CN104467501A

CN104467501A - 防直通中点箝位型单相非隔离光伏逆变器拓扑

Info

Publication number: CN104467501A
Application number: CN201410851946.9A
Authority: CN
Inventors: 惠晶; 童鑫; 吴雷
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-12-31
Also published as: CN104467501B

Abstract

本发明公开了一种高效、高可靠性的防直通中点箝位型单相非隔离光伏逆变器拓扑结构，该拓扑利用相互独立的2只耦合电感隔离并网输出电压的正负半波，在直流侧正负端引入对称分压电容组来实现全桥逆变器器续流阶段时续流回路电位的可靠钳位，从而在保证单极性 SPWM 全桥电路差模特性的前提下消除了高频脉动的共模电压。本发明的拓扑结构创新之处是：在逆变器每只开关管均串联隔离二极管，解决了传统电压型桥式逆变器存在同桥臂上下开关器件直通引起的短路事故，本拓扑不需设置换流“死区”切换时间，改善了交流侧输出波形质量，同时提高了逆变器电压利用效率。

Description

防直通中点箝位型单相非隔离光伏逆变器拓扑

技术领域

本发明涉及一种非隔离光伏逆变器的拓扑结构，具体是一种防直通中点箝位型单相非隔离光伏逆变器的主电路拓扑。

背景技术

非隔离型光伏并网逆变器较隔离型并网逆变器拥有效率高、体积小、重量轻和成本低等优势。由于光伏电池板对地寄生电容的存在，并网逆变器开关器件的高频开关脉冲电压会对MOSFET的寄生电容充放电，引发高频漏电流的传导和辐射干扰、使并网电流谐波及损耗增加，甚至危及设备和人员安全。

单极性SPWM全桥并网逆变器因优良的差模特性受到广泛关注，但产生了开关频率脉动的共模电压。为解决共模问题，往往在光伏并网逆变器输出端加隔离变压器，但高频脉动共模电压对变压器的绝缘强度构成威胁，同时提高了系统成本。为了既去除隔离变压器，又抑制共模干扰，解决漏电流产生的问题。近年来，各国学者提出了一些新的拓扑结构和控制策略，如Heric拓扑、FB-DCBP拓扑、H5拓扑等。经研究分析，这些拓扑虽能有效抑制漏电流的产生，但不同程度的存在桥臂直通问题，逆变器电流需经性能较差的MOSFET寄生体二极管反向续流，导致可靠性降低、产生附加时滞和开关损耗等问题。根据全桥电路高频共模等效模型，为了消除单极性 SPWM 调制产生的高频共模电压，必须使续流阶段的续流回路电位钳位在太阳能电池输入电压的一半，才能使共模电压完全消除，而并非简单地使电池板与电网脱离。

发明内容

本发明的目的是在完全抑制共模漏电流的基础上，解决桥臂直通的问题，提出了一种防直通中点箝位型单相非隔离光伏逆变器拓扑结构，实现了高效、高可靠、低成本的电能逆变。

按照本发明提供的技术方案，所述的单相非隔离光伏逆变器拓扑结构包括：太阳能电池的正极分别与输入电容C₁的正极、二极管D₁阴极、二极管D₂阴极、开关管S₃漏级、开关管S₄漏级相连；太阳能电池的负极分别与输入电容C₂的负极、开关管S₁源极、开关管S₂源极、二极管D₃阳极、二极管D₄阳极相连；开关管S₁的漏极与二极管D₁的阳极节点1相连；开关管S₂的漏极节点3与二极管D₂的阳极相连；开关管S₃的源极节点2与二极管D₃的阴极相连；开关管S₄的源极与二极管D₄的阴极节点4相连；开关管S₅漏极与节点1相连，开关管S₅源极与二极管D₅的阳极相连；二极管D₅的阴极节点6与二极管D₆的阳极相连；二极管D₆的阴极与节点4相连；开关管S₆漏极与节点3相连，开关管S₆源极与二极管D₈的阳极相连；二极管D₈的阴极节点7与二极管D₇的阳极相连；二极管D₇的阴极与节点2相连；输入电容C₁的负极节点5与节点6、节点7相连；耦合电感L₁的一组同名端分别与节点2和电阻R的一端相连，耦合电感L₁的另一组端口分别与节点3和电阻R的另一端相连；耦合电感L₂的一组同名端分别与节点1和电阻R的一端相连，耦合电感L₂的另一组端口分别与节点4和电阻R的另一端相连。

在电网电压正半波，开关管S₆常导通半个周期，开关管S₂、S₃以相同的高频驱动信号导通与关断。当开关管S₂、S₃处于导通状态时，桥臂输出电压U ₂₃=U _dc。当开关管S₂、S₃关断时，输出电流I_i要继续维持原方向流动，此时U ₂₃=0；续流阶段，节点2、节点3两点对地电压均被钳位到0.5U _dc。

