CN104201924A - 带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器的控制方法 - Google Patents

带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器的控制方法 Download PDF

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马海啸
叶海云
聂勋
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Nanjing Post and Telecommunication University
Nanjing University of Posts and Telecommunications
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Abstract

本发明公开了一种带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器的控制方法。该控制方法是对带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器中的第一开关管S1和第四开关管S4采用两段式控制；对第二开关管S2和第三开关管S3也采用两段式控制；对第五开关管S5同样采用两段式控制。该控制方法可使开关管S1和S4只工作在正半周期，开关管S2和S3只工作在负半周期，减小了器件开关损耗。续流开关（由整流桥和一个开关管S5组成）可构成续流回路，使得续流阶段续流电流不流经电源，省去了能量回馈电源这个环节，提高了非隔离光伏逆变器的转换效率。

Description

带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器的控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器的控制方法，该控制方法有利于提高非隔离光伏逆变器的变换效率，改善逆变器的共模特性，消除共模漏电流，属于电力电子直流—交流变换范畴。 
背景技术
光伏并网逆变器要求效率高、成本低，能够承受光伏电池输出电压波动大等不良影响，而且其交流输出也要满足较高的电能质量。
按照逆变器是否带有隔离变压器可以分为隔离型和非隔离型。隔离型光伏逆变器实现了电网和电池板的电气隔离，保障了人身和设备安全。但其体积大，价格高，系统变换效率较低。非隔离光伏逆变器结构不含变压器，具有效率高、体积小、重量轻、成本低等诸多优势。
目前，非隔离光伏逆变器系统的最高效率可以达到98%以上。但是，变压器的移除使得输入输出之间存在电气连接，由于电池板对地电容的存在，逆变器工作时会产生共模漏电流，增大系统电磁干扰，影响进网电流的质量，危害人身和设备安全。
为了保证人身和设备安全，漏电流必须被抑制在一定的范围内。根据德国DIN VDE 0126-1-1标准，当对地漏电流瞬时值大于300mA时，光伏并网系统必须在0.3s内与电网断开。因此，在确定无共模漏电流的前提下，尽可能地提高光伏逆变器的效率、降低器件成本成为了目前光伏逆变器的研究热点之一。
为了提高非隔离光伏逆变器的变换效率，改善非隔离光伏逆变器的共模特性，本发明结合带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器的主电路拓扑，给出了其控制方法，充分发挥了带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器的特点，具有较好的实际应用价值。 
发明内容
带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器的控制方法，其特征在于：逆变器中的第一开关管(S 1)的栅源控制波形v gs1和第四开关管(S 4)的栅源控制波形v gs4相同，且栅源控制波形v gs1和v gs4在进网电流正半周期为SPWM波形、进网电流负半周期为零；第二开关管(S 2)的栅源控制波形v gs2和第三开关管(S 3)的栅源控制波形v gs3相同，且栅源控制波形v gs2和v gs3在进网电流正半周期为零、进网电流负半周期为SPWM波形。第五开关管S 5的栅源控制波形v gs5在进网电流正半周期与第一开关管（S 1）的栅源控制波形v gs1和第四开关管(S 4)的栅源控制波形v gs4互补，在进网电流负半周期与第二开关管（S 2）的栅源控制波形v gs2和第三开关管(S 3)栅源控制波形v gs3互补。
本发明的技术解决方案是：
首先生成一路正弦调制波和一路三角波，假设正弦调制波v r 的幅值为U r ，那么三角波的幅值U c 必须大于等于U r /2。其次对三角波进行处理，产生两路载波。具体处理方法是，将三角波加入正向直流偏置，偏置值为U c ，产生第一路三角载波v c1；将三角波先反向再加入负向直流偏置，偏置值为U c ，产生第二路三角载波v c2。最后将正弦调制波分别与第一路三角载波和第二路三角载波进行交截。其中与第一路三角载波交截产生第一开关管(S 1)的栅源控制波形v gs1和第四开关管(S 4)的栅源控制波形v gs4。与第二路三角载波交截产生第二开关管(S 2)的栅源控制波形v gs2和第三开关管(S 3)的栅源控制波形v gs3。第五开关管S 5的栅源控制波形v gs5由
v gs1和v gs2做或非运算得到。控制信号产生方法如附图1所示，图中从上至下波形分别为：调制波v r ，第一路三角载波v c1，第二路三角载波v c2，第一开关管S 1的栅源电压波形v gs1；第二开关管S 2的栅源电压波形v gs2；第三开关管S 3的栅源电压波形v gs3；第四开关管S 4的栅源电压波形v gs4；第五开关管S 5的栅源电压波形v gs5。
