CN104065293A - 一种电压混合钳位的无变压器型单相光伏逆变器 - Google Patents

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李武华
胡森军
罗皓泽
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Abstract

本发明公开了一种电压混合钳位的无变压器型单相光伏逆变器，包括储能分压单元、功率逆变单元、混合钳位单元和滤波单元。本发明逆变器工作时，由五个带反并二极管的功率开关协调动作，辅以六个二极管，使得逆变器输出零电平时，交流侧进行续流，并且将其共模电压钳位到直流输入电压的二分之一，从而确保整个周期内共模电压恒定，进而实现共模电流的完全消除，且所需要的母线电压仅为半桥型电路的一半。同时本发明采用单极性脉冲宽度调制，输出电流纹波小，减小了滤波器的体积和质量，同时降低了磁性元件上的损耗；开关周期内开关动作次数少，降低了开关损耗，因此本发明逆变器的输出效率高，可以获得高达98％的逆变效率。

Description

一种电压混合钳位的无变压器型单相光伏逆变器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种电压混合钳位的无变压器型单相光伏逆变器。
背景技术
如今，能源枯竭与环境污染问题日益严重，各种新能源的开发利用愈来愈受到重视。太阳能作为当前最为清洁、最有大规模开发利用前景的可再生能源之一，其光伏利用受到了世界各国的普遍关注。而太阳能光伏发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势，在未来将得到越来越迅速的发展。
逆变器作为光伏发电系统中最末一级或唯一一级能量变换装置，其效率与安全性能将直接影响整个系统的性能和投资。根据逆变器中的变压器配置情况，可以将现有的逆变器分为带工频变压器型逆变器、带高频变压器型逆变器和无变压器型逆变器。带工频变压器或高频变压器的逆变器均可以实现升压和隔离的功能，但是带工频变压器型逆变器存在体积和重量变大、价格高且安装不便的问题；带高频变压器型逆变器虽然体积和重量大大减小，但多级式的结构导致系统结构复杂，整体效率降低。而无变压器型逆变器由于其系统结构简单、效率高、体积小、成本低等优点，得到了越来越多的重视。
在无变压器型光伏并网系统中，由于失去了变压器的电气隔离，光伏电池阵列与大地之间的寄生电容、光伏并网逆变器以及大地之间就会形成如图1所示共模回路。资料显示，晶硅光伏电池的平板结构与大地之间存在寄生电容约为50-150nF/kWp，其容值远大于功率器件的对地寄生电容。因此，如果系统的共模电压中存在高频脉动，那么共模回路中就会产生较大的共模漏电流。该共模漏电流不仅会引起严重的EMI问题，同时还会降低并网电流品质，并且给光伏电池维护人员的人身安全带来隐患。因此，在无变压器型并网逆变器中，必须解决高频共模电流问题。
在现有已公开的技术中，半桥逆变电路和中点钳位电路将电网的一端直接钳位至直流母线电压的中点，使得光伏电池的寄生电容两端电压恒定，从而抑制了共模电流的产生。但是上述两种方案中所需要的直流母线电压是普通全桥所需母线电压的两倍，因此，在直流输入电压较低的场合下，这两种方案必须通过升压电路升压来提升母线电压。前级升压电路的使用不仅增加了系统的成本，同时也降低了逆变器的整体转换效率。
公开号为EP2086102A2的欧洲专利公开了一种高效的无共模电流型拓扑结构(HERIC)，该方案所需输入电压为半桥型逆变电路的一半，因此在很多场合下，无需额外的升压电路对母线进行升压。该方案在普通全桥拓扑的基础上，在交流侧增加了两个开关器件。在直流侧向交流侧传输能量阶段，该电路的工作与全桥单极性电路相同，系统的共模电压为输入电压的一半；在交流侧电感续流阶段，HERIC结构的交流侧开关管导通，保证了系统输出零电平的同时，实现了直流侧与交流侧的解耦，此时系统的共模电压在理想情况下保持在输入电压的一半。因此，该电路的共模电压不存在高频扰动，进而抑制了系统的共模漏电流。但在实际工况下，由于直流侧与交流侧电路解耦时，交流侧的电压相对于直流侧处于悬浮状态，而并非恒定在直流输入电压的一半，考虑电路中的寄生参数：如开关管输出结电容，引线电感等分布参数等，上述参数与共模回路中的电感、电容发生高频谐振，引起系统的共模回路中的高频共模电流。因此，该技术无法实现高频共模电流的完全消除。
