CN105553321A - 一种开关管钳位式的无变压器型光伏逆变器拓扑 - Google Patents

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Abstract

一种开关管钳位式的无变压器型光伏逆变器拓扑，该方案中的逆变器拓扑是在常规的H6拓扑的基础上经过优化，由两个等容等压的滤波电容C1、C2代替原来PV侧的单个滤波电容；在逆变输出的B端和两个滤波电容的中间C点接上两个反向串联的钳位开关管S7和S8，通过在电路中添加开关管构成了钳位单元，配合适当的开关时序，将输出的A和B两端的电压钳位在母线电容的中点电位，解决零电平输出时的悬浮问题；在零电位输出阶段，通过续流开关管提供的续流回路，实现直流侧和逆变侧的解耦，并且能够满足在功率因数小于一的情况下也有续流回路；消除回路的寄生振荡，抑制了共模谐振现象，消弱了功率管的寄生参数的影响，具有更好的抑制漏电流能力；电路结构简单，易于实现，提高了系统的工作效率和无变压器型光伏并网逆变器系统运行的安全裕度。

Description

一种开关管钳位式的无变压器型光伏逆变器拓扑
技术领域
本发明涉及一种开关管钳位式的无变压器型光伏逆变器拓扑。
背景技术
在能源需求日益增加的当前，新型可再生能源的开发受到广泛关注，开发新能源与提高能源利用率越发凸显重要，其中太阳能光伏发电因其安全无污染以及资源多的优点，近些年来得到快速的发展。由于太阳能光伏板的光电转换效率低并且价格昂贵，使得光伏发电的推广受到一定限制。因此，如何通过提高电力装备的效率来降低光伏发电系统的成本，成为光伏发电的一个热门方向。
为了保证用户的使用安全，VDE标准对PV并网系统共模电流有严格的限制。采用网侧工频变压器可以实现PV侧和电网侧的电气隔离、抑制漏电流，但是工频变压器质量笨重、体积庞大、成本昂贵、系统效率低。若采用高频变压器来实现PV和电网的电气隔离，这样可以降低系统的重量、体积以及成本，但是系统的效率是没有明显的提高，然而并网逆变器的变换效率和光伏发电系统的总体效率有着密切的关系。因此，结构简单、效率高、体积小、重量轻以及成本低的无变压器型光伏并网逆变器有着明显的优势。
但是在单相无变压器型的光伏逆变系统中，PV和电网之间有了电气上的连接关系，同时，PV和大地之间存在较大的对地寄生电容，如果对地寄生电容上存在高频的电压脉动，就会产生较大的对地漏电流，进而带来传导和辐射干扰、进网侧的电流谐波和功率损耗的增加，降低了系统的效率、系统运行的安全裕度以及影响到操作人员的安全。因此，对低漏电流无变压器型光伏并网逆变器的研究有着非常重要的意义。
发明内容
本发明提出了一种开关管钳位式的无变压器型光伏逆变器拓扑，其输入侧与太阳能光伏电池阵列连接，逆变侧接到电网上。在逆变输出电压阶段，通过两个桥臂功率开关管的导通和关断动作，逆变出和电网等幅等压的电压；在零电平阶段，通过强制钳位开关管S7和S8的同时导通，将输出A、B两端的电压强制钳位到直流母线电容的中点电位，解决了解耦型逆变器在零电平输出时的悬浮问题，同时消除了共模回路的寄生振荡，从而有效的抑制了无变压器型光伏并网逆变器的漏电流。
本发明是这样实现的，在常规的H6拓扑的基础上经过优化，由两个等容等压的滤波电容C1、C2代替原来PV侧的单个滤波电容；在逆变输出的B端和两个滤波电容的中间C点接上两个反向串联的钳位开关管S7和S8，其中，钳位开关管S7的源极和两个滤波电容的中点C相连，钳位开关管S7的漏极和钳位开关管S8的漏极相连，钳位开关管S8的源极和逆变输出B端相连接；在逆变输出的B端和功率开关管S3的源极中间接上一个续流开关管S9，其中，续流开关管S9的漏极和逆变输出的B端相连接，续流开关管S9的源极与功率开关管S3的源极相连接；在逆变输出的B端和功率开关管S5的源极中间接上一个续流开关管S10，其中，续流开关管S10的源极和逆变输出的B端相连接，续流开关管S10的漏极与功率开关管S5的源极相连接，参照图1所示。
本发明的技术效果是：(1)通过在拓扑中添加开关管构成了钳位单元，配合适当的开关时序，将输出的A和B两端的电压钳位在母线电容的中点电位，解决零电平输出时的电压悬浮问题；(2)在零电位输出阶段，通过续流开关管提供的续流回路，实现直流侧和逆变侧的解耦，并且能够满足在功率因数小于一的情况下也有续流回路；(3)消除回路的寄生振荡，抑制了共模谐振现象，消弱了功率管的寄生参数的影响，具有更好的抑制漏电流能力；(4)电路结构简单，易于实现，提高了系统的工作效率和无变压器型光伏并网逆变器系统运行的安全裕度。
