CN106877716B - 一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器 - Google Patents

一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器，该拓扑首先在三相桥式逆变器的交流侧加入了一个续流开关（由三相不控整流桥和一个开关管S 7组成），该续流开关可使逆变器续流电流不流经输入电源，省去了能量回馈电源这个环节，提高了非隔离光伏逆变器的转换效率。其次在逆变器直流输入电容的1/3和2/3电位点和续流开关之间加入两个箝位开关管S H和S L，使得续流阶段逆变器共模电压被有效箝位至直流输入电压的1/3和2/3，改善了逆变器的共模特性，从而抑制了光伏逆变器的共模漏电流，确保了使用时的人身和设备安全。

Description

一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子直流-交流变换技术领域，特别是一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器。
背景技术
光伏并网逆变器要求效率高、成本低，能够承受光伏电池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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器，该拓扑可以改善逆变器共模特性，提高逆变器的变换效率。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器，包括太阳能电池、三相桥式逆变器、滤波电路和负载电路，还包括续流开关和箝位电路；三相桥式逆变器包括第一至第六开关管，滤波电路包括第一至第三滤波电感和第一至第三滤波电容，负载电路包括第一至第三电阻，续流开关包括第七开关管和三相不控整流桥，三相不控整流桥包括第一至第六整流二极管，箝位电路包括第一至第三电容、上箝位开关管和下箝位开关管；其中，
太阳能电池的正极与第一电容的正极、第一开关管的漏极、第三开关管的漏极、第五开关管的漏极分别相连，太阳能电池的负极与第三电容的负极、第四开关管的源极、第六开关管的源极、第二开关管的源极分别相连，第一开关管的源极与第四开关管的漏极、第一滤波电感的一端、第一整流二极管的阳极分别连接，第三开关管的源极与第六开关管的漏极、第二滤波电感的一端、第二整流二极管的阳极分别连接，第五开关管的源极与第二开关管的漏极、第三滤波电感的一端、第三整流二极管的阳极分别连接，第一电容的负极与第二电容的正极、上箝位开关管的漏极分别连接，第二电容的负极与第三电容的正极、下箝位开关管的源极分别连接，上箝位开关管的源极与第七开关管的源极、第四整流二极管的阳极、第五整流二极管的阳极、第六整流二极管的阳极分别连接，下箝位开关管的漏极与第七开关管的漏极、第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极、第三整流二极管的阴极分别连接，第一整流二极管的阳极与第四整流二极管的阴极连接，第二整流二极管的阳极与第五整流二极管的阴极连接，第三整流二极管的阳极与第六整流二极管的阴极连接，第一滤波电感的另一端与第一滤波电容的正极、第一电阻的一端分别连接，第二滤波电感的另一端与第二滤波电容的正极、第二电阻的一端分别连接，第三滤波电感的另一端与第三滤波电容的正极、第三电阻的一端分别连接，第一滤波电容的负极与第二滤波电容的负极、第三滤波电容的负极、第一电阻的另一端、第二电阻的另一端、第三电阻的另一端分别连接。
作为本发明所述的一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器进一步优化方案，第一至第六开关管、第七开关管、上箝位开关管和下箝位开关管均为IXYS公司、型号为IXFH10N100P的MOSFET。
作为本发明所述的一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器进一步优化方案，第一至第三电容为450V/220μF的电解电容。
作为本发明所述的一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器进一步优化方案，第一至第六整流二极管均采用型号为MRU880的电力二极管。
作为本发明所述的一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器进一步优化方案，第一至第三滤波电感的大小均取为5mH，第一至第三滤波电容均采用400V/1μF的薄膜电容。