公开号为EP1626494A2的欧洲专利公开了另一种具有漏电流抑制能力的H5拓扑结构，该结构在全桥电路的直流侧增加了功率开关，从而确保并网电感续流阶段的直流侧与交流侧的解耦。该电路与HERIC电路类似，无法完全消除共模漏电流。此外，其电路结构不对称，5个开关晶体管工作时长不相等，导致开关器件发热不均衡，器件散热设计要求较高；在能量传递阶段，有三个功率器件处于导通状态(HERIC拓扑中为2个)，降低了逆变器的整体效率。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种电压混合钳位的无变压器型单相光伏逆变器，能够有效消除高频共模电流且转换效率高。
一种电压混合钳位的无变压器型单相光伏逆变器，包括：
储能分压单元，用于对输入的光伏直流电压进行储能并分压；
功率逆变单元，用于将所述的光伏直流电压转换为三电平直流电压；
混合钳位单元，用于在功率逆变单元输出零电平时，对逆变器交流侧进行续流，并将续流中点电压钳位至光伏直流电压的二分之一；
滤波单元，用于对所述的三电平直流电压进行低通滤波，从而输出正弦交流电压。
所述的储能分压单元包括两个输入电容Cdc1～Cdc2；其中，输入电容Cdc1的正极与光伏直流源的正极相连，输入电容Cdc1的负极与输入电容Cdc2的正极相连，输入电容Cdc2的负极与光伏直流源的负极相连。
所述的输入电容Cdc1和Cdc2均由一个电解电容组成或由多个电解电容串并联组成。
所述的功率逆变单元采用单相全桥逆变结构，其包括四个带反并二极管的功率开关管S1～S4；其中，功率开关管S1的一端与功率开关管S3的一端相连并接光伏直流源的正极，功率开关管S2的一端与功率开关管S4的一端相连并接光伏直流源的负极，功率开关管S1的另一端与功率开关管S2的另一端相连作为功率逆变单元的第一电压输出端，功率开关管S3的另一端与功率开关管S4的另一端相连作为功率逆变单元的第二电压输出端；四个功率开关管S1～S4均接收外部设备提供的开关控制信号。
所述的混合钳位单元包括一个功率开关管S5和六个二极管D1～D6；其中，功率开关管S5的一端与二极管D2、D4和D6的阴极相连，功率开关管的另一端与二极管D1、D3和D5的阳极相连，二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连并接功率逆变单元的第一电压输出端，二极管D3的阴极与二极管D4的阳极相连并接功率逆变单元的第二电压输出端，二极管D5的阴极与二极管D6的阳极和储能分压单元相连以提取二分之一的光伏直流电压；功率开关管S5接收外部设备提供的开关控制信号。
所述的功率开关管均采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。
所述的滤波单元采用对称型电感滤波器或对称型LCL(电感-电容-电感)滤波器。
所述的对称型电感滤波器包括两个滤波电感L1～L2；其中，滤波电感L1的一端与功率逆变单元的第一电压输出端相连，滤波电感L2的一端与功率逆变单元的第二电压输出端相连，滤波电感L1和L2的另一端输出所述的正弦交流电压。
所述的对称型LCL滤波器包括两个滤波电感L1～L2和一个滤波电容C；其中，滤波电感L1的一端与功率逆变单元的第一电压输出端相连，滤波电感L2的一端与功率逆变单元的第二电压输出端相连，滤波电感L1和L2的另一端分别与滤波电容C的两端相连且输出所述的正弦交流电压。
本发明单相光伏逆变器的调制方式采用单极性脉冲宽度调制，在工频正半周期，功率开关管S1与S4同步高频动作，功率开关管S2、S3保持断开，功率开关管S5与S1互补高频动作。在工频负半周期，功率开关管S2与S3同步高频动作，功率开关管S1、S4保持断开，功率开关管S5与S2互补高频动作。
本发明单相光伏逆变器工作时，由五个带反并二极管的功率开关协调动作，辅以六个二极管，使得逆变器输出零电平时，交流侧进行续流，并且通过混合钳位将其共模电压钳位到直流输入电压的二分之一，从而确保整个周期内共模电压恒定，进而实现共模电流的完全消除，且所需要的母线电压仅为半桥型电路的一半。同时本发明采用单极性脉冲宽度调制，输出电流纹波小，减小了滤波器的体积和质量，同时降低了磁性元件上的损耗；开关周期内开关动作次数少，降低了开关损耗，因此本发明逆变器的输出效率高，可以获得高达98％的逆变效率。
附图说明
图1为无变压器型光伏系统中的共模回路示意图。
