CN105024404B - 一种新型单相光伏并网发电逆变电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型单相光伏并网发电逆变电路，包括光伏阵列PV，并联在所述光伏阵列PV的第一连接端和光伏阵列PV的第二连接端之间的滤波桥臂和功率控制桥臂，以及连接在所述功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的并网单元；所述滤波桥臂的输出端接地。本发明所述新型单相光伏并网发电逆变电路，可以克服现有技术中元器件损耗大、电能损耗大和电量转换效率低等缺陷，以实现元器件损耗小、电能损耗小和电量转换效率高的优点。

Description

一种新型单相光伏并网发电逆变电路

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，具体地，涉及一种新型单相光伏并网发电逆变电路。

背景技术

光伏阵列铺设的面积较大，光伏阵列与大地之间相当于平行板电容器，存在寄生电容，因此光伏并网逆变电路的功率器件高频开关动作时，可能在对地寄生电容上产生高频漏电流，容易造成人们受到电击的危险。

经典的半桥逆变器由一个电容桥臂和一个功率器件桥臂组成，其电容桥臂中点与电网零线直接相连，若电容桥臂的电容相等且容量足够大，则两个电容的电压一直相等，且等于光伏阵列输出电压的一半，一直保持不变，则半桥逆变器对地寄生电容上基本不产生漏电流。但是，经典的半桥逆变器是通过双极性调制方式实现并网的，功率器件开关损耗大，交流滤波电感损耗大，造成电路效率不够高，使得光伏阵列发电量不能充分流入电网。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在元器件损耗大、电能损耗大和电量转换效率低等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种新型单相光伏并网发电逆变电路，以实现元器件损耗小、电能损耗小和电量转换效率高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型单相光伏并网发电逆变电路，包括光伏阵列PV，并联在所述光伏阵列PV的第一连接端和光伏阵列PV的第二连接端之间的滤波桥臂和功率控制桥臂，以及连接在所述功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的并网单元；所述滤波桥臂的输出端接地。

进一步地，所述并网单元，包括依次连接在所述功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的交流滤波电感L1和交流电网AC，以及连接在所述功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的镜像功率控制模块。

进一步地，所述镜像功率控制模块，包括依次连接在所述功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的第三功率控制模块和第四功率控制模块。

进一步地，所述第三功率控制模块，包括配合连接的第三功率开关S3和第三反并联二极管D3；所述第四功率控制模块，包括配合连接的第四功率开关S4和第四反并联二极管D4。

进一步地，所述第三功率开关S3的集电极和第三反并联二极管D3的阴极，分别与功率控制桥臂的输出端连接；第三功率开关S3的发射极和第三反并联二极管D3的阳极，分别与第四功率开关S4的发射极和第四反并联二极管D4的阳极连接；第四功率开关S4的集电极和第四反并联二极管D4的阴极，分别与滤波桥臂的输出端连接；

所述第三功率开关S3的基极和第四功率开关S4的基极，分别作为控制端，与控制信号连接。

进一步地，所述滤波桥臂，包括依次连接在所述光伏阵列PV的第一连接端和光伏阵列PV的第二连接端之间的第一直流母线滤波电容C1和第二直流母线滤波电容C2，所述第一直流母线滤波电容C1和第二直流母线滤波电容C2的公共端为滤波桥臂的输出端。

进一步地，所述功率控制桥臂，包括依次连接在所述光伏阵列PV的第一连接端和光伏阵列PV的第二连接端之间的第一功率控制模块和第二功率控制模块，所述第一功率控制模块和第二功率控制模块的公共端为功率控制桥臂的输出端。

进一步地，所述第一功率控制模块，包括配合连接的第一功率开关S1和第一反并联二极管D1；所述第二功率控制模块，包括配合连接的第二功率开关S2和第二反并联二极管D2；所述第一功率开关S1和第二功率开关S2的公共端为功率控制桥臂的输出端。

进一步地，所述第一功率开关S1的集电极和第一反并联二极管D1的阴极，分别与光伏阵列PV的第一连接端连接；第一功率开关S1的发射极和第一反并联二极管D1的阳极，分别与第二功率开关S2的集电极和第二反并联二极管D2的阴极连接；第二功率开关S2的发射极和第二反并联二极管D2的阳极，分别与光伏阵列PV的第二连接端连接；

所述第一功率开关S1的基极和第二功率开关S2的基极，分别作为控制端，与控制信号连接；所述第一功率开关S1的发射极和第二功率开关S2的集电极的公共端为功率控制桥臂的输出端。