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：带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器由于续流开关的加入，使得续流阶段续流电流不流经电源，省去了能量回馈电源这个环节，提高了逆变器的变换效率。箝位电路的加入，使得续流阶段续流回路被箝位至直流输入电压的1/3或2/3，可以有效抑制共模漏电流。同时与现有的一些方案相比，本发明所使用的开关管数量较少，损耗减小，成本降低，可靠性提高。
附图说明
图1为带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器主电路拓扑。
图2(a)为处于模态1时的带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器。
图2(b)为处于模态2时的带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器。
图2(c)为处于模态3时的带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器。
图2(d)为处于模态4时的带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器。
图2(e)为处于模态5时的带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器。
图2(f)为处于模态6时的带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器。
图2(g)为处于模态7时的带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器。
图2(h)为处于模态8时的带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器。
图3为带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器驱动信号时序图。
图中的附图标记解释为：U PV为太阳能电池，S 1- S 7分别为第一至第七开关管，L a、 L b、L c分别为第一至第三滤波电感，C fa、C fb、C fc分别为第一至第三滤波电容， R a、 R b 、 R c 分别为第一至第三电阻，D a1、 D b1、 D c1、D a2、 D b2、D c2分别为第一至第六整流二极管，C dc1、C dc2、C dc3分别为第一至第三电容，S H为上箝位开关管，S L为下箝位开关管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明的技术解决方案是：带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器的主电路拓扑如图1所示，在三相桥式逆变器的基础上加入了续流开关（由三相不控整流桥和第七开关管S 7组成）和箝位电路（由第一至第三电容C dc1、C dc2、C dc3和上箝位开关管S H、下箝位开关管S L组成）。
一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器，包括太阳能电池U PV、三相桥式逆变器、滤波电路和负载电路，还包括续流开关和箝位电路，三相桥式逆变器包括第一至第六开关管S 1- S 6，滤波电路包括第一至第三滤波电感L a、 L b、L c和第一至第三滤波电容C fa、C fb、C fc，负载电路包括第一至第三电阻R a、 R b 、 R c ，续流开关包括第七开关管S 7和三相不控整流桥，三相不控整流桥包括第一至第六整流二极管D a1、 D b1、 D c1、D a2、 D b2、D c2，箝位电路包括第一至第三电容C dc1、C dc2、C dc3、上箝位开关管S H和下箝位开关管S L；其中，
太阳能电池的正极与第一电容的正极、第一开关管的漏极、第三开关管的漏极、第五开关管的漏极分别相连，太阳能电池的负极与第三电容的负极、第四开关管的源极、第六开关管的源极、第二开关管的源极分别相连，第一开关管的源极与第四开关管的漏极、第一滤波电感的一端、第一整流二极管的阳极分别连接，第三开关管的源极与第六开关管的漏极、第二滤波电感的一端、第二整流二极管的阳极分别连接，第五开关管的源极与第二开关管的漏极、第三滤波电感的一端、第三整流二极管的阳极分别连接，第一电容的负极与第二电容的正极、上箝位开关管的漏极分别连接，第二电容的负极与第三电容的正极、下箝位开关管的源极分别连接，上箝位开关管的源极与第七开关管的源极、第四整流二极管的阳极、第五整流二极管的阳极、第六整流二极管的阳极分别连接，下箝位开关管的漏极与第七开关管的漏极、第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极、第三整流二极管的阴极分别连接，第一整流二极管的阳极与第四整流二极管的阴极连接，第二整流二极管的阳极与第五整流二极管的阴极连接，第三整流二极管的阳极与第六整流二极管的阴极连接，第一滤波电感的另一端与第一滤波电容的正极、第一电阻的一端分别连接，第二滤波电感的另一端与第二滤波电容的正极、第二电阻的一端分别连接，第三滤波电感的另一端与第三滤波电容的正极、第三电阻的一端分别连接，第一滤波电容的负极与第二滤波电容的负极、第三滤波电容的负极、第一电阻的另一端、第二电阻的另一端、第三电阻的另一端分别连接。
