CN105610342A - 一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构 - Google Patents

一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构，包括依次连接的光伏阵列、钳位电容组、单相全桥逆变器、滤波电路及电网，还包括双向钳位回路单元，所述的双向钳位回路单元所包括钳位回路正单元和钳位回路负单元，所述的钳位回路正单元和钳位回路负单元均与所述的钳位电容组和滤波电路连接。与现有技术相比，本发明具有共模电压恒定、共模特性好等优点。

Description

一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种单相逆变器拓扑结构，尤其是涉及一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构。
背景技术
光伏并网逆变器要求效率高、成本低，能够承受光伏阵列输出电压波动大的不良影响，而且其交流输出也要满足较高的电能质量。按照逆变器是否带有隔离变压器可以分为隔离型和非隔离型。隔离型光伏逆变器实现了电网和电池板的电气隔离，保障了人身和设备安全，但其体积大，价格高，系统变换效率较低。非隔离光伏逆变器结构不含变压器，具有效率高、体积小、重量轻、成本低等诸多优势。
目前，非隔离光伏逆变器系统的最高效率可以达到98％以上。但是，变压器的移除使得输入输出之间存在电气连接，由于电池板对地电容的存在，逆变器工作时会产生共模漏电流，增大系统电磁干扰，影响进网电流的质量，危害人身和设备安全。为了保证人身和设备安全，漏电流必须被抑制在一定的范围内。
现在市场上用于光伏发电系统的非隔离型逆变器大多数采用Heric或H5拓扑，如图10所示为Heric结构拓扑图、图11为Heric结构拓扑图的驱动信号图、图12为Heric结构拓扑图的共模电流的频谱分析图，Heric结构拓扑图虽然为电流提供了续流回路，实现了交流侧或直流侧解耦。可是，这些拓扑在续流模态中，因为续流回路电位处于悬浮状态，仍然会产生较大的漏电流。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种共模电压恒定、共模特性好的中点电位续流的单相逆变器拓扑结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构，包括依次连接的光伏阵列、钳位电容组、单相全桥逆变器、滤波电路及电网，还包括双向钳位回路单元，所述的双向钳位回路单元所包括钳位回路正单元和钳位回路负单元，所述的钳位回路正单元和钳位回路负单元均与所述的钳位电容组和滤波电路连接。
所述的钳位电容组包括第一钳位电容和第二钳位电容，所述的第一钳位电容的正极与所述的光伏阵列的正极连接，所述的第二钳位电容的负极与所述的光伏阵列的负极连接，所述的第一钳位电容的负极与所述的第二钳位电容的正极连接。
所述的单相全桥逆变器包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT及第四IGBT，所述的第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极连接，所述的第三IGBT的发射极与第四IGBT的集电极连接，所述的第一IGBT的集电极与第三IGBT的集电极连接且均与光伏阵列的正极连接，所述的第二IGBT的发射极与第四IGBT的发射极连接且均与光伏阵列的负极连接。
所述的第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT及第四IGBT均反并联有二极管。
所述的滤波电路包括依次连接的第一滤波电感、滤波电容及第二滤波电感，所述的第一滤波电感与所述的第一IGBT的发射极连接，所述的第二滤波电感与所述的第四IGBT的集电极连接，所述的滤波电容两端与电网并联。
所述的钳位回路正单元包括相互连接的第一钳位二极管、第一IGBT模块和第二IGBT模块，所述的钳位回路负单元包括相互连接的第二钳位二极管、第三IGBT模块和第四IGBT模块，所述的第一钳位二极管和第二钳位二极管均与所述的钳位电容组连接，所述的第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块及第四IGBT模块均与所述的滤波电路连接。
所述的第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块和第四IGBT模块结构均相同，均为一IGBT反并联一二极管。
所述的第一IGBT模块和第二IGBT模块中的IGBT的集电极相互连接，并均与所述的第一钳位二极管的阴极连接，所述的第一钳位二极管的阳极与所述的钳位电容组连接，所述的第一IGBT模块中IGBT的发射极与所述的滤波电路连接，所述的第二IGBT模块中IGBT的发射极与所述的滤波电路连接。
所述的第三IGBT模块和第四IGBT模块中的IGBT的发射极相互连接，并均与所述的第二钳位二极管的阳极连接，所述的第二钳位二极管的阴极与所述的钳位电容组连接，所述的第三IGBT模块中IGBT的集电极与所述的滤波电路连接，所述的第四IGBT模块中IGBT的集电极与所述的滤波电路连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)与Heric拓扑结构相比，本发明提出的拓扑结构去除原有的续流回路，并增加双向钳位回路单元，能够使逆变器在处于续流模态时，仅通过低频开关，构造钳位电压回路，使续流回路的电位被钳位在光伏阵列输出电压的一半，保证了共模电压在全周期内处于恒定，从而实现减小共模电流(漏电流)的要求，具有更好的共模特性；
(2)本发明提出的拓扑结构同时实现了构造续流回路和中点钳位的功能，减少了共模电流，拥有较好的共模特性；
(3)本发明提出的拓扑结构只需要4个高频开关器件，且在工作状态中同时最多只有2个开关高频工作，与一般的中点钳位单相非隔离型逆变器拓扑相比(如AVC-HERIC)具有成本低，开关损耗小的优势。
附图说明
图1为本发明一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构图；
图2为图1拓扑图的驱动信号；
图3为图1中拓扑图在入网电流正半周时，功率传输模态下的电流流向图；
图4为图1中拓扑图在入网电流正半周时，续流模态下的电流流向图；
