CN104300821A - 带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器主电路拓扑 - Google Patents

带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器主电路拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器主电路拓扑，包括：一单相全桥逆变器、一箝位电容组、一续流箝位开关、一 LCL 滤波电路和一电阻，其中续流箝位开关由一单相不控整流桥和两个开关管组成，箝位电容组由两个输入电容组成。本发明的单相非隔离光伏逆变器通过在全桥逆变器的交流侧加入了一个续流箝位开关，该续流箝位开关可使逆变器续流电流不流经输入电源，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；而且续流箝位开关中的两个开关管的一端接到逆变器直流输入箝位电容的中点，使得续流阶段逆变器共模电压被有效箝位至直流输入电压的一半，改善逆变器的共模特性，从而消除光伏逆变器的共模漏电流，确保使用时的人身和设备安全。

Description

带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器主电路拓扑
技术领域
本发明涉及电力电子直流-交流变换技术领域，具体而言涉及一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器，适用于光伏发电场合。
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的不良影响，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急需要解决的问题。
发明内容
本发明旨在提出一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器，可消除共模漏电流，改善逆变器共模特性，且提高逆变器的变换效率。
本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。
为达成上述目的，本发明第一方面公开一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器，包括：一单相全桥逆变器、一箝位电容组、一续流箝位开关、一LCL滤波电路和一电阻，其中：
所述续流箝位开关由一单相不控整流桥和两个开关管组成；
所述箝位电容组由两个输入电容组成；
所述单相全桥逆变器由四个开关管组成；
所述单相不控整流桥由四个整流二极管组成；
所述LCL滤波电路由第一滤波电感、第二滤波电感和滤波电容组成；
所述单相全桥逆变器、箝位电容组、续流箝位开关、LCL滤波电路和电阻之间的连接如下：
所述第一输入电容的正极、第一开关管、第三开关管的漏极分别与一太阳能电池的正极相连；
所述第二输入电容的负极、第二开关管、第四开关管的源极分别与一太阳能电池的负极相连；
所述第一开关管的源极与第二开关管的漏极相连；第三开关管的源极与第四开关管的漏极相连；
逆变器交流侧采用前述的四个整流二极管组成单相不控整流桥，其中第一整流二极管和第二整流二极管共阴极，第三整流二极管和第四整流二极管共阳极，第一整流二极管的阳极与第三整流二极管的阴极相连，第二整流二极管的阳极与第四整流二极管的阴极相连；
第一开关管的源极和第二开关管的漏极的连接点分别与第一整流二极管的阳极、第三整流二极管的阴极和第一滤波电感的一端相连；第一滤波电感的另一端分别与滤波电容的一端和电阻的一端相连；
第三开关管的源极和第四开关管的漏极的连接点分别与第二整流二极管的阳极、第四整流二极管的阴极和第二滤波电感的一端相连；第二滤波电感的另一端分别与滤波电容的另一端和电阻的另一端相连；
第五开关管的漏极与单相不控整流桥的共阴极相连，其源极与第一输入电容的负极、第二输入电容的正极相连；
第六开关管的漏极与第一输入电容的负极、第二输入电容的正极相连，其源极与单相不控整流桥的共阳极相连。
由以上技术方案可知，本发明所提出的带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器，与现有技术相比，其显著效果在于：
通过在全桥逆变器的交流侧加入了一个续流箝位开关，该续流箝位开关可使逆变器续流电流不流经输入电源，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；而且将续流箝位开关中的两个开关管的一端接到逆变器直流输入电容的中点，使得续流阶段逆变器共模电压被有效箝位至直流输入电压的一半，改善逆变器的共模特性，从而消除光伏逆变器的共模漏电流，确保使用时的人身和设备安全。
附图说明
图1为本发明一实施方式带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的电路结构示意图。
图2a-2d分别为图1实施例带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的四个模态图。
