CN105471300A - H5-d型非隔离光伏并网逆变器及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种H5-D型非隔离光伏并网逆变器及其调制方法，逆变器包括光伏电池，光伏电池的两端并联有输入滤波电容，光伏电池的两端与H5型逆变环节连接，输入滤波电容与H5型逆变环节之间还连接有中点钳位开关，H5型逆变环节通过滤波器与电网连接。本发明具有如下优点：由五个开关管和一个二极管构成，能够保证共模电压恒定，具有较好的共模电流抑制效果，在单极SPWM调制下其中两个开关管工作在工频状态，较大地降低了成本和损耗，且工作在高频的开关管不需要设置死区，有利于降低并网电流谐波含量。

Description

H5-D型非隔离光伏并网逆变器及其调制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电逆变领域，具体涉及一种H5-D型非隔离光伏并网逆变器及其调制方法。

背景技术

人类对环境问题的认识日益提升以及能源危机的步步逼近加快了对新能源的探索步伐及利用技术的发展，在此背景下，太阳能发电技术得到了迅速的发展。作为太阳能发电系统的核心装置光伏并网逆变器理所当然成为了关键技术，然而常用的带变压器隔离型光伏逆变器由于体积大、成本高、效率低等缺点在中小功率场合的适用度并不高。无变压器非隔离型光伏并网逆变器因其成本低、体积小、效率高等优点被广泛用于单相并网光伏发电系统。但是，由于系统没有电气隔离光伏阵列会通过对地寄生电容形成一个电流通路，从而产生共模电流，它会增加系统损耗，降低并网电流质量以及带来严重的电磁干扰问题和人身安全问题。

为解决光伏阵列对地电容产生的共模电流问题，近年来提出了一些特殊逆变器拓扑包括H5、HERIC和H6等，其中H5拓扑在抑制共模电流时，其续流期间存在电位不平衡问题，共模电压产生高频波动，降低了共模电流的抑制效果。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种H5-D型非隔离光伏并网逆变器。

本发明的第二个目的在于提出一种H5-D型非隔离光伏并网逆变器的调制方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种H5-D型非隔离光伏并网逆变器，包括光伏电池(PV)，光伏电池(PV)的两端并联有输入滤波电容(1)，光伏电池(PV)的两端与H5型逆变环节(3)连接，输入滤波电容(1)与H5型逆变环节(3)之间还连接有中点钳位开关(2)，H5型逆变环节(3)通过滤波器(4)与电网(V_grid)连接。

根据本发明实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器，由五个开关管和一个二极管构成，能够保证共模电压恒定，具有较好的共模电流抑制效果，在单极SPWM调制下其中两个开关管工作在工频状态，较大地降低了成本和损耗，且工作在高频的开关管不需要设置死区，有利于降低并网电流谐波含量。

另外，根据本发明上述实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述输入滤波电容(1)包括相互串联的第一滤波电容(C₁)和第二滤波电容(C₂)；所述H5型逆变环节(3)包括第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)和第五开关管(S₅)，第一开关管(S₁)和第三开关管(S₃)的漏极与光伏电池(PV)的正极连接，第二开关管(S₂)和第四开关管(S₄)的源极与第五开关管(S₅)的漏极连接，第五开关管的源极与光伏电池(PV)的负极连接，第一开关管(S₁)的源极与第二开关管(S₂)的漏极连接，第三开关管(S₃)的源极与第四开关管(S₄)的漏极连接；所述中点钳位开关(2)为二极管(VD₁)，二极管(VD₁)的正极与第二开关管(S₂)和第四开关管(S₄)的源极以及第五开关管(S₅)的漏极连接，二极管(VD₁)的负极与第一滤波电容(C₁)和第二滤波电容(C₂)的中点连接；所述滤波器(4)包括第一滤波电感(L₁)和第二滤波电感(L₂)，第一滤波电感(L₁)的一端与第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的漏极之间的节点连接，另一端与电网(V_grid)连接，第二滤波电感(L₂)的一端与第三开关管(S₃)的源极和第四开关管(S₄)的漏极之间的节点连接，另一端与电网(V_grid)连接。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种H5-D型非隔离光伏并网逆变器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：模态(t₀-t₁)：光伏电池(PV)向电网(V_grid)传输功率，第一开关管(S₁)、第四开关管(S₄)和第五开关管(S₅)开通，第二开关管(S₂)和第三开关管(S₃)断开；模态(t₁-t₂)：第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)和第五开关管(S₅)断开，第四开关管(S₄)开通；模态(t₂-t₃)：第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)和第五开关管(S₅)开通，第一开关管(S₁)和第四开关管(S₄)断开；模态(t₃-t₄)：第二开关管(S₂)开通，第一开关管(S₁)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)和第五开关管(S₅)断开；其中，模态(t₀-t₁)、模态(t₁-t₂)、模态(t₂-t₃)和模态(t₃-t₄)组成一个调制周期。

