CN106033939A - 一种lcl非隔离型并网逆变器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LCL非隔离型并网逆变器系统，包括逆变器、光伏电池、LCL型滤波器以及公共电网；所述光伏电池包括光伏电池板以及直流母线滤波电容；所述直流母线滤波电容包括串联的第一直流母线滤波电容和第二直流母线滤波电容；所述直流母线滤波电容与光伏电池板并联；所述LCL型滤波器包括逆变器侧电感、网侧电感以及滤波电容，逆变器侧电感分成并联的两个相同电感，分别与逆变器桥臂中间点连接；所述网侧电感分成并联的两个相同电感，分别连接在逆变器侧电感两端，并且连接到公共电网；所述滤波电容连接在逆变器侧电感和网侧电感之间，其包括串联的第一滤波电容和第二滤波电容；两滤波电容的中间点连接到直流母线输入端。

Description

一种LCL非隔离型并网逆变器系统

技术领域

本发明涉及一种LCL非隔离型并网逆变器系统，属于电力电子变换与控制技术领域。

背景技术

非隔离型并网逆变器具有高效率、低成本的优势，已成为当前的发展趋势。由于光伏电池板面积大，使得光伏阵列对地存在较大的寄生电容，隔离型方案中由于不存在光伏电池和电网的物理连接，因此没有漏电流问题；而非隔离型方案会在逆变器、电网、大地之间形成高频漏电流回路。高频漏电流的产生会带来传导和辐射干扰、进网电流谐波及损耗的增加，甚至危及设备和人员安全。根据德国标准DINVDE0126-1-1，非隔离型光伏并网逆变器对地漏电流瞬时值大于300mA时，系统应在0.3s内断电，光伏并网逆变器必须具有低漏电流特性。主要的漏电流抑制方法可归纳为二类：(1)零矢量隔离方案通过额外的功率器件构造出续流通路，断开零矢量时光伏电池和电网的物理连接，维持共模电压的恒定来减少漏电流；(2)零矢量中点箝位类方案通过零状态时桥臂电压的中点箝位来实现漏电流抑制，漏电流抑制效果更好，但拓扑和均压实现也较复杂；以中点箝位三电平拓扑(NPC)为代表的半桥类拓扑结构，由于直流侧电容的中点与电网地直接相连，光伏电池对地电容电压被箝位在输入电压的一半，仅存在工频脉动，漏电流很小，但半桥类拓扑直流电压利用率低(为全桥类拓扑的一半)，所需输入电压高。其中，零矢量隔离方案电路实现简单，其研究成果也最多，如HERIC、H5、H6等拓扑均已实现商用。传统分析方法根据全桥拓扑漏电流等效电路，认为共模电压恒定就能抑制漏电流，而无需考虑电网电压的影响。新的研究表明，零矢量隔离方案漏电流等效电路中等效隔离开关的高频动作使得电路结构不断变化，由于相邻两个开关周期电网电压的变化，会导致寄生电容与共模滤波电感的谐振，从而产生漏电流，在电网电压过零点(电网电压变化率最大)漏电流也最大，为了抑制漏电流，需要采用大的共模滤波电感。因此，对于非隔离并网逆变器低漏电流的方案仍然是个值得探讨的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种LCL非隔离型并网逆变器系统，与常用的单相非隔离并网逆变器拓扑结合进一步降低并网逆变器的共模电流(漏电流)。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种LCL非隔离型并网逆变器系统，包括逆变器、光伏电池、LCL型滤波器以及公共电网；所述光伏电池包括光伏电池板以及直流母线滤波电容；所述直流母线滤波电容包括串联的第一直流母线滤波电容和第二直流母线滤波电容，所述直流母线滤波电容与光伏电池板并 联；所述LCL型滤波器包括逆变器侧电感、网侧电感以及滤波电容，逆变器侧电感分成并联的两个相同电感，分别与逆变器桥臂中间点连接；所述网侧电感分成并联的两个相同电感，分别连接在逆变器侧电感两端，并且连接到公共电网；所述滤波电容连接在逆变器侧电感和网侧电感之间，其包括串联的第一滤波电容和第二滤波电容，两滤波电容的中间点连接到直流母线输入端。

令光伏电池板相对大地存在等效的寄生电容，所述寄生电容与大地间任意一点通过电气连接线连接到与公共电网的地线上。

所述逆变器的拓扑结构为单相全桥、HERIC、H5、H6以及上述四种逆变器的衍生拓扑。

所述滤波电容的中间点连接到串联的直流母线滤波电容两端或中点。

所述第一滤波电容和第二滤波电容的容值大致相同。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

在相同的条件下，本发明提出的LCL非隔离型并网逆变器系统能都有效地抑制光伏电池对地寄生电容上的漏电流，提高进网电流质量，保障人身安全。

在本发明提出的逆变器系统中通过一条导线连接滤波器与直流母线输入端的方法成本低，易于实现。尽管在LCL滤波器结构上需要将一个电容分为两个，但由于两个滤波电容的分压作用，使得改进后的单个的滤波电容上电压应力减小，利于器件的选择。