本发明各实施例的新型单相光伏并网发电逆变电路，由于包括光伏阵列PV，并联在所述光伏阵列PV的第一连接端和光伏阵列PV的第二连接端之间的滤波桥臂和功率控制桥臂，以及连接在所述功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的并网单元；所述滤波桥臂的输出端接地；从而可以克服现有技术中元器件损耗大、电能损耗大和电量转换效率低的缺陷，以实现元器件损耗小、电能损耗小和电量转换效率高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的新型单相光伏并网发电逆变电路的连接图；

图2为本发明中电网电压正半周期间，功率开关S1开通时光伏阵列所发电能注入电网的电流回路图；

图3为本发明中电网电压正半周期间，功率开关S1关断时续流回路图；

图4为本发明中电网电压负半周期间，功率开关S2开通时光伏阵列所发电能注入电网的电流回路图；

图5为本发明中电网电压负半周期间，功率开关S2关断时续流回路图；

图6为本发明中各个功率开关的控制波形图，其中，（a）为AC电网电压的控制波形图，（b）为功率开关S4控制信号的控制波形图，（c）为功率开关S3控制信号的控制波形图，（d）为功率开关S1控制信号的控制波形图，（e）为功率开关S2控制信号的控制波形图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

PV指光伏阵列，C1、C2为直流母线滤波电容，S1、S2、S3、S4为功率开关，D1为功率开关S1内部的反并联二极管，D2为功率开关S2内部的反并联二极管，D3为功率开关S3内部的反并联二极管，D4为功率开关S4内部的反并联二极管，L1为交流滤波电感，AC是交流电网，1是功率开关S1、S2组成的桥臂输出端，2是直流母线滤波电容C1、C2组成的桥臂输出端。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

为了解决现有技术中经典的半桥逆变器采用双极性调制所带来的问题，根据本发明实施例，如图1-图5所示，提供了一种新型单相光伏并网发电逆变电路，即采用单极性调制的新型单相光伏并网发电逆变电路。

本发明的技术方案，既可以减小对地寄生电容的漏电流，也可以实现高效的能量变换功能，提高系统的发电效率。

如图1所示，本发明技术方案采用的一种新型单相光伏并网发电逆变电路，包括光伏阵列PV，并联在光伏阵列PV的第一连接端和光伏阵列PV的第二连接端之间的滤波桥臂和功率控制桥臂，以及连接在功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的并网单元；滤波桥臂的输出端接地。

在上述实施例中，上述并网单元，包括依次连接在功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的交流滤波电感L1和交流电网AC，以及连接在功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的镜像功率控制模块。

这里，镜像功率控制模块，包括依次连接在功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的第三功率控制模块和第四功率控制模块。第三功率控制模块，包括配合连接的第三功率开关S3和第三反并联二极管D3；第四功率控制模块，包括配合连接的第四功率开关S4和第四反并联二极管D4。第三功率开关S3的集电极和第三反并联二极管D3的阴极，分别与功率控制桥臂的输出端连接；第三功率开关S3的发射极和第三反并联二极管D3的阳极，分别与第四功率开关S4的发射极和第四反并联二极管D4的阳极连接；第四功率开关S4的集电极和第四反并联二极管D4的阴极，分别与滤波桥臂的输出端连接；第三功率开关S3的基极和第四功率开关S4的基极，分别作为控制端，与控制信号连接。

在上述实施例中，滤波桥臂，包括依次连接在光伏阵列PV的第一连接端和光伏阵列PV的第二连接端之间的第一直流母线滤波电容C1和第二直流母线滤波电容C2，第一直流母线滤波电容C1和第二直流母线滤波电容C2的公共端为滤波桥臂的输出端。

在上述实施例中，功率控制桥臂，包括依次连接在光伏阵列PV的第一连接端和光伏阵列PV的第二连接端之间的第一功率控制模块和第二功率控制模块，第一功率控制模块和第二功率控制模块的公共端为功率控制桥臂的输出端。第一功率控制模块，包括配合连接的第一功率开关S1和第一反并联二极管D1；第二功率控制模块，包括配合连接的第二功率开关S2和第二反并联二极管D2；第一功率开关S1和第二功率开关S2的公共端为功率控制桥臂的输出端。第一功率开关S1的集电极和第一反并联二极管D1的阴极，分别与光伏阵列PV的第一连接端连接；第一功率开关S1的发射极和第一反并联二极管D1的阳极，分别与第二功率开关S2的集电极和第二反并联二极管D2的阴极连接；第二功率开关S2的发射极和第二反并联二极管D2的阳极，分别与光伏阵列PV的第二连接端连接；第一功率开关S1的基极和第二功率开关S2的基极，分别作为控制端，与控制信号连接；第一功率开关S1的发射极和第二功率开关S2的集电极的公共端为功率控制桥臂的输出端。