图5为图1中拓扑图在入网电流负半周时，功率传输模态下的电流流向图；
图6为图1中拓扑图在入网电流负半周时，续流模态下的电流流向图；
图7为图1中拓扑图的共模电压的工频波形；
图8为图1中拓扑图的共模电流的工频波形；
图9为图1中拓扑图的共模电流的频谱分析图；
图10为Heric结构拓扑图；
图11为Heric结构拓扑图的驱动信号图；
图12为图10拓扑图的共模电流的频谱分析图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构，包括依次连接的光伏阵列、钳位电容组、单相全桥逆变器、滤波电路及电网，该拓扑结构还包括双向钳位回路单元，双向钳位回路单元所包括钳位回路正单元和钳位回路负单元，钳位回路正单元和钳位回路负单元均与钳位电容组和滤波电路连接。
钳位电容组包括第一钳位电容和第二钳位电容，第一钳位电容的正极与光伏阵列的正极连接，第二钳位电容的负极与光伏阵列的负极连接，第一钳位电容的负极与第二钳位电容的正极连接。
单相全桥逆变器包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT及第四IGBT，第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极连接，第三IGBT的发射极与第四IGBT的集电极连接，第一IGBT的集电极与第三IGBT的集电极连接且均与光伏阵列的正极连接，第二IGBT的发射极与第四IGBT的发射极连接且均与光伏阵列的负极连接。第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT及第四IGBT均反并联有二极管。
滤波电路包括依次连接的第一滤波电感、滤波电容及第二滤波电感，第一滤波电感与第一IGBT的发射极连接，第二滤波电感与第四IGBT的集电极连接，滤波电容两端与电网并联。
钳位回路正单元包括相互连接的第一钳位二极管、第一IGBT模块和第二IGBT模块，钳位回路负单元包括相互连接的第二钳位二极管、第三IGBT模块和第四IGBT模块，第一钳位二极管和第二钳位二极管均与钳位电容组连接，第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块及第四IGBT模块均与滤波电路连接。第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块和第四IGBT模块结构均相同，均为一IGBT反并联一二极管。
第一IGBT模块和第二IGBT模块中的IGBT的集电极相互连接，并均与第一钳位二极管的阴极连接，第一钳位二极管的阳极与钳位电容组连接，第一IGBT模块中IGBT的发射极与滤波电路连接，第二IGBT模块中IGBT的发射极与滤波电路连接。第三IGBT模块和第四IGBT模块中的IGBT的发射极相互连接，并均与第二钳位二极管的阳极连接，第二钳位二极管的阴极与钳位电容组连接，第三IGBT模块中IGBT的集电极与滤波电路连接，第四IGBT模块中IGBT的集电极与滤波电路连接。
图3—6为本发明拓扑结构的四种工作模态，图1中S1、S2、S3及S4分别为第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT及第四IGBT，Sb1、Sb2、Sb3及Sb4为双向钳位单元的开关管IGBT；C1及C2分别为第一钳位电容和第二钳位电容；L1及L2分别为第一滤波电感和第二滤波电感；如图2所示为本发明拓扑图的驱动信号，图2中Usg1–Usg4为主开关管S1–S4的栅级-源级电压；Usg5–Usg8为双向钳位单元开关管Sb1–Sb4的栅级-源级电压，Ur为入网电压。
1)模态1：功率传输模态，入网电流正半周，如图3所示，S1、S4、Sb1及Sb4导通，其余关断。此时，UAN＝Upv，UBN＝0，UAB＝Upv，UCM＝(UAN+UBN)/2＝0.5Upv，其中，UAN为图中A、N两点的电压，UBN为图中B、N两点的电压，UAB为差模电压，UCM为共模电压、Upv为光伏阵列产生的直流电压。
2)模态2：续流模态，入网电流正半周，如图4所示，Sb1及Sb4导通，其余关断，UAN＝0.5Upv，UBN＝0.5Upv，UAB＝0，共模电压为UCM＝(UAN+UBN)/2＝0.5Upv，其中，UAN为图中A、N两点的电压，UBN为图中B、N两点的电压，UAB为差模电压，UCM为共模电压、Upv为光伏阵列产生的直流电压。
3)模态3：功率传输模态，入网电流负半周，如图5所示，S2、S3、Sb2及Sb3导通，其余关断。此时，UAN＝0，UBN＝Upv，UAB＝-Upv，共模电压为UCM＝(UAN+UBN)/2＝0.5Upv，其中，UAN为图中A、N两点的电压，UBN为图中B、N两点的电压，UAB为差模电压，UCM为共模电压、Upv为光伏阵列产生的直流电压。
4)模态4：续流模态，入网电流负半周，如图6所示，Sb2及Sb3导通，其余关断，UAN＝0.5Upv，UBN＝0.5Upv，UAB＝0，共模电压为UCM＝(UAN+UBN)/2＝0.5Upv，其中，UAN为图中A、N两点的电压，UBN为图中B、N两点的电压，UAB为差模电压，UCM为共模电压、Upv为光伏阵列产生的直流电压。
从图3—6可以明显看出这四种模态的共模电压相等，这样整个周期内共模电压产生的高频脉动会减少，产生较低的漏电流。图10中的Heric拓扑图虽然也有续流回路，但是续流模态中，电压处于悬浮状态，共模电压依旧会产生高频脉动，产生较高的漏电流。
本申请提出的拓扑结构构造了电位在0.5Upv的续流回路，使得本拓扑结构同时具有了续流回路和中点钳位两项功能，保证了本拓扑结构具有极佳的共模特性。同时，由于二极管的抑制作用，会使所需的高频开关器件较少。
经仿真验证，当仿真参数如表1所示，电路到达稳态的时候，本发明的拓扑图的共模电压(如图7所示)的振幅远小于Heric拓扑图的共模电压的振幅，本发明的拓扑图的共模电流(漏电流)(如图8所示)的振幅幅值小于Heric拓扑图的共模电流的振幅幅值。图12是Heric拓扑图的共模电流频谱分析图，图9是本发明的拓扑图的共模电流的频谱分析图；。对比图12和图9，除了工频和开关频率附近的漏电流幅值大体相当以外，本发明的拓扑图的其它频率漏电流幅值小于Heric拓扑图的其它频率漏电流幅值。由此可以看出，应用了本发明的拓扑图具有更好共模特性。本发明的拓扑图只需要4个高频开关器件，并且同时只有2个开关高频工作、开关损耗小。
表1仿真参数

