CN105553319A - 一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器及其控制方法，该逆变器是由Buck-Boost电路和逆变电路衍变而来，由九个开关管、八个二极管、五个电感和三个滤波电容组成。本发明的有益效果是：逆变器系统不存在死区问题和短路故障，提高可靠性；逆变器具有升降压功能，增大了其适用范围；逆变器无需电解电容，系统可靠性高，使用寿命长；逆变器为单级结构，电路结构简单，逆变效率高；逆变器的控制方法采用载波调制，开关信号生成电路结构简单，同时可以保证系统共模电压恒定，使共模电流得到有效抑制。

Description

一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及消除共模电流的一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器及其控制方法，适用于三相逆变应用场合中。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的物质基础，化石能源的有限性和大量的开采利用导致能源短缺的问题日益严重，同时也造成了环境污染问题的日益恶化。太阳能作为当前最为清洁、最有大规模开发利用前景的可再生能源之一，其光伏利用受到世界各地的普遍关注。而太阳能光伏发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势，在未来将得到越来越迅速的发展。

在光伏发电系统中，逆变器装置的效率与安全性将直接影响整个系统的性能与实用性。根据逆变器中的变压器配置情况，可以将现有的逆变器分为带工频变压器型逆变器、带高频变压器型逆变器和无变压器型逆变器。带工频变压器或高频变压器的逆变器均可以起到升压和隔离的作用，但带工频变压器型逆变器存在体积和重量大、价格高等问题；带高频变压器型逆变器虽然体积和重量大大减少，但结构复杂，整体效率降低。而无变压器型逆变器具有结构简单、体积小、成本低、效率高等优点，得到了更多的重视。

在无变压器型光伏并网系统中，由于失去了变压器的电气隔离，光伏电池阵列与大地之间的寄生电容(一般为50-150nF/kWp)、光伏并网逆变器以及大地之间就会形成如图1所示的共模回路。共模电流不仅会引起EMI问题，同时还会降低并网电流品质，并且给工作人员的人身安全带来安全隐患。因此，在无变压器型并网逆变器中，共模电流问题必须得到解决。

在无变压器型逆变器中，已经有一些逆变器拓扑解决了共模电压恒定问题，但同时存在其他问题，例如结构中包含电解电容，可靠性低、寿命短，并且不具有升降压功能等。本发明所提出的一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器及其控制方法解决了上述的问题。

发明内容

针对现有技术所存在的上述问题，本发明克服了现有技术中的缺点，提供一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器及其控制方法。本发明能够使得共模电压恒定，有效抑制了共模电流，且电路结构简单、无需电解电容，具有升降压功能。

为了解决上述存在的技术问题实现发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器，该逆变器是由九个开关管、八个二极管、五个电感和三个滤波电容组成；第八开关管S₈的集电极与直流母线的“+”端连接，第八开关管S₈的发射极与第七二极管VD₇的阴极、第一直流电感L_dc1的一端连接；第九开关管S₉的发射极与直流母线的“-”端连接，第九开关管S₉的集电极与第八二极管VD₈的阳极、第二直流电感L_dc2的一端连接；第七二极管VD₇的阳极与第八二极管VD₈的阴极连接；第一直流电感L_dc1的另一端与第七开关管S₇的漏极、第一开关管S₁的漏极、第三开关管S₃的漏极以及第五开关管S₅的漏极连接；第二直流电感L_dc2的另一端与第七开关管S₇的源极、第四二极管VD₄的阴极、第六二极管VD₆的阴极以及第二二极管VD₂的阴极连接；第一开关管S₁的源极与第一二极管VD₁的阳极连接；第三开关管S₃的源极与第三二极管VD₃的阳极连接；第五开关管S₅的源极与第五二极管VD₅的阳极连接；第一二极管VD₁的阴极与第四开关管S₄漏极、第一滤波电感L₁的一端以及第一滤波电容C₁的一端连接；第三二极管VD₃的阴极与第六开关管S₆漏极、第二滤波电感L₂的一端以及第二滤波电容C₂的一端连接；第五二极管VD₅的阴极与第二开关管S₂漏极、第三滤波电感L₃的一端以及第三滤波电容C₃的一端连接；第一滤波电容C₁的另一端、第二滤波电容C₂的另一端、第三滤波电容C₃的另一端共同与第七二极管VD₇的阳极和第八二极管VD₈的阴极连接；第一滤波电感L₁的另一端、第二滤波电感L₂的另一端、第三滤波电感L₃的另一端分别与电网的三个端口u_a、u_b、u_c连接。