图2为本发明单相光伏逆变器的拓扑结构示意图。
图3为本发明采用单极性脉冲宽度调制方式各开关控制信号的波形示意图。
图4(a)～(d)分别为本发明单相光伏逆变器4种工作模式的原理示意图。
图5为本发明单相光伏逆变器与HERIC逆变器的共模电流对比波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图2所示，一种电压混合钳位的无变压器型单相光伏逆变器，包括：储能分压单元、功率逆变单元、混合钳位单元和滤波单元。其中：
储能分压单元用于储能及对输入的光伏直流电进行分压，以提取光伏直流输出的中点电压；本实施方式中，其包括第一输入电容Cdc1，第二输入电容Cdc2。其中，第一输入电容Cdc1的正极与输入直流端的正极相连，第二输入电容Cdc2的负极与输入直流端的负极相连，第一输入电容Cdc1的负极与第二输入电容Cdc2的正极相连形成储能分压单元的电压中点。
功率逆变单元用于将光伏直流电转换为三电平直流电压；本实施方式中，其包括第一功率开关管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。其中，第一功率开关管S1的漏极、第三功率开关管S3的漏极与输入直流端的正极相连；第二功率开关管S2的源极、第四功率开关管S4的源极与输入直流端的负极相连；第一功率开关管S1的源极与第二功率开关管S2的漏极相连形成功率逆变单元的第一输出电压端；第三功率开关管S3的源极与第四功率开关管S4的漏极相连形成功率逆变单元的第二输出电压端。四个功率开关管S1～S4的控制极均接收外部设备提供的开关控制信号。
混合钳位单元用于在功率逆变单元输出零电平时，对交流侧进行续流，并将续流中点电压钳位至光伏直流输出的中点电压；本实施方式中，其包括一个功率开关管S5和六个二极管D1～D6，二极管D2、D4和D6的阴极均与功率开关管S5的一端相连，二极管D1、D3和D5的阳极均与功率开关管的另一端相连，二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连并接功率逆变单元的第一电压输出端，二极管D3的阴极与二极管D4的阳极相连并接功率逆变单元的第二电压输出端，二极管D5的阴极与二极管D6的阳极相连并接储能分压单元的中点电压端口；功率开关管S5接收外部设备提供的开关控制信号。
滤波单元用于对三电平直流电压进行低通滤波，从而输出正弦交流电压；本实施方式中，其采用交流输出滤波器F。其中，滤波器F的第一输入端与功率逆变单元的第一输出电压端相连，滤波器F的第二输入端与功率逆变单元的第二输出电压端相连，滤波器F的第一、第二输出端与交流电网两端相连。
本实施方式中第一功率开关S1由第一开关晶体管T1和第一反并二极管DT1并联而成，第二功率开关S2由第二开关晶体管T2和第二反并二极管DT2并联而成，第三功率开关S3由第三开关晶体管T3和第三反并二极管DT3并联而成，第四功率开关S4由第四开关晶体管T4和第四反并二极管DT4并联而成，第五功率开关S5由第五开关晶体管T5和第五反并二极管DT5并联而成；开关晶体管与反并二极管的并联方式为：开关晶体管的漏极或集电极与反并二极管的阴极相连构成功率开关的漏极，开关晶体管的源极或发射极与反并二极管的阳极相连构成功率开关的源级。
本实施方式中的输入电容均采用电解电容，功率开关管采用IGBT管，滤波器采用对称电感L1和L2，调制方式为单极性脉冲宽度调制。
图3为本发明采用单极性脉冲宽度调制方式的波形示意图。在工频正半周期，第一开关晶体管T1与第四开关晶体管T4同步高频动作，第二开关晶体管T2、第三开关晶体管T3、第五开关晶体管T5与第一开关晶体管T1互补高频动作。在工频负半周期，第二开关晶体管T2与第三开关晶体管T3同步高频动作，第一开关晶体管T1、第四开关晶体管T4保持断开，第五开关晶体管T5与第二开关晶体管T2互补高频动作。