Claims (9)

1.一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构，包括依次连接的光伏阵列、钳位电容组、单相全桥逆变器、滤波电路及电网，其特征在于，还包括双向钳位回路单元，所述的双向钳位回路单元所包括钳位回路正单元和钳位回路负单元，所述的钳位回路正单元和钳位回路负单元均与所述的钳位电容组和滤波电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构，其特征在于，所述的钳位电容组包括第一钳位电容和第二钳位电容，所述的第一钳位电容的正极与所述的光伏阵列的正极连接，所述的第二钳位电容的负极与所述的光伏阵列的负极连接，所述的第一钳位电容的负极与所述的第二钳位电容的正极连接。
3.根据权利要求2所述的一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构，其特征在于，所述的单相全桥逆变器包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT及第四IGBT，所述的第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极连接，所述的第三IGBT的发射极与第四IGBT的集电极连接，所述的第一IGBT的集电极与第三IGBT的集电极连接且均与光伏阵列的正极连接，所述的第二IGBT的发射极与第四IGBT的发射极连接且均与光伏阵列的负极连接。
4.根据权利要求3所述的一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构，其特征在于，所述的第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT及第四IGBT均反并联有二极管。
5.根据权利要求3所述的一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构，其特征在于，所述的滤波电路包括依次连接的第一滤波电感、滤波电容及第二滤波电感，所述的第一滤波电感与所述的第一IGBT的发射极连接，所述的第二滤波电感与所述的第四IGBT的集电极连接，所述的滤波电容两端与电网并联。
6.根据权利要求1所述的一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构，其特征在于，所述的钳位回路正单元包括相互连接的第一钳位二极管、第一IGBT模块和第二IGBT模块，所述的钳位回路负单元包括相互连接的第二钳位二极管、第三IGBT模块和第四IGBT模块，所述的第一钳位二极管和第二钳位二极管均与所述的钳位电容组连接，所述的第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块及第四IGBT模块均与所述的滤波电路连接。
7.根据权利要求6所述的一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构，其特征在于，所述的第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块和第四IGBT模块结构均相同，均为一IGBT反并联一二极管。
8.根据权利要求6所述的一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构，其特征在于，所述的第一IGBT模块和第二IGBT模块中的IGBT的集电极相互连接，并均与所述的第一钳位二极管的阴极连接，所述的第一钳位二极管的阳极与所述的钳位电容组连接，所述的第一IGBT模块中IGBT的发射极与所述的滤波电路连接，所述的第二IGBT模块中IGBT的发射极与所述的滤波电路连接。
9.根据权利要求6所述的一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构，其特征在于，所述的第三IGBT模块和第四IGBT模块中的IGBT的发射极相互连接，并均与所述的第二钳位二极管的阳极连接，所述的第二钳位二极管的阴极与所述的钳位电容组连接，所述的第三IGBT模块中IGBT的集电极与所述的滤波电路连接，所述的第四IGBT模块中IGBT的集电极与所述的滤波电路连接。
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