附图说明

图1为本发明提供的LCL非隔离型并网逆变器系统结构图；

图2为结合HERIC拓扑的LCL非隔离型并网逆变器系统结构图；

图3为结合H5拓扑的LCL非隔离型并网逆变器系统结构图；

图4为结合H6拓扑的LCL非隔离型并网逆变器系统结构图；

图5为LCL非隔离型并网逆变器系统的等效模型图；

图6为传统LCL滤波电路拓扑的寄生电容上电压与电流波形；

图7为本发明提供的LCL滤波电路拓扑的寄生电容上的电压与电流波形；

其中，1-光伏电池板，2-逆变器，3-LCL型滤波器，4-公共电网，E-寄生电容，F-寄生电容与电网电气连接线，G-滤波器与输入侧连接线，L₁-逆变器侧电感，L₂-网侧电感，C_f1、C_f2-直流母线滤波电容，C_PV-寄生电容。

具体实施方式

本发明提供一种LCL非隔离型并网逆变器系统，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的 具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明所述的LCL非隔离型并网逆变器系统，(1)包括光伏电池板1，逆变器拓扑结构2，LCL型滤波器3，公共电网4，光伏电池板对大地等效寄生电容E，寄生电容与电网电气连接线F，滤波器与输入侧连接线G；(2)还包括逆变器侧滤波电感L₁，网侧电感L₂，滤波电容C_f1，滤波电容C_f2，其中滤波电容容值C_f1等于C_f2；(3)所述LCL型滤波器结构包括滤波电容C_f1与C_f2节点H₁，其中滤波电容节点H₁与输入直流母线V₁、V₂或V₃通过线条G相连。

实施例1

以下结合逆变器为HERIC电路的LCL非隔离型并网逆变器系统做具体阐述，如图2所示的HERIC电路，包括第一桥臂、第二桥臂和开关单元；所述开关单元包括开关管Q₅和Q₆；上述开关管Q₅的发射极连接在第一桥臂中点A点，上述开关管Q₆的发射极连接在第二桥臂中点B点，开关管Q₅的集电极与开关管Q₆的集电极相连；逆变器与滤波器连接，具体的，逆变器侧电感分成并联的两个相同电感；上逆变器侧电感连接到开关管Q₅的发射极，下逆变器侧电感连接到开关管Q₆的发射极。

在本实施例中，LCL型滤波器滤波电容C_f1与C_f2节点H₁与直流母线输入端的V₃即O点连接。

传统的逆变器抑制漏电流机制无图2中的线条G，在电网电压过零点附近，因为有源状态时占空比最小，较小占空比丢失。在这个过程中，开关管Q₅和Q₆互补导通，直流侧与交流侧隔离，寄生电容两端电压不变；下一阶段，H桥导通，电路工作在有源状态，寄生电容上电压突变，电容电压周期性变化。因为漏电流与寄生电容上电压的变化率成正比，较小的寄生电容也会流过较大的漏电流。过大的漏电流增加了传导和辐射干扰、进网电流谐波及损耗的增加、危机设备和人员的安全。仿真波形如图6所示，图中显示了寄生电容的电压和电流波形，从图中可以明显的看出在电网电压过零点附近出现电压平台，漏电流较大，达到500mA以上。本发明在已有的基础上，采用所提供的LCL非隔离型并网逆变器系统，可以有效的解决电网电压过零点附近漏电流较大的问题。与传统LCL非隔离型并网逆变器系统不同之处，采用所述的滤波电容C_f1和滤波电容C_f2，其中滤波电容节点H₁与输入直流母线V₁、V₂或V₃通过线条G相连。

本实施例LCL非隔离型并网逆变器系统的等效模型如图5所示，所述图5中A点、B点和O点分别对应所述HERIC电路的A点、B点和O点；所述V_AO为A点到O点的电压；所述V_BO为B点到O点的电压；所述V_AO和V_BO的电压是受两个桥臂和开关单元控制的，在同 一桥臂内，当上管导通时A点和B点对O点的电位即是光伏阵列的输出电压，当下管导通时A点和B点对O点的电位为0，在续流阶段，开关单元的开关管Q₅和Q₆互补导通，A点和B点对O点的电位为光伏阵列输出电压的一半，需要说明的是，由于实际器件的非理想特性，A点与B点的电位并不相等；所述V_cm为寄生电容C_PV上的电压；所述V_Cf2为滤波电容C_f2上的电压；所述V_L2为网侧电感L₂上的电压；所述的线条G连接滤波电容中点H₁和O点。