本实施方式逆变器在整个工作过程中，主要存在如图4(a)～(d)所示的4种工作模态。在工作模态1时，电流依次流过第一开关晶体管T1、滤波电感L1、电网、滤波电感L2、第四开关晶体管T4，逆变器输出正电压。在工作模态2时，电流依次流过滤波电感L1、电网、滤波电感L2、二极管D4、第五开关晶体管T5、二极管D1，逆变器输出零电压。在工作模态3时，电流依次流过第三开关晶体管T3、滤波电感L2、电网、滤波电感L1、第二开关晶体管T2，逆变器输出负电压。在工作模态4时，电流依次流过滤波电感L2、电网、滤波电感L1、二极管D2、第五开关晶体管T5、二极管D3，逆变器输出零电压。在工作模态1、3中，VCM＝(VAN+VBN)/2＝VDC/2。在工作模态2、4中，第一开关晶体管T1和第一反并二极管D1、第二开关晶体管T2和第二反并二极管D2、第三开关晶体管T3和第三反并二极管D3、第四开关晶体管T4和第四反并二极管D4均关断。VAN、VBN均被二极管D5或D6钳位到电容中点电压，所以(VAN+VBN)/2＝VDC/2。故整个过程中共模电压为恒定值，从而保证共模电流的有效抑制。
将本实施方式下的单相逆变器在一个输入为400V、2kW的功率平台进行了实验验证。本实施方式逆变器与HERIC逆变器的漏电流实验对比波形如图5所示，实验数据说明本发明的电压混合钳位式无变压器型单相逆变器的漏电流抑制效果优于HERIC逆变器，同时本发明的单相逆变器的实验效率高达98％。
上述实验结果表明，本发明逆变器具有可靠的共模电流抑制能力以及极高的能量转换效率，非常适用于无变压器型单相光伏并网逆变系统中。

Claims (9)

1.一种电压混合钳位的无变压器型单相光伏逆变器，其特征在于，包括：
储能分压单元，用于对输入的光伏直流电压进行储能并分压；
功率逆变单元，用于将所述的光伏直流电压转换为三电平直流电压；
混合钳位单元，用于在功率逆变单元输出零电平时，对逆变器交流侧进行续流，并将续流中点电压钳位至光伏直流电压的二分之一；
滤波单元，用于对所述的三电平直流电压进行低通滤波，从而输出正弦交流电压。
2.根据权利要求1所述的无变压器型单相光伏逆变器，其特征在于：所述的储能分压单元包括两个输入电容Cdc1～Cdc2；其中，输入电容Cdc1的正极与光伏直流源的正极相连，输入电容Cdc1的负极与输入电容Cdc2的正极相连，输入电容Cdc2的负极与光伏直流源的负极相连。
3.根据权利要求2所述的无变压器型单相光伏逆变器，其特征在于：所述的输入电容Cdc1和Cdc2均由一个电解电容组成或由多个电解电容串并联组成。
4.根据权利要求1所述的无变压器型单相光伏逆变器，其特征在于：所述的功率逆变单元采用单相全桥逆变结构，其包括四个带反并二极管的功率开关管S1～S4；其中，功率开关管S1的一端与功率开关管S3的一端相连并接光伏直流源的正极，功率开关管S2的一端与功率开关管S4的一端相连并接光伏直流源的负极，功率开关管S1的另一端与功率开关管S2的另一端相连作为功率逆变单元的第一电压输出端，功率开关管S3的另一端与功率开关管S4的另一端相连作为功率逆变单元的第二电压输出端；四个功率开关管S1～S4均接收外部设备提供的开关控制信号。
5.根据权利要求1所述的无变压器型单相光伏逆变器，其特征在于：所述的混合钳位单元包括一个功率开关管S5和六个二极管D1～D6；其中，功率开关管S5的一端与二极管D2、D4和D6的阴极相连，功率开关管的另一端与二极管D1、D3和D5的阳极相连，二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连并接功率逆变单元的第一电压输出端，二极管D3的阴极与二极管D4的阳极相连并接功率逆变单元的第二电压输出端，二极管D5的阴极与二极管D6的阳极和储能分压单元相连以提取二分之一的光伏直流电压；功率开关管S5接收外部设备提供的开关控制信号。
6.根据权利要求4或5所述的无变压器型单相光伏逆变器，其特征在于：所述的功率开关管均采用IGBT。
7.根据权利要求1所述的无变压器型单相光伏逆变器，其特征在于：所述的滤波单元采用对称型电感滤波器或对称型LCL滤波器。
8.根据权利要求7所述的无变压器型单相光伏逆变器，其特征在于：所述的对称型电感滤波器包括两个滤波电感L1～L2；其中，滤波电感L1的一端与功率逆变单元的第一电压输出端相连，滤波电感L2的一端与功率逆变单元的第二电压输出端相连，滤波电感L1和L2的另一端输出所述的正弦交流电压。
9.根据权利要求7所述的无变压器型单相光伏逆变器，其特征在于：所述的对称型LCL滤波器包括两个滤波电感L1～L2和一个滤波电容C；其中，滤波电感L1的一端与功率逆变单元的第一电压输出端相连，滤波电感L2的一端与功率逆变单元的第二电压输出端相连，滤波电感L1和L2的另一端分别与滤波电容C的两端相连且输出所述的正弦交流电压。
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