对于电网电压负半波，开关管S₅常导通半个周期，开关管S₁、S₄以相同的高频驱动信号导通与关断。当开关管S₁、S₄处于导通状态时，桥臂输出电压U ₁₄=-U _dc。当开关管S₁、S₄关断时，I_i继续维持原方向流动，此时U ₁₄=0；续流阶段，节点1、节点4两点对地电压均被钳位到0.5U _dc。

其中U ₂₃为节点2和节点3之间的电压，U ₁₄为节点1和节点4之间的电压，U _dc为直流母线电压。

本发明的优点是：在桥臂输出仍为单极性调制波的同时，消除了共模输出电压的高频脉动。逆变器工作时，续流阶段的续流回路电位钳位在太阳能电池输入电压的一半，完全消除共模电压，且不经过性能较差的MOSFET体二极管，提高了变换效率。逆变器每只开关管均串联隔离二极管,同桥臂没有直通风险，在PWM开关换向和电网周期过零瞬间不需设置换流“死区”切换时间，使输出电流畸变显著减小，电压利用率提高。该拓扑结构适用于对效率和人身设备安全要求较高的光伏发电场合。

附图说明

图1是单相非隔离光伏逆变器主电路拓扑结构图。

图2是本发明的工作模式图，其中，

图2(a)是在电网电压正半波，开关管S2，S3导通时的电流状态；

图2(b)是在电网电压正半波，开关管S2，S3关断时的电流状态；

图2(c)是在电网电压负半波，开关管S1，S4导通时的电流状态；

图2(d)是在电网电压负半波，开关管S1，S4关断时的电流状态。

图3是本发明的驱动信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的电路拓扑结构包括：太阳能电池U _pv的正极分别与输入电容C₁的正极、二极管D₁阴极、二极管D₂阴极、开关管S₃漏级、开关管S₄漏级相连；太阳能电池U _pv的负极分别与输入电容C₂的负极、开关管S₁源极、开关管S₂源极、二极管D₃阳极、二极管D₄阳极相连；开关管S₁的漏极与二极管D₁的阳极节点1相连；开关管S₂的漏极节点3与二极管D₂的阳极相连；开关管S₃的源极节点2与二极管D₃的阴极相连；开关管S₄的源极与二极管D₄的阴极节点4相连；开关管S₅漏极与节点1相连，开关管S₅源极与二极管D₅的阳极相连；二极管D₅的阴极节点6与二极管D₆的阳极相连；二极管D₆的阴极与节点4相连；开关管S₆漏极与节点3相连，开关管S₆源极与二极管D₈的阳极相连；二极管D₈的阴极节点7与二极管D₇的阳极相连；二极管D₇的阴极与节点2相连；输入电容C₁的负极节点5与节点6、节点7相连；耦合电感L₁的一组同名端分别与节点2和电阻R的一端相连，耦合电感L₁的另一组端口分别与节点3和电阻R的另一端相连；耦合电感L₂的一组同名端分别与节点1和电阻R的一端相连，耦合电感L₂的另一组端口分别与节点4和电阻R的另一端相连。

如图3所示，给出了本发明在一种控制方案中的控制时序图，图中从上至下波形分别为：开关管S₂和开关管S₃的栅源电压波形V _gs2和V _gs3；开关管S₁和开关管S₄的栅源电压波形V _gs1和V _gs4；开关管S₆的栅源电压波形V _gs6；开关管S₅的栅源电压波形V _gs5。在电网正半波，开关管S₂和S₃运行在SPWM模式，S₆始终导通。门极信号G₁，G₄和G₅给低电平，开关管S₁，S₄和S₅关断。在电网负半波，开关管S₁和S₄运行在SPWM模式，S₅始终导通。门极信号G₂，G₃和G₆给低电平，S₂，S₃和S₆关断。

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2所示。以下介绍各工作模态时逆变器的工作原理：

1)工作模态1，如图2(a)所示。在电网电压正半波，开关管S₆常导通半个周期，开关管S₂，S₃以相同的高频驱动信号导通与关断。

S₂，S₃处于导通状态时，电流依次流经S₃，耦合电感L₁，负载，S₂。此时，桥臂输出电压U ₂₃=U _dc，其中U ₂₃为节点2、3之间的电压，U _dc为的直流母线电压。

2)工作模态2，如图2(b)所示。在电网电压正半波，开关管S₂、S₃关断时，输出电流I_i要继续维持原方向流动，经开关管S₆，二极管D₈，D₇，耦合电感L₁和负载构成续流回路并维持电流。此时，U ₂₃=0。续流阶段，由于分压电容C₁，C₂的作用节点2、3两点对地电压均被钳位到0.5U _dc。

3)工作模态3，如图2(c)所示。对于电网电压负半波，开关管S₅常导通半个周期，开关管S₁，S₄以相同的高频驱动信号导通与关断。

开关管S₁，S₄处于导通状态时，电流依次流经开关管S₄，耦合电感L₂，负载，开关管S₁。此时，桥臂输出电压U ₁₄=-U _dc，其中U ₁₄为节点1、4之间的电压。