根据本发明实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器的调制方法，由五个开关管和一个二极管构成H5-D型非隔离光伏并网逆变器，能够保证共模电压恒定，具有较好的共模电流抑制效果，在单极SPWM调制下其中两个开关管工作在工频状态，较大地降低了成本和损耗，且工作在高频的开关管不需要设置死区，有利于降低并网电流谐波含量。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器的电路示意图；

图2是本发明一个实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器的调制方法示意图；

图3是本发明一个实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器的调制方法在一个周期内的调制示意图；

图4(a)-4(d)是本发明一个实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器在一个调制周期内的工作状态示意图；

图5(a)-5(b)是本发明一个实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器仿真结果波形示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的非隔离光伏并网逆变器。

图1是本发明一个实施例的非隔离光伏并网逆变器的电路示意图。请参考图1，本发明实施例的非隔离光伏并网逆变器包括光伏电池(PV)，光伏电池(PV)的两端并联有输入滤波电容(1)，光伏电池(PV)的两端与H5型逆变环节(3)连接，输入滤波电容(1)与H5型逆变环节(3)之间还连接有中点钳位开关(2)，H5型逆变环节(3)通过滤波器(4)与电网(V_grid)连接。

在本发明的一个实施例中，输入滤波电容(1)包括相互串联的第一滤波电容(C₁)和第二滤波电容(C₂)。

H5型逆变环节(3)包括第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)和第五开关管(S₅)，第一开关管的(S₁)和第三开关(S₃)的漏极与光伏电池(PV)的正极连接，第二开关管(S₂)和第四开关管(S₄)的源极与第五开关管(S₅)的漏极连接，第五开关管(S₅)的源极与光伏电池(PV)的负极连接，第一开关管(S₁)的源极与第二开关管(S₂)的漏极连接，第三开关管(S₃)的源极与第四开关管(S₄)的漏极连接。

中点钳位开关(2)为二极管(VD₁)，二极管(VD₁)的正极与第二开关管(S₂)和第四开关管(S₄)的源极以及第五开关管(S₅)的漏极连接，二极管(VD₁)的负极与第一滤波电容(C₁)和第二滤波电容(C₂)的中点连接。

滤波器(4)包括第一滤波电感(L₁)和第二滤波电感(L₂)，第一滤波电感(L₁)的一端与第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的漏极之间的节点连接，另一端与电网(V_grid)连接，第二滤波电感(L₂)的一端与第三开关管(S₃)的源极和第四开关管(S₄)的漏极之间的节点连接，另一端与电网(V_grid)连接。

具体地，本发明实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器，由5个MOSFET和一个二极管组成，相对于H5拓扑在结构上进行了变异，增加了一个二极管用于续流期间平衡变异桥臂两端点的电位，电容C1、C2容值相等。拓扑能够在整个调制过程中保持共模电压恒定，从而有效抑制共模电流的产生。其中第二开关管S2和第四开关管S₄工作在工频状态，第一开关管S₁、第三开关管S₃和第五开关管S₅工作在高频状态，两个工频管使成本更低，高频管不需要设置死区，一定程度上降低了并网电流谐波含量。