附图说明
图1控制信号产生方法；
图2带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器主电路拓扑；
图3带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器模态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示,给出了本发明控制时序图，图中从上至下波形分别为：调制波v r ，第一路三角载波v c1，第二路三角载波v c2，第一开关管S 1的栅源电压波形v gs1；第二开关管S 2的栅源电压波形v gs2；第三开关管S 3的栅源电压波形v gs3；第四开关管S 4的栅源电压波形v gs4；第五开关管S 5的栅源电压波形v gs5。
该非隔离光伏逆变器在一个逆变周期内可分为4种工作模态，如图3所示，分别对应 [                                               ，]、[，]、[，]和[，]四个时间段。以下简要介绍各工作模态时逆变器的工作原理：
模态1：
如图3(a)所示，在[，]阶段，开关管、的栅源电压为高电平，、处于导通状态；开关管、和的栅源电压为零，、和处于关断状态。电流从电源正极流出，流经、、负载、、，最后流回电源负极。此时V AQ= V PV，V BQ= 0，故逆变器桥臂中点电压V AB= V PV，共模电压V cm=(V AQ+V BQ)/2=0.5V PV。
模态2：
如图3(b)所示，在[，]阶段，开关管、、和的栅源电压为零，、、和处于关断状态；开关管的栅源电压为高电平，处于导通状态。电感电流续流，电流依次流经L f1，负载，L f2，D 2，S 5，D 3；续流阶段，太阳能电池板输出端与电网断开。当、的电位高于输入电压的二分之一时，二极管承受正向电压导通，、的电位被箝位至输入电压的一半。当、的电位低于输入电压的二分之一时，二极管承受正向电压导通，、的电位被箝位至输入电压的一半。整个续流阶段，V AQ= 0.5V PV，V BQ= 0.5V PV，故逆变器桥臂中点电压V AB=0，共模电压V cm=(V AQ+V BQ)/2=0.5V PV。
模态3：
如图3(c)所示，在[，]阶段，开关管、的栅源电压为高电平，、处于导通状态；开关管、和的栅源电压为零，、和处于关断状态。电流从电源正极流出，流经、、负载、、，最后流回电源负极。此时V AQ=0，V BQ= V PV，故逆变器桥臂中点电压V AB=-V PV，共模电压V cm=(V AQ+V BQ)/2=0.5V PV。
模态4：
如图3(d)所示，在[，]阶段，开关管、、和的栅源电压为零，、、和处于关断状态；开关管的栅源电压为高电平，处于导通状态。电感电流续流，电流依次流经L f2，负载，L f1，D 1，S 5，D 4。续流阶段，太阳能电池板输出端与电网断开。当、的电位高于输入电压的二分之一时，二极管承受正向电压导通，、的电位被箝位至输入电压的一半。当、的电位低于输入电压的二分之一时，二极管承受正向电压导通，、的电位被箝位至输入电压的一半。整个续流阶段，V AQ= 0.5V PV，V BQ= 0.5V PV，故逆变器桥臂中点电压V AB=0，共模电压V cm=(V AQ+V BQ)/2=0.5V PV。
由以上分析可知，带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器在使用合适的控制策略情况下，逆变器输出电压为三电平，与单极性调制的输出电压相同，有利于减小输出滤波器的体积和重量。由于逆变器续流阶段续流回路被箝位至输入电压的二分之一，逆变器的共模电压恒定。共模电压恒定可确保完全消除共模漏电流，降低了系统的电磁干扰，保证了人身和设备的安全。此外，开关S 5和整流桥构成了续流回路，从而使得续流阶段续流电流不流经电源，省去了能量回馈电源这个环节，提高了逆变器的变换效率。
综上所述，本发明解决了非隔离光伏逆变器不能完全消除共模漏电流、变换效率低等技术问题，具有一定的工程应用价值。

Claims (2)

1.带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器的控制方法，其特征在于：逆变器中的第一开关管(S 1)的栅源控制波形v gs1和第四开关管(S 4)的栅源控制波形v gs4相同，且栅源控制波形v gs1和v gs4在进网电流正半周期为SPWM波形、进网电流负半周期为零；第二开关管(S 2)的栅源控制波形v gs2和第三开关管(S 3)的栅源控制波形v gs3相同，且栅源控制波形v gs2和v gs3在进网电流正半周期为零、进网电流负半周期为SPWM波形，第五开关管S 5的栅源控制波形v gs5在进网电流正半周期与第一开关管（S 1）的栅源控制波形v gs1和第四开关管(S 4)的栅源控制波形v gs4互补，在进网电流负半周期与第二开关管（S 2）的栅源控制波形v gs2和第三开关管(S 3)栅源控制波形v gs3互补。
2.根据权利要求1所述带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器的控制方法，其特征在于：该带续流开关的中点箝位型单相非隔离光伏逆变器在一个逆变周期内分为四种工作模态，分别对应 [                                                ，]、[，]、[，]和[，]四个时间段。
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