电压可计算得根据可得寄生电容C_PV3上的共模电压为

第二种情况，当逻辑信号S_a、S_b、S_c全为0或全为1时，此时开关逻辑信号S₇、S₈、S₉、S₁₀均为0，直流侧电源V₁和V₂均被切断，逆变器侧处于续流状态，此时的直流侧电路状态如图5所示，直流侧由于没有了电流通路，使得寄生电容C_PV3和C_PV4上的共模电压均保持不变，即

同理，可得表1和表2中其他开关状态与四个寄生电容上的共模电压的关系，最终四个寄生电容C_PV1、C_PV2、C_PV3、C_PV4上的共模电压均恒定，即

综上所述，根据图3中本发明的三相非隔离光伏并网逆变器开关控制方式提出的单载波调制方式可使得图2中本发明提出的非隔离型光伏并网逆变器的寄生电容上的共模电压均保持恒定。

表1

表2

Claims (1)

1.一种三相非隔离光伏并网逆变器的控制方法，一种三相非隔离光伏并网逆变器的构成是由十个开关管、六个二极管和九个电感组成，其特征在于：直流母线的P₁端与第七开关S₇的集电极连接，直流母线的N₁端与第八开关S₈的发射极连接，第八开关S₈的集电极分别与第二开关S₂、第四开关S₄、第六开关S₆的发射极和第一二级管D₁、第三二极管D₃、第五二极管D₅的阳极连接，直流母线的P₂端与第九开关S₉的集电极连接，第九开关S₉的发射极与第七开关S₇的发射极连接，直流母线的N₂端与第十开关S₁₀的发射极连接，第十开关S₁₀的集电极与第八开关S₈的集电极连接，第七开关S₇的发射极分别与第一开关S₁、第三开关S₃、第五开关S₅的集电极和第二二极管D₂、第四二极管D₄、第六二极管D₆的阴极连接，第一开关S₁的发射极与第一二级管D₁的阴极连接，同时经过第一电感L₁和第七电感L_a与电网连接；第二开关S₂的集电极与第二二极管D₂的阳极连接，同时经过第二电感L₂和第七电感L_a与电网连接；第三开关S₃的发射极与第三二极管D₃的阴极连接，同时经过第三电感L₃和第八电感L_b与电网连接；第四开关S₄的集电极与第四二极管D₄的阳极连接，同时经过第四电感L₄和第八电感L_b与电网连接；第五开关S₅的发射极与第五二极管D₅的阴极连接，同时经过第五电感L₅和第九电感L_c与电网连接；第六开关S₆的集电极与第六二极管D₆的阳极连接，同时经过第六电感L₆和第九电感L_c与电网连接；

其特征在于：该控制方法具体包括下列步骤：

(1)首先，三相非隔离光伏逆变器三相调制波v_a、v_b、v_c分别与载波通过比较器比较后得到逻辑信号S_a、S_b、S_c；

(2)将三相电网电压信号u_a、u_b、u_c分别进行过零比较得到逻辑信号xa、xb、xc；

(3)将逻辑信号xa和逻辑信号S_a通过与门得到开关逻辑信号S₁，将逻辑信号xa通过非门得到的逻辑信号和逻辑信号S_a通过非门得到的逻辑信号通过与门得到开关逻辑信号S₂；

(4)将逻辑信号xb和逻辑信号S_b通过与门得到开关逻辑信号S₃，将逻辑信号xb通过非门得到的逻辑信号和逻辑信号S_b通过非门得到的逻辑信号通过与门得到开关逻辑信号S₄；

(5)将逻辑信号xc和逻辑信号S_c通过与门得到开关逻辑信号S₅，将逻辑信号xc通过非门得到的逻辑信号和逻辑信号S_c通过非门得到的逻辑信号通过与门得到开关逻辑信号S₆；

(6)将逻辑信号S_a和逻辑信号S_b通过异或门得到的逻辑信号再通过非门得到逻辑信号a，将逻辑信号S_b和逻辑信号S_c通过异或门得到的逻辑信号再通过非门得到逻辑信号b，将逻辑信号S_a和逻辑信号S_c通过异或门得到的逻辑信号再通过非门得到逻辑信号c，再将逻辑信号a、逻辑信号b和逻辑信号c通过三输入与门得到的逻辑信号再通过非门得到逻辑信号g；

(7)将逻辑信号S_a和逻辑信号S_b通过与门得到逻辑信号d，将逻辑信号S_b和逻辑信号S_c通过与门得到逻辑信号e，将逻辑信号S_a和逻辑信号S_c通过与门得到逻辑信号f，再将逻辑信号d、逻辑信号e和逻辑信号f通过三输入异或门得到逻辑信号h，将逻辑信号h通过非门得到逻辑信号i；

(8)将逻辑信号g和逻辑信号i通过与门得到开关逻辑信号S₇和开关逻辑信号S₈，将逻辑信号g和逻辑信号h通过与门得到开关逻辑信号S₉和开关逻辑信号S₁₀。