以下结合附图描述根据本发明实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器的调制方法。

图2是本发明一个实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器的调制方法示意图。请参考图2，本发明实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器采用单极SPWM调制方式，图中u_c为三角载波，u_g为调制波，通过改变调制波来得到MOSFET的驱动脉冲，可见第二开关管S₂和第四开关管S₄的开关频率和电网频率一致，为工频开关管，电网正半波期间的第一开关管S₁和第五开关管S₅及负半波期间的第三开关管S₃和第五开关管S₅工作在高频状态，且不需要设置死区，详细的工作模态及其共模电压计算如下所述。

图3是本发明一个实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器的调制方法在一个周期内的调制示意图，请参考图3。

模态(t₀-t₁)：光伏电池(PV)向电网(V_grid)传输功率，第一开关管(S₁)、第四开关管(S₄)和第五开关管(S₅)开通，第二开关管(S₂)和第三开关管(S₃)断开。

具体地，如图4(a)所示，电网电压处于正半周期，PV源向电网传输功率，变异桥臂端点电压v_AB＝v_pv。此模态期间第一开关管S₁、第四开关管S₄和第五开关管S₅开通，第二开关管S₂和第三开关管S₃断开。电流流向及路径在图中用带箭头的虚线表示，此时间段A点电位经闭合的第一开关管S₁与光伏电池PV正相等，B点电位经闭合的第四开关管S₄和第五开关管S₅与PV源负相等，所以此模态的共模电压v_cm由下式可得：

$v_{cm}=\frac{v_{AN}+v_{BN}}{2}=\frac{v_{pv}+0}{2}=\frac{v_{pv}}{2}.$

模态(t₁-t₂)：第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃和第五开关管S₅断开，第四开关管S₄开通。

具体地，如图4(b)所示，电网V_grid电压处于正半周期，输出滤波电感续流，变异桥臂端点电压_vAB＝0。只需将开关管第一开关管S₁和第五开关管S₅断开，第四开关管S₄继续导通。续流回路由开关管第四开关管S₄和第二开关管S₂的反并联二极管提供，续流方向及回路在图中带箭头的虚线表示。此时间段A点和B点电位因续流通路相等，由钳位二极管VD₁钳位在C₁和C₂的中点，所以此模态的共模电压v_cm由下式计算可得：

$v_{cm}=\frac{v_{AN}+v_{BN}}{2}=\frac{\frac{v_{pv}}{2}+\frac{v_{pv}}{2}}{2}=\frac{v_{pv}}{2}.$

模态(t₂-t₃)：第二开关管S₂、第三开关管S₃和第五开关管S₅开通，第一开关管S₁和第四开关管S₄断开。

具体地，如图4(c)所示，电网V_grid处于负半周期，光伏电池PV向电网V_grid传输功率，变异桥臂端点电压v_AB＝-v_pv。此工作模态期间开关管第二开关管S₂、第三开关管S₃和第五开关管S₅开通，第一开关管S₁和第四开关管S₄断开。电流流向和路径在图中由带箭头的虚线表示。A点电位经闭合的第二开关管S₂和第五开关管S₅与光伏电池PV负相等，B点电位经闭合的第三开关管S₃与PV源正相等，所以此模态的共模电压v_cm由下式计算可得：

$v_{cm}=\frac{v_{AN}+v_{BN}}{2}=\frac{0+v_{pv}}{2}=\frac{v_{pv}}{2}.$

模态(t₃-t₄)：第二开关管S₂开通，第一开关管S₁、第三开关管S₃、第四开关管S₄和第五开关管S₅断开。

具体地，如图4(d)所示，电网电压处于负半周期，输出滤波电感续流，变异桥臂端点电压v_AB＝0。只需将开关管第三开关管S₃和第五开关管S₅断开，开关管第二开关管S₂继续导通。续流回路由第二开关管S₂和第四开关管S₄的反并联二极管提供。续流方向与回路在图中带箭头的虚线表示，由钳位二极管VD₁钳位在第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂的中点，所以此模态的共模电压v_cm由下式计算可得：