所述的一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器的控制方法，其内容包括下列步骤：

(1)首先，三相非隔离Buck-Boost光伏逆变器三相调制波V_a、V_b、V_c分别与载波通过比较器比较后得到逻辑信号X_a、X_b、X_c；

(2)将逻辑信号X_a与逻辑信号X_b通过异或门得到逻辑信号S_a；将逻辑信号X_b与逻辑信号X_c通过异或门得到逻辑信号S_b；将逻辑信号X_c与逻辑信号X_a通过异或门得到逻辑信号S_c；

(3)将逻辑信号S_a通过非门得到的逻辑信号和逻辑信号S_b通过非门得到的逻辑信号、逻辑信号S_c通过非门得到的逻辑信号再通过与门得到开关逻辑信号S₇、S₈、S₉；

(4)将逻辑信号S_a和逻辑信号X_a通过与门得到开关逻辑信号S₁，将逻辑信号S_a和逻辑信号X_b通过与门得到开关逻辑信号S₄，将逻辑信号S_b和逻辑信号X_b通过与门得到开关逻辑信号S₃，将逻辑信号S_b和逻辑信号X_c通过与门得到开关逻辑信号S₆，将逻辑信号S_c和逻辑信号X_c通过与门得到开关逻辑信号S₅，将逻辑信号S_c和逻辑信号X_a通过与门得到开关逻辑信号S₂。

本发明提供的一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器是由Buck-Boost电路和逆变电路衍变而来，具有升降压能力，其具体内容为：本发明的单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器的三相桥前段为Buck-Boost拓扑结构，当零状态时，即第七开关管S₇、第八开关管S₈和第九开关管S₉开通时刻，直流电源给直流电感充电，当非零状态时，即第七开关管S₇、第八开关管S₈和第九开关管S₉关断，第一开关管S₁～第六开关管S₆开通时刻，直流电感给交流侧供电，利用上述的调制方法，通过调节三相调制波的幅值，改变开关管的导通时间占空比，进而可使得输出电压高于或低于输入电压，达到升降压的作用。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器及其控制方法，与现有技术相比具有益效果是：

(1)本发明逆变器系统不存在死区问题和短路故障，提高可靠性；

(2)本发明逆变器具有升降压功能，增大了其适用范围；

(3)本发明逆变器无需电解电容，系统可靠性高，使用寿命长；

(4)本发明逆变器为单级结构，电路结构简单，逆变效率高；

(5)本发明逆变器的控制方法采用载波调制，开关信号生成电路结构简单，同时可以保证系统共模电压恒定，使共模电流得到有效抑制。

附图说明

图1为传统的电流型三相光伏逆变器系统中的共模回路示意图；

图2为本发明三相光伏逆变器的拓扑结构示意图；

图3为本发明的单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器开关控制方式；

图4为本发明三相光伏逆变器零状态工作模式和六种非零状态工作模式中的一种，其中(a)为零状态的工作模态7，(b)为非零状态的工作模态2；

图5为本发明三相光伏逆变器的输出电流波形图；

图6为本发明三相光伏逆变器的共模电压波形图；

图7为本发明三相光伏逆变器的共模电流波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器，如图2所示，该逆变器是由九个开关管、八个二极管、五个电感和三个滤波电容组成；第八开关管S₈的集电极与直流母线的“+”端连接，第八开关管S₈的发射极与第七二极管VD₇的阴极、第一直流电感L_dc1的一端连接；第九开关管S₉的发射极与直流母线的“-”端连接，第九开关管S₉的集电极与第八二极管VD₈的阳极、第二直流电感L_dc2的一端连接；第七二极管VD₇的阳极与第八二极管VD₈的阴极连接；第一直流电感L_dc1的另一端与第七开关管S₇的漏极、第一开关管S₁的漏极、第三开关管S₃的漏极以及第五开关管S₅的漏极连接；第二直流电感L_dc2的另一端与第七开关管S₇的源极、第四二极管VD₄的阴极、第六二极管VD₆的阴极以及第二二极管VD₂的阴极连接；第一开关管S₁的源极与第一二极管VD₁的阳极连接；第三开关管S₃的源极与第三二极管VD₃的阳极连接；第五开关管S₅的源极与第五二极管VD₅的阳极连接；第一二极管VD₁的阴极与第四开关管S₄漏极、第一滤波电感L₁的一端以及第一滤波电容C₁的一端连接；第三二极管VD₃的阴极与第六开关管S₆漏极、第二滤波电感L₂的一端以及第二滤波电容C₂的一端连接；第五二极管VD₅的阴极与第二开关管S₂漏极、第三滤波电感L₃的一端以及第三滤波电容C₃的一端连接；第一滤波电容C₁的另一端、第二滤波电容C₂的另一端、第三滤波电容C₃的另一端共同与第七二极管VD₇的阳极和第八二极管VD₈的阴极连接；第一滤波电感L₁的另一端、第二滤波电感L₂的另一端、第三滤波电感L₃的另一端分别与电网的三个端口u_a、u_b、u_c连接。