4)工作模态4，如图2(d)所示。在电网电压负半波，当开关管S₁，S₄关断时，I_i继续维持原方向流动，经开关管S₅，二极管D₅，D₆，耦合电感L₂和负载构成续流回路并维持电流。此时，U ₁₄=0。续流阶段，由于分压电容C₁，C₂的作用节点1、4两点对地电压均被钳位到0.5U _dc。

分析本发明的拓扑电路的共模电压可知，电网电压正半周，当开关管S₂，S₃导通时，节点2对直流地电压为输入电压U _dc，节点3对直流地电压为零。此阶段共模电压U _cm=0.5(U _dc+0)=0.5U _dc。

当开关管S₁，S₃关断时，开关管S₆，二极管D₇，D₈续流。由于加入了箝位支路，节点2、3两点对地电压被箝位至输入电压的一半，因此，节点2、3两点对地电压均为0.5U _dc。此阶段U _cm=0.5(0.5U _dc+0.5U _dc)=0.5U _dc。

电网电压负半波的共模电压分析与正半周期类似，均为0.5U _dc。由共模电流表达式I _cm=C _pvdU _cm/dt可知，C _pv为常数，U _cm在整个电网周期保持不变，因此共模电流I _cm为零，有效的抑制了共模电流。

Claims

1. 防直通中点箝位型单相非隔离光伏逆变器拓扑结构，其特征是，包括：太阳能电池的正极分别与输入电容C₁的正极、二极管D₁阴极、二极管D₂阴极、开关管S₃漏级、开关管S₄漏级相连；太阳能电池的负极分别与输入电容C₂的负极、开关管S₁源极、开关管S₂源极、二极管D₃阳极、二极管D₄阳极相连；开关管S₁的漏极与二极管D₁的阳极节点1相连；开关管S₂的漏极节点3与二极管D₂的阳极相连；开关管S₃的源极节点2与二极管D₃的阴极相连；开关管S₄的源极与二极管D₄的阴极节点4相连；开关管S₅漏极与节点1相连，开关管S₅源极与二极管D₅的阳极相连；二极管D₅的阴极节点6与二极管D₆的阳极相连；二极管D₆的阴极与节点4相连；开关管S₆漏极与节点3相连，开关管S₆源极与二极管D₈的阳极相连；二极管D₈的阴极节点7与二极管D₇的阳极相连；二极管D₇的阴极与节点2相连；输入电容C₁的负极节点5与节点6、节点7相连；耦合电感L₁的一组同名端分别与节点2和电阻R的一端相连，耦合电感L₁的另一组端口分别与节点3和电阻R的另一端相连；耦合电感L₂的一组同名端分别与节点1和电阻R的一端相连，耦合电感L₂的另一组端口分别与节点4和电阻R的另一端相连。

2.如权利要求1所述的防直通中点箝位型单相非隔离光伏逆变器拓扑结构，其特征是，在电网电压正半波，开关管S₆常导通半个周期，开关管S₂、S₃以相同的高频驱动信号导通与关断。

3.如权利要求2所述的防直通中点箝位型单相非隔离光伏逆变器拓扑结构，其特征是，当开关管S₂、S₃处于导通状态时，电流依次流经开关管S₃、耦合电感L₁、负载、开关管S₂；此时，桥臂输出电压U ₂₃=U _dc，其中U ₂₃为节点2和节点3之间的电压，U _dc为直流母线电压。

4.如权利要求2所述的防直通中点箝位型单相非隔离光伏逆变器拓扑结构，其特征是，当开关管S₂、S₃关断时，输出电流I_i要继续维持原方向流动，经开关管S₆、二极管D₈、二极管D₇、耦合电感L₁和负载构成续流回路并维持电流；此时，节点2和节点3之间的电压U ₂₃=0；续流阶段，由于分压电容C₁、C₂的作用，节点2、节点3两点对地电压均被钳位到0.5U _dc，U _dc为直流母线电压。

5.如权利要求1所述的防直通中点箝位型单相非隔离光伏逆变器拓扑结构，其特征是，对于电网电压负半波，开关管S₅常导通半个周期，开关管S₁、S₄以相同的高频驱动信号导通与关断。

6.如权利要求5所述的防直通中点箝位型单相非隔离光伏逆变器拓扑结构，其特征是，当开关管S₁、S₄处于导通状态时，电流依次流经开关管S₄、耦合电感L₂、负载、开关管S₁；此时，桥臂输出电压U ₁₄=-U _dc，其中U ₁₄为节点1和节点4之间的电压，U _dc为直流母线电压。

7.如权利要求5所述的防直通中点箝位型单相非隔离光伏逆变器拓扑结构，其特征是，当开关管S₁、S₄关断时，I_i继续维持原方向流动，经开关管S₅、二极管D₅、二极管D₆、耦合电感L₂和负载构成续流回路并维持电流；此时，节点1和节点4之间的电压U ₁₄=0；续流阶段，由于分压电容C₁、C₂的作用，节点1、节点4两点对地电压均被钳位到0.5U _dc，U _dc为直流母线电压。