在该光伏逆变电路实现单位功率因数并网发电的条件下，本发明的工作原理是：

1）电网电压正半周时，功率开关S4一直导通，功率开关S2、S3一直关断，功率开关S1以正弦脉冲宽度调制（SPWM）方式进行高频开通与关断。

当功率开关S1开通时，电流流动方向如图2所示，光伏阵列产生的电能通过功率开关S1、交流滤波电感L1、直流母线滤波电容C2注入AC电网。此时2端和AC交流电网的零线相连，也与直流母线滤波电容C2的正端相连。1端与光伏阵列输出电压正端相连。产生对地寄生电容的漏电流对应的共模电压等于直流母线滤波电容C2上的电压，由于C1、C2容量很大，等于光伏阵列输出电压的一半，所以此时共模电压基本保持不变。当作用在对地寄生电容上的电压是直流电压时，则寄生电容上不会产生漏电流。

当功率开关S1关断时，电流流动方向如图3所示，交流滤波电感电流通过滤波电感L1、功率开关S4、二极管D3、AC交流电网进行续流，因此1端和2端的电压相等，都被箝位在光伏阵列输出电压的一半。所以此时共模电压也等于光伏阵列输出电压的一半。

由此可见，在电网电压正半周时，共模电压是不变的，等于光伏阵列输出电压的一半，于是基本不会产生对地寄生电容上的漏电流。同时可见，只有功率开关S1具有开关损耗，只有功率开关S4具有通态损耗，交流滤波电感L1仅承受0和光伏阵列输出电压的一半，所以整个电路的损耗很小，利于提高系统效率。

2）电网电压负半周时，功率开关S3一直导通，功率开关S1、S4一直关断，功率开关S2以SPWM方式进行开通与关断。

当功率开关S2开通时，电流流动方向如图4所示，光伏阵列产生的电能通过直流母线滤波电容C1、功率开关S2、滤波电感L1注入AC电网。此时2端和AC交流电网的零线相连，也与直流母线滤波电容C2的正端相连。1端与光伏阵列输出电压负端相连。产生对地寄生电容的漏电流对应的共模电压等于直流母线滤波电容C2上的电压，由于C1、C2容量很大，等于光伏阵列输出电压的一半，所以此时共模电压基本保持不变。当作用在对地寄生电容上的电压是直流电压时，则寄生电容上不会产生漏电流。

当功率开关S2关断时，电流流动方向如图5所示，交流滤波电感电流通过滤波电感L1、功率开关S3、二极管D4、AC交流电网进行续流，因此1端和2端的电压被箝位在光伏阵列输出电压的一半。

可见，在电网电压负半周时，共模电压也是不变的，也等于光伏阵列输出电压的一半。于是基本不会产生对地寄生电容上的漏电流。同时可见，只有功率开关S2具有开关损耗，只有功率开关S3具有通态损耗，交流滤波电感L1仅承受0和光伏阵列输出电压的一半，所以整个电路的损耗很小，利于提高系统效率。

图6是各个功率开关的控制波形图，在AC电网电压正半周，功率开关S4的控制信号一直为高电平，表示一直开通。功率开关S3和S2的控制信号一直为低电平，表示S3和S2都一直关断。功率开关S1的控制信号是正弦脉冲宽度脉冲信号，脉冲宽度两边窄、中间宽，高电平时表示S1开通，低电平时表示S1关断。

在AC电网电压负半周，功率开关S3的控制信号一直为高电平，表示一直开通。功率开关S4和S1的控制信号一直为低电平，表示S4和S1都一直关断。功率开关S2的控制信号是正弦脉冲宽度脉冲信号，脉冲宽度两边窄、中间宽，高电平时表示S2开通，低电平时表示S2关断。

综上，在整个电网周期内，采用单极性调制后，本发明的逆变电路对地寄生电容基本不会产生漏电流。在每半个电网周期内，只有1个功率开关具有开关损耗，只有1个功率开关具有通态损耗，交流滤波电感L1仅承受0和光伏阵列输出电压的一半，所以整个电路的损耗很小，系统效率高。

与现有技术相比，本发明的技术方案至少可以达到的有益效果是：实现了一种无变压器隔离的单相光伏并网逆变电路，采用单极性的调制方式可以提高电路的转换效率，实现了单位功率因数并网，最大限度地向电网注入有功功率，减小了对地寄生电容的漏电流，防止对人身造成电击危险。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种新型单相光伏并网发电逆变电路，其特征在于，包括光伏阵列PV，并联在所述光伏阵列PV的第一连接端和光伏阵列PV的第二连接端之间的滤波桥臂和功率控制桥臂，以及连接在所述功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的并网单元；所述滤波桥臂的输出端接地；

所述并网单元，包括依次连接在所述功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的交流滤波电感L1和交流电网AC，以及连接在所述功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的镜像功率控制模块；