附图说明
图1为具有续流和钳位的并网逆变拓扑。
图2为逆变输出电压为正。
图3为逆变输出电压为负。
图4为D9、S4导通，UA＝UB>Ui/2。
图5为D9、S4导通，UA＝UB<Ui/2。
图6为D4、S9导通，UA＝UB>Ui/2。
图7为D4、S9导通，UA＝UB<Ui/2。
图8为D10、S5导通，UA＝UB>Ui/2。
图9为D10、S5导通，UA＝UB<Ui/2。
图10为D5、S10导通，UA＝UB>Ui/2。
图11为D5、S10导通，UA＝UB<Ui/2。
具体实施方式
工作模态一：功率开关管S2、S3、S4闭合其余开关管都断开，参照图2所示，逆变输出的A端通过开关管S3、S4直接和PV侧的正端相接，故A端的电位即为直流输入电压Ui；逆变输出的B端通过开关管S2和PV侧的地相连，故B端的电位为零，此时逆变输出的电压UAB为正。
工作模态二：钳位开关管S7、S8，功率开关管S4和续流开关管S9闭合其余开关管都断开，若功率因数等于一，即电压和电流的方向是一致的，都是由A流向B(从工作模态一转换为工作模态二)，通过二极管D9和开关管S4形成续流通道。当逆变端A、B的电压高于直流输入的一半时，通过钳位开关管S8和二极管D7，将A、B端的电压强制钳位到直流输入母线电容的中点电位，参照图4所示；当逆变端A、B的电压低于直流输入的一半时，通过钳位开关管S7和二极管D8，将A、B端的电压强制钳位到直流输入母线电容的中点电位，参照图5所示。若功率因数小于一，即电压和电流的方向不一致，此时电流的方向是由B流向A，通过开关管S9和二极管D4形成续流通道。当逆变端A、B的电压高于直流输入的一半时，通过钳位开关管S8和二极管D7，将A、B端的电压强制钳位到直流输入母线电容的中点电位，参照图6所示；当逆变端A、B的电压低于直流输入的一半时，通过钳位开关管S7和二极管D8，将A、B端电压强制钳位到直流输入母线电容的中点电位，参照图7所示。
工作模态三：功率开关管S1、S5、S6闭合其余开关管都断开，参照图3所示，逆变输出的A端通过开关管S5、S6直接和PV侧的地相连，故A端的电位为零；逆变输出的B端通过开关管S1和PV侧的正端相接，故B端的电位即为直流输入电压Ui，此时逆变输出的电压UAB为负。
工作模态四：钳位开关管S7、S8，功率开关管S5和续流开关管S10闭合其余开关管都断开，若功率因数等于一，即电压和电流的方向是一致的，都是由B流向A(从工作模态三转换为工作模态四)，通过开关管S5和二极管D10形成续流通道。当逆变端A、B的电压高于直流输入的一半时，通过钳位开关管S8和二极管D7，将A、B端的电压强制钳位到直流输入母线电容的中点电位，参照图8所示；当逆变端A、B的电压低于直流输入的一半时，通过钳位开关管S7和二极管D8，将A、B端的电压强制钳位到直流输入母线电容的中点电位，参照图9所示。若功率因数小于一，即电压和电流的方向不一致，此时电流的方向是由A流向B，通过开关管S10和二极管D5形成续流通道。当逆变端A、B的电压高于直流输入的一半时，通过钳位开关管S8和二极管D7，将A、B端的电压强制钳位到直流输入母线电容的中点电位，参照图10所示；当逆变端A、B的电压低于直流输入的一半时，通过钳位开关管S7和二极管D8，将A、B端的电压强制钳位到直流输入母线电容的中点电位，参照图11所示。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种开关管钳位式的无变压器型光伏逆变器拓扑，其特征在于，在常规的H6拓扑的基础上经过优化，由两个等容等压的滤波电容C1、C2代替原来PV侧的单个滤波电容；在逆变输出的B端和两个滤波电容的中间C点接上两个反向串联的钳位开关管S7和S8，其中，钳位开关管S7的源极和两个滤波电容的中点C相连，钳位开关管S7的漏极和钳位开关管S8的漏极相连，钳位开关管S8的源极和逆变输出B端相连接；在逆变输出的B端和功率开关管S3的源极中间接上一个续流开关管S9，其中，续流开关管S9的漏极和逆变输出的B端相连接，续流开关管S9的源极与功率开关管S3的源极相连接；在逆变输出的B端和功率开关管S5的源极中间接上一个续流开关管S10，其中，续流开关管S10的源极和逆变输出的B端相连接，续流开关管S10的漏极与功率开关管S5的源极相连接。
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