图3所示为本发明的一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器开关的控制方法，该方法内容包括下列步骤：

(1)首先，三相非隔离Buck-Boost光伏逆变器三相调制波V_a、V_b、V_c分别与载波通过比较器比较后得到逻辑信号X_a、X_b、X_c；

(2)将逻辑信号X_a与逻辑信号X_b通过异或门得到逻辑信号S_a；将逻辑信号X_b与逻辑信号X_c通过异或门得到逻辑信号S_b；将逻辑信号X_c与逻辑信号X_a通过异或门得到逻辑信号S_c；

(3)将逻辑信号S_a通过非门得到的逻辑信号和逻辑信号S_b通过非门得到的逻辑信号、逻辑信号S_c通过非门得到的逻辑信号再通过与门得到开关逻辑信号S₇、S₈、S₉；

(4)将逻辑信号S_a和逻辑信号X_a通过与门得到开关逻辑信号S₁，将逻辑信号S_a和逻辑信号X_b通过与门得到开关逻辑信号S₄，将逻辑信号S_b和逻辑信号X_b通过与门得到开关逻辑信号S₃，将逻辑信号S_b和逻辑信号X_c通过与门得到开关逻辑信号S₆，将逻辑信号S_c和逻辑信号X_c通过与门得到开关逻辑信号S₅，将逻辑信号S_c和逻辑信号X_a通过与门得到开关逻辑信号S₂。

本发明提供的一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器是由Buck-Boost电路和逆变电路衍变而来，如图2所示，该逆变器具有升降压能力，其具体内容为：本发明的单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器的三相桥前段为Buck-Boost拓扑结构，当零状态时，即第七开关管S₇、第八开关管S₈和第九开关管S₉开通时刻，直流电源给直流电感充电，当非零状态时，即第七开关管S₇、第八开关管S₈和第九开关管S₉关断，第一开关管S₁～第六开关管S₆开通时刻，直流电感给交流侧供电，利用上述的调制方法，通过调节三相调制波的幅值，改变开关管的导通时间占空比，进而可使得输出电压高于或低于输入电压，达到升降压的作用。

表1为本发明提出的单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器不同开关状态与寄生电容上的共模电压的关系，表1的开关状态由图3中本发明的单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器开关控制方式提出的调制方式实现，可保证图2中本发明提出的单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器的寄生电容上的共模电压均保持恒定。

本发明逆变器在整个工作过程中，主要存在如表1所示的七种工作模态。

图4(a)所示为零状态的工作模态7：从表1第八行可看出，开关逻辑信号S₁～S₉分别为0、0、0、0、0、0、1、1、1，电流依次流过开关管S₈的晶体管、直流电感L_dc1、开关管S₇的晶体管、直流电感L_dc2、开关管S₉的晶体管，直流侧电源给直流电感L_dc1～L_dc2充电，交流侧输出电流由滤波电容C₁～C₃提供。可计算的：V_AN＝V_DC/2+U_a,V_BN＝V_DC/2+U_b,V_CN＝V_DC/2+U_c,由此可得共模电压为：V_cp1＝V_cp2＝(V_AN+V_BN+V_CN)/3＝V_DC/2。