所述滤波桥臂，包括依次连接在所述光伏阵列PV的第一连接端和光伏阵列PV的第二连接端之间的第一直流母线滤波电容C1和第二直流母线滤波电容C2，所述第一直流母线滤波电容C1和第二直流母线滤波电容C2的公共端为滤波桥臂的输出端；

所述功率控制桥臂，包括依次连接在所述光伏阵列PV的第一连接端和光伏阵列PV的第二连接端之间的第一功率控制模块和第二功率控制模块，所述第一功率控制模块和第二功率控制模块的公共端为功率控制桥臂的输出端；

所述镜像功率控制模块，包括依次连接在所述功率控制桥臂的输出端与滤波桥臂的输出端之间的第三功率控制模块和第四功率控制模块；

所述第三功率控制模块，包括配合连接的第三功率开关S3和第三反并联二极管D3；所述第四功率控制模块，包括配合连接的第四功率开关S4和第四反并联二极管D4；

所述第三功率开关S3的集电极和第三反并联二极管D3的阴极，分别与功率控制桥臂的输出端连接；第三功率开关S3的发射极和第三反并联二极管D3的阳极，分别与第四功率开关S4的发射极和第四反并联二极管D4的阳极连接；第四功率开关S4的集电极和第四反并联二极管D4的阴极，分别与滤波桥臂的输出端连接；

所述第三功率开关S3的基极和第四功率开关S4的基极，分别作为控制端，与控制信号连接；

所述第一功率控制模块，包括配合连接的第一功率开关S1和第一反并联二极管D1；所述第二功率控制模块，包括配合连接的第二功率开关S2和第二反并联二极管D2；所述第一功率开关S1和第二功率开关S2的公共端为功率控制桥臂的输出端；

所述第一功率开关S1的集电极和第一反并联二极管D1的阴极，分别与光伏阵列PV的第一连接端连接；第一功率开关S1的发射极和第一反并联二极管D1的阳极，分别与第二功率开关S2的集电极和第二反并联二极管D2的阴极连接；第二功率开关S2的发射极和第二反并联二极管D2的阳极，分别与光伏阵列PV的第二连接端连接；

所述第一功率开关S1的基极和第二功率开关S2的基极，分别作为控制端，与控制信号连接；所述第一功率开关S1的发射极和第二功率开关S2的集电极的公共端为功率控制桥臂的输出端；

在该光伏逆变电路实现单位功率因数并网发电的条件下，其工作原理是：

1)电网电压正半周时，第四功率开关S4一直导通，第二功率开关S2、第三功率开关S3一直关断，第一功率开关S1以正弦脉冲宽度调制(SPWM)方式进行高频开通与关断；

当第一功率开关S1开通时，光伏阵列PV产生的电能通过第一功率开关S1、交流滤波电感L1、直流母线滤波电容C2注入交流电网AC；此时滤波桥臂的输出端和交流电网AC的零线相连，也与直流母线滤波电容C2的正端相连；功率开关S1、S2组成的功率控制桥臂的输出端与光伏阵列PV输出电压正端相连；产生对地寄生电容的漏电流对应的共模电压等于直流母线滤波电容C2上的电压，由于C1、C2容量很大，等于光伏阵列PV输出电压的一半，所以此时共模电压基本保持不变；当作用在对地寄生电容上的电压是直流电压时，则对地寄生电容上不会产生漏电流；

当第一功率开关S1关断时，交流滤波电感电流通过交流滤波电感L1、第四功率开关S4、第三反并联二极管D3、交流电网AC进行续流，因此功率开关S1、S2组成的功率控制桥臂的输出端和滤波桥臂的输出端的电压相等，都被箝位在光伏阵列输出电压的一半；所以此时共模电压也等于光伏阵列PV输出电压的一半；

2)电网电压负半周时，第三功率开关S3一直导通，第一功率开关S1、第四功率开关S4一直关断，功率开关S2以SPWM方式进行开通与关断；

当第二功率开关S2开通时，光伏阵列PV产生的电能通过直流母线滤波电容C1、第二功率开关S2、交流滤波电感L1注入交流电网AC；此时滤波桥臂的输出端和交流电网AC的零线相连，也与直流母线滤波电容C2的正端相连；功率控制桥臂的输出端与光伏阵列PV输出电压负端相连；产生对地寄生电容的漏电流对应的共模电压等于直流母线滤波电容C2上的电压，由于C1、C2容量很大，等于光伏阵列PV输出电压的一半，所以此时共模电压基本保持不变；当作用在对地寄生电容上的电压是直流电压时，则对地寄生电容上不会产生漏电流；

当第二功率开关S2关断时，交流滤波电感电流通过交流滤波电感L1、第三功率开关S3、第四反并联二极管D4、交流电网AC进行续流，因此功率控制桥臂的输出端和滤波桥臂的输出端的电压被箝位在光伏阵列输出电压的一半。