图3为图1实施例带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的示例性驱动信号时序图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
如图1所示，根据本发明的较优实施例，一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器，包括：一单相全桥逆变器、一箝位电容组、一续流箝位开关、一LCL滤波电路和一电阻。
本实施例中，所述续流箝位开关由一单相不控整流桥和两个开关管（S 5、S 6）组成；
所述箝位电容组由两个输入电容（C dc1、C dc2）组成；
所述单相全桥逆变器由四个开关管（S 1 、S 2 、S 3 、S 4）组成；
所述单相不控整流桥由四个整流二极管（D 1，D 2，D 3，D 4）组成；
所述LCL滤波电路由第一滤波电感L f1、第二滤波电感L f2和滤波电容C f 组成；
所述单相全桥逆变器、箝位电容组、续流箝位开关、LCL滤波电路和电阻之间的连接如下：
所述第一输入电容C dc1的正极、以及所述单相全桥逆变器的第一开关管S 1、第三开关管S 3的漏极分别与一太阳能电池U PV的正极相连；
所述第二输入电容C dc2的负极、以及所述单相全桥逆变器的第二开关管S 2、第四开关管S 4的源极分别与一太阳能电池U PV的负极相连；
所述第一开关管S 1的源极与第二开关管S 2的漏极相连；第三开关管S 3的源极与第四开关管S 4的漏极相连；
逆变器交流侧采用前述的四个整流二极管（D 1，D 2，D 3，D 4）组成单相不控整流桥，其中第一整流二极管D 1和第二整流二极管D 2共阴极，第三整流二极管D 3和第四整流二极管D 4共阳极，第一整流二极管D 1的阳极与第三整流二极管D 3的阴极相连，第二整流二极管D 2的阳极与第四整流二极管D 4的阴极相连；
第一开关管S 1的源极和第二开关管S 2的漏极的连接点A分别与第一整流二极管D 1的阳极、第三整流二极管D 3的阴极和第一滤波电感L f1的一端相连；第一滤波电感L f1的另一端分别与滤波电容C f 的一端和电阻R的一端相连；
第三开关管S 3的源极和第四开关管S 4的漏极的连接点B分别与第二整流二极管D 2的阳极、第四整流二极管D 4的阴极和第二滤波电感L f2的一端相连；第二滤波电感L f2的另一端分别与滤波电容C f 的另一端和电阻R的另一端相连；
第五开关管的漏极与单相不控整流桥的共阴极相连，其源极与第一输入电容的负极、第二输入电容的正极相连；
第六开关管的漏极与第一输入电容的负极、第二输入电容的正极相连，其源极与单相不控整流桥的共阳极相连。
结合图1所示，本实施例提出的带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器，通过在全桥逆变器的交流侧加入了一个续流箝位开关（由单相不控整流桥和两个开关管S5、S6组成），该续流箝位开关可使逆变器续流电流不流经输入电源，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；而且将续流箝位开关中的两个开关管的一端接到逆变器直流输入电容的中点，使得续流阶段逆变器共模电压被有效箝位至直流输入电压的一半，改善逆变器的共模特性，从而消除光伏逆变器的共模漏电流，确保使用时的人身和设备安全。
作为一个示例性的实施方式，以电源输入电压360VDC、交流侧输出电压220VAC/50Hz、额定输出功率300W为例，根据此技术指标设计的电路参数如下：
1）由输入电压与整流二极管电压应力的关系、负载电流与整流二极管电流的关系以及考虑到整流二极管工作在高频场合，因此选取整流二极管（D 1，D 2，D 3，D 4）为超快恢复二极管，具体型号为MUR860，（反向峰值电压600V，正向平均电流8A）；
2）输入电容（C dc1、C dc2）均选取330μF/250V的电解电容；
3）由输入电压与六个开关管电压应力的关系以及负载电流与六个开关管电流的关系，开关管（S1、S 2、S 3、S 4、S5、S6）均选取型号为IRFP450的金属氧化物场效应管，（漏源电压Vdss为500V，漏极电流Id为14A）。
4）LCL滤波电路中，滤波电感（L f1、L f2）分别取值为3mH，滤波电容选取2μF/250V CBB电容；
5）由输出电压以及负载功率的大小，确定电阻R的阻值为160Ω。
如图3所示给出了带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制时序图，图中从上至下波形分别为：
第一开关管                                               的栅源电压波形；第二开关管的栅源电压波形；第三开关管的栅源电压波形；第四开关管的栅源电压波形；第五开关管的栅源电压波形；第六开关管的栅源电压波形。
本实施例的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2a-2d所示，分别对应 [，]、[，]、[，]和[，]四个时间段。图2a-2d中，虚线部分标出表明在对应的模态图中，相应的部件不导通或处于关断状态。