对所述图5运用KVL定律得：

V_cm＝V_L2-V_cf2 (1)

由公式(1)知，光伏电池板1对地寄生电容C_PV电压与滤波电容C_f2和网侧电感L₂上的电压有关。在电网电压过零点处，因为占空比丢失，直流侧与交流侧隔离，入网电流通过开关管Q₅和Q₆续流。

因为线条G连接滤波电容中点H₁和O点，寄生电容C_PV与LCL滤波器谐振工作，不会出现电压平台现象，连接滤波电容中点和寄生电容C_PV可以有效地降低漏电流。

此时光伏电池板1对地寄生电容C_PV上的漏电流满足：

$i_{\mathrm{cm}}=C_{\mathrm{PV}}\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{cm}}}{\mathrm{dt}}=C_{\mathrm{PV}}\frac{d(V_{L2}-V_{\mathrm{cf}2})}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

寄生电容C_PV上电压电流波形如图7所示，图中显示了寄生电容C_PV上电压与电流波形，对比图6和图7，可以看出在电网电压过零点处，本发明有效地解决了电压平台问题，抑制了漏电流的大小，图中漏电流约为50mA。

本文提到的逆变器的拓扑可以为单相全桥、H5、H6以及相关衍生的拓扑。

实施例2

如图3所示为结合H5拓扑的LCL非隔离型并网逆变器系统结构图，包括第一桥臂、第二桥臂和开关单元；所述开关单元包括开关管Q₅；所述开关管Q₅的发射极连接在两桥臂的上端，集电极连接在光伏电池板的正端；所述逆变器拓扑结构与滤波器连接，具体的，逆变器侧电感分成并联的两个相同电感，上逆变器侧电感连接到第一桥臂的A点，下逆变器侧电感连接到第二桥臂的B点；所述LCL型滤波器滤波电容C_f1与C_f2节点H₁与O点连接。

实施例3

如图4所示为结合H6拓扑的LCL非隔离型并网逆变器系统结构图，包括第一桥臂、第二桥臂和二极管D₁、D₂；所述第一桥臂包括开关管Q₁、Q₃和Q₅；所述第二桥臂包括开关管Q₂、Q₄和Q₆；所述二极管D₁的阳极和阴极分别连接在开关管Q₄的发射极和Q₃的集电极；所述二极管D₂的阳极和阴极分别连接在开关管Q₃的发射极和Q₄的集电极；所述逆变器拓扑结构与滤波器连接，具体的，逆变器侧电感分成并联的两个相同电感，上逆变器侧电感连接 到第一桥臂的A点，下逆变器侧电感连接到第二桥臂的B点；所述LCL型滤波器滤波电容C_f1与C_f2节点H₁与O点连接。

综上所述，由于在电网电压过零点附近，有源状态下占空比丢失的原因，使得传统逆变器抑制漏电流较弱。在此基础上，本发明提出一种新的LCL非隔离型并网逆变器系统有效地抑制光伏电池板1对地寄生电容C_PV上漏电流的大小。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种LCL非隔离型并网逆变器系统，包括逆变器、光伏电池、LCL型滤波器以及公共电网；其特征在于：所述光伏电池包括光伏电池板以及直流母线滤波电容；所述直流母线滤波电容包括串联的第一直流母线滤波电容和第二直流母线滤波电容，所述直流母线滤波电容与光伏电池板并联；所述LCL型滤波器包括逆变器侧电感、网侧电感以及滤波电容，逆变器侧电感分成并联的两个相同电感，分别与逆变器桥臂中间点连接；所述网侧电感分成并联的两个相同电感，分别连接在逆变器侧电感两端，并且连接到公共电网；所述滤波电容连接在逆变器侧电感和网侧电感之间，其包括串联的第一滤波电容和第二滤波电容，两滤波电容的中间点连接到直流母线输入端。

2.根据权利要求1所述的一种LCL非隔离型并网逆变器系统，其特征在于：令光伏电池板相对大地存在等效的寄生电容，所述寄生电容与大地间任意一点通过电气连接线连接到与公共电网的地线上。

3.根据权利要求1所述的一种LCL非隔离型并网逆变器系统，其特征在于：所述逆变器的拓扑结构为单相全桥、HERIC、H5、H6以及上述四种逆变器的衍生拓扑。

4.根据权利要求1至3所述的任意一种LCL非隔离型并网逆变器系统，其特征在于：所述滤波电容的中间点连接到串联的直流母线滤波电容两端或中点。

5.根据权利要求4所述的一种LCL非隔离型并网逆变器系统，其特征在于：所述第一滤波电容和第二滤波电容的容值大致相同。