图4(b)所示为非零状态的工作模态中的一种，即工作模态2：从表1第三行可看出，开关逻辑信号第一开关管S₁～第九开关管S₉分别为1、0、0、0、0、1、0、0、0，第一直流电感L_dc1和第二直流电感L_dc2提供直流电流，电流依次流过第一开关管S₁的晶体管、第一二极管VD₁，再分别流过第一滤波电容C₁、第二滤波C₂、第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、电网端口u_a和u_b，之后再流过第六开关管S₆的晶体管、第六二极管VD₆、第二直流电感L_dc2、第八二极管VD₈、第七二极管VD₇，在流回第一直流电感L_dc1。经过计算V_AN＝V_DC/2+U_a,V_BN＝V_DC/2+U_b,V_CN＝V_DC/2+U_c,可得共模电压为：V_cp1＝V_cp2＝(V_AN+V_BN+V_CN)/3＝V_DC/2。

同理可得，表1中其他开关状态下的共模电压均为：V_cp1＝V_cp2＝V_DC/2。

综上所述，根据图3中提出的调制方式可使得图2所示的本发明提出的单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器输出三相电流，如图5所示，同时可保证共模电压恒定，如图6所示，从而有效的抑制了共模电流，如图7所示。

表1

Claims (2)

1.一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器，其特征在于：该逆变器是由九个开关管、八个二极管、五个电感和三个滤波电容组成；第八开关管S₈的集电极与直流母线的“+”端连接，第八开关管S₈的发射极与第七二极管VD₇的阴极、第一直流电感L_dc1的一端连接；第九开关管S₉的发射极与直流母线的“-”端连接，第九开关管S₉的集电极与第八二极管VD₈的阳极、第二直流电感L_dc2的一端连接；第七二极管VD₇的阳极与第八二极管VD₈的阴极连接；第一直流电感L_dc1的另一端与第七开关管S₇的漏极、第一开关管S₁的漏极、第三开关管S₃的漏极以及第五开关管S₅的漏极连接；第二直流电感L_dc2的另一端与第七开关管S₇的源极、第四二极管VD₄的阴极、第六二极管VD₆的阴极以及第二二极管VD₂的阴极连接；第一开关管S₁的源极与第一二极管VD₁的阳极连接；第三开关管S₃的源极与第三二极管VD₃的阳极连接；第五开关管S₅的源极与第五二极管VD₅的阳极连接；第一二极管VD₁的阴极与第四开关管S₄漏极、第一滤波电感L₁的一端以及第一滤波电容C₁的一端连接；第三二极管VD₃的阴极与第六开关管S₆漏极、第二滤波电感L₂的一端以及第二滤波电容C₂的一端连接；第五二极管VD₅的阴极与第二开关管S₂漏极、第三滤波电感L₃的一端以及第三滤波电容C₃的一端连接；第一滤波电容C₁的另一端、第二滤波电容C₂的另一端、第三滤波电容C₃的另一端共同与第七二极管VD₇的阳极和第八二极管VD₈的阴极连接；第一滤波电感L₁的另一端、第二滤波电感L₂的另一端、第三滤波电感L₃的另一端分别与电网的三个端口u_a、u_b、u_c连接。

2.根据权利要求1所述一种单级非隔离Buck-Boost三相光伏逆变器的控制方法，其特征在于：该方法内容包括下列步骤：

(1)首先，三相非隔离Buck-Boost光伏逆变器三相调制波V_a、V_b、V_c分别与载波通过比较器比较后得到逻辑信号X_a、X_b、X_c；

(2)将逻辑信号X_a与逻辑信号X_b通过异或门得到逻辑信号S_a；将逻辑信号X_b与逻辑信号X_c通过异或门得到逻辑信号S_b；将逻辑信号X_c与逻辑信号X_a通过异或门得到逻辑信号S_c；

(3)将逻辑信号S_a通过非门得到的逻辑信号和逻辑信号S_b通过非门得到的逻辑信号、逻辑信号S_c通过非门得到的逻辑信号再通过与门得到开关逻辑信号S₇、S₈、S₉；

(4)将逻辑信号S_a和逻辑信号X_a通过与门得到开关逻辑信号S₁，将逻辑信号S_a和逻辑信号X_b通过与门得到开关逻辑信号S₄，将逻辑信号S_b和逻辑信号X_b通过与门得到开关逻辑信号S₃，将逻辑信号S_b和逻辑信号X_c通过与门得到开关逻辑信号S₆，将逻辑信号S_c和逻辑信号X_c通过与门得到开关逻辑信号S₅，将逻辑信号S_c和逻辑信号X_a通过与门得到开关逻辑信号S₂。