$v_{cm}=\frac{v_{AN}+v_{BN}}{2}=\frac{\frac{v_{pv}}{2}+\frac{v_{pv}}{2}}{2}=\frac{v_{pv}}{2}.$

为了验证本发明实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器拓扑的共模电压在整个调制过程中恒定以及拓扑对共模电流抑制的可靠性，搭建了PSIM仿真平台，采用的电路参数下表所示。

参数

vpv

vgrid

Pout

fs

Cpv

L1、L2

C1、C2

值

400V

220VAC

1kW

50kHz

75nF

4mH

470uF

从图5(a)观察H5-D型非隔离光伏并网逆变器拓扑的共模电压基本稳定在200V左右。这验证了在维持共模电压恒定方面H5-D拓扑明显优于H5拓扑，能够更好的维持共模电压恒定。

H5-D型非隔离光伏并网逆变器拓扑保持共模电压恒定的情况下，共模电流的波形如图5(b)所示，同时给出了共模电压v_cm、共模电流i_cm和变异桥臂两个端点的电压v_AB的波形，依据仿真平台用75nF的电容等效PV阵列对地的寄生电容，得出的结果从图中可知，共模电流在电路工作稳定后基本可以维持在_±8mA以内。

另外，本发明实施例的H5-D型非隔离光伏并网逆变器和调制方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (3)

1.一种H5-D型非隔离光伏并网逆变器，其特征在于，包括光伏电池(PV)，光伏电池(PV)的两端并联有输入滤波电容(1)，光伏电池(PV)的两端与H5型逆变环节(3)连接，输入滤波电容(1)与H5型逆变环节(3)之间还连接有中点钳位开关(2)，H5型逆变环节(3)通过滤波器(4)与电网(V_grid)连接。

2.根据权利要求1所述的H5-D型非隔离光伏并网逆变器，其特征在于，所述输入滤波电容(1)包括相互串联的第一滤波电容(C₁)和第二滤波电容(C₂)；

所述H5型逆变环节(3)包括第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)和第五开关管(S₅)，第一开关管(S₁)和第三开关管(S₃)的漏极与光伏电池(PV)的正极连接，第二开关管(S₂)和第四开关管(S₄)的源极与第五开关管(S₅)的漏极连接，第五开关管的源极与光伏电池(PV)的负极连接，第一开关管(S₁)的源极与第二开关管(S₂)的漏极连接，第三开关管(S₃)的源极与第四开关管(S₄)的漏极连接；

所述中点钳位开关(2)为二极管(VD₁)，二极管(VD₁)的正极与第二开关管(S₂)和第四开关管(S₄)的源极以及第五开关管(S₅)的漏极连接，二极管(VD₁)的负极与第一滤波电容(C₁)和第二滤波电容(C₂)的中点连接；

所述滤波器(4)包括第一滤波电感(L₁)和第二滤波电感(L₂)，第一滤波电感(L₁)的一端与第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的漏极之间的节点连接，另一端与电网(V_grid)连接，第二滤波电感(L₂)的一端与第三开关管(S₃)的源极和第四开关管(S₄)的漏极之间的节点连接，另一端与电网(V_grid)连接。

3.一种如权利要求2所述H5-D型非隔离光伏并网逆变器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

模态(t₀-t₁)：光伏电池(PV)向电网(V_grid)传输功率，第一开关管(S₁)、第四开关管(S₄)和第五开关管(S₅)开通，第二开关管(S₂)和第三开关管(S₃)断开；

模态(t₁-t₂)：第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)和第五开关管(S₅)断开，第四开关管(S₄)开通；

模态(t₂-t₃)：第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)和第五开关管(S₅)开通，第一开关管(S₁)和第四开关管(S₄)断开；

模态(t₃-t₄)：第二开关管(S₂)开通，第一开关管(S₁)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)和第五开关管(S₅)断开；

其中，模态(t₀-t₁)、模态(t₁-t₂)、模态(t₂-t₃)和模态(t₃-t₄)组成一个调制周期。