模态1：
如图2a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2b所示，在[，]阶段，开关管、、和的栅源电压为零，、、和处于关断状态；开关管和的栅源电压为高电平，和处于导通状态。电感电流续流，电流依次流经L f1，负载，L f2，D 2，，，D 3；续流阶段，太阳能电池板输出端与电网断开。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2c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2d所示，在[，]阶段，开关管、、和的栅源电压为零，、、和处于关断状态；开关管和的栅源电压为高电平，和处于导通状态。电感电流续流，电流依次流经L f2，负载，L f1，D 1，，，D 4。续流阶段，太阳能电池板输出端与电网断开。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，带续流箝位开关的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，开关管S 5、S 6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。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (2)

1.一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器主电路拓扑，其特征在于，包括：一单相全桥逆变器、一箝位电容组、一续流箝位开关、一LCL滤波电路和一电阻，其中:
所述续流箝位开关由一单相不控整流桥和两个开关管（S 5、S 6）组成；
所述箝位电容组由两个输入电容（C dc1、C dc2）组成；
所述单相全桥逆变器由四个开关管（S 1 、S 2 、S 3 、S 4）组成；
所述单相不控整流桥由四个整流二极管（D 1，D 2，D 3，D 4）组成；
所述LCL滤波电路由第一滤波电感（L f1）、第二滤波电感（L f2）和滤波电容（C f ）组成；
所述单相全桥逆变器、箝位电容组、续流箝位开关、LCL滤波电路和电阻之间的连接如下：
所述第一输入电容（C dc1）的正极、以及所述单相全桥逆变器的第一开关管（S 1）、第三开关管（S 3）的漏极分别与一太阳能电池（U PV）的正极相连；
所述第二输入电容（C dc2）的负极、以及所述单相全桥逆变器的第二开关管（S 2）、第四开关管（S 4）的源极分别与所述太阳能电池（U PV）的负极相连；
所述第一开关管（S 1）的源极与第二开关管（S 2）的漏极相连；第三开关管（S 3）的源极与第四开关管（S 4）的漏极相连；
逆变器交流侧采用前述的四个整流二极管（D 1，D 2，D 3，D 4）组成单相不控整流桥，其中第一整流二极管（D 1）和第二整流二极管（D 2）共阴极，第三整流二极管（D 3）和第四整流二极管（D 4）共阳极，第一整流二极管（D 1）的阳极与第三整流二极管（D 3）的阴极相连，第二整流二极管（D 2）的阳极与第四整流二极管（D 4）的阴极相连；
第一开关管（S 1）的源极和第二开关管（S 2）的漏极的连接点（A）分别与第一整流二极管（D 1）的阳极、第三整流二极管（D 3）的阴极和第一滤波电感（L f1）的一端相连；第一滤波电感（L f1）的另一端分别与滤波电容（C f ）的一端和电阻（R）的一端相连；
第三开关管（S 3）的源极和第四开关管（S 4）的漏极的连接点（B）分别与第二整流二极管（D 2）的阳极、第四整流二极管（D 4）的阴极和第二滤波电感（L f2）的一端相连；第二滤波电感（L f2）的另一端分别与滤波电容（C f ）的另一端和电阻（R）的另一端相连；
第五开关管（S 5）的漏极与单相不控整流桥的共阴极相连，其源极与第一输入电容（C dc1）的负极、第二输入电容（C dc2）的正极相连；
第六开关管（S 6）的漏极与第一输入电容（C dc1）的负极、第二输入电容（C dc2）的正极相连，其源极与单相不控整流桥的共阳极相连。
2.根据权利要求1所述的带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器，其特征在于，所述整流二极管（D 1，D 2，D 3，D 4）均选取型号为MUR860的超快恢复二极管；
所述两个输入电容（C dc1、C dc2）均选取330μF/250V的电解电容；
所述六个开关管（S1、S 2、S 3、S 4、S5、S6）均选取型号为IRFP450的金属氧化物场效应管；
所述LCL滤波电路中，两个滤波电感（L f1、L f2）的取值为3mH，所述滤波电容（C f ）选取2μF/250V 的CBB电容；
所述电阻（R）的阻值为160Ω。
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