第一至第三电阻R a、 R b 、 R c 分别作为A相负载、B相负载、C相负载。
如图3所示, 给出了本发明在一种控制方案中的控制时序图，图中从上至下波形分别为：第一开关管S 1的栅源电压波形V gs1；第四开关管S 4的栅源电压波形V gs4；第三开关管S 3的栅源电压波形V gs3；第六开关管S 6的栅源电压波形V gs6；第五开关管S 5的栅源电压波形V gs5；第二开关管S 2的栅源电压波形V gs2；第七开关管S 7的栅源电压波形V gs7；上箝位开关管S H的栅源电压波形V gsH；下箝位开关管S L的栅源电压波形V gsL。该非隔离光伏逆变器按三个上桥臂开关管的开关状态可分为八种工作模态。
定义逆变器开关状态为[M 1,M 3,M 5,M 7,M H,M L]，其中，M 1为第一开关管的状态，M 3为第三开关管的状态，M 5第五开关管的状态，M 7为第七开关管的状态，M H为上箝位开关管的状态，M L为下箝位开关管的状态；
若第一开关管开通第四开关管关断则M 1=1，若第三开关管开通第六开关管关断则M 3=1，若第五开关管开通第二开关管关断则M 5=1，第四开关管开通第一开关管关断则M 1=0，若第第六开关管开通第三开关管关断则M 3=0，若第二开关管开通第五开关管关断则M 5=0，若第一至第六开关管均关断，则M 1,M 3,M 5均用Z表示，若第七开关管导通则M 7=1，若第七开关管关断则M 7=0，若上箝位开关管导通则M H =1，若上箝位开关管关闭则M H =0，若下箝位开关管导通则M L =1，若下箝位开关管关闭则M L =0；
因此逆变器6个非续流开关模态分别是[1,0,0,0,0,0]、[1,1,0,0,0,0]、[0,1,0,0,0,0]、[0,1,1,0,0,0]、[0,0,1,0,0,0]和[1,0,1,0,0,0]，2个续流开关模态分别是[Z,Z,Z,1,1,0]和[Z,Z,Z,1,0,1]。各模态如附图2(a)至图2(h)所示，以下简要介绍各工作模态时逆变器的工作原理：
模态1：
如图2(a)所示，在[1,0,0,0,0,0]开关状态，开关管S 1、S 6和S 2的栅源电压为高电平，S 1、S 6和S 2处于导通状态；开关管S 3、S 4、S 5、S 7、S H和S L的栅源电压为零，S 3、S 4、S 5、S 7、S H和S L处于关断状态。电流从电源正极流出，流经S 1—L a—A相负载—中点N—B相负载、C相负载—L b、L c—S 2、S 6 ，最后流回电源负极。此时V AQ=V PV，V BQ=V CQ= 0，故共模电压V cm=(V AQ+V BQ+V CQ)/3=1/3V PV。
模态2：
如图2(b)所示，在[1,1,0,0,0,0]开关状态，开关管S 1、S 3和S 2的栅源电压为高电平，S 1、S 3和S 2处于导通状态；开关管S 4、S 5、S 6、S 7、S H和S L的栅源电压为零，S 4、S 5、S 6、S 7、S H和S L处于关断状态。电流从电源正极流出，流经S 1、S 3—L a、L b—A相负载、B相负载—中点N—C相负载—L c—S 2，最后流回电源负极。此时V AQ= V BQ=V PV，V CQ= 0，故共模电压V cm=(V AQ+V BQ+V CQ)/3=2/3V PV。
模态3：
如图2(c)所示，在[0,1,0,0,0,0]开关状态，开关管S 4、S 3和S 2的栅源电压为高电平，S 4、S 3和S 2处于导通状态；开关管S 1、S 5、S 6、S 7、S H和S L的栅源电压为零，S 1、S 5、S 6、S 7、S H和S L处于关断状态。电流从电源正极流出，流经S 3—L b—B相负载—中点N—A相负载、C相负载—L a、L c—S 4、S 2 ，最后流回电源负极。此时V BQ=V PV，V AQ=V CQ= 0，故共模电压V cm=(V AQ+V BQ+V CQ)/3=1/3V PV。
模态4：
如图2(d)所示，在[0,1,1,0,0,0]开关状态，开关管S 4、S 3和S 5的栅源电压为高电平，S 4、S 3和S 5处于导通状态；开关管S 1、S 2、S 6、S 7、S H和S L的栅源电压为零，S 1、S 2、S 6、S 7、S H和S L处于关断状态。电流从电源正极流出，流经S 3、S 5—L b、L c—B相负载、C相负载—中点N—A相负载—L a—S 4，最后流回电源负极。此时V BQ= V CQ=V PV，V AQ= 0，故共模电压V cm=(V AQ+V BQ+V CQ)/3=2/3V PV。
模态5：
如图2(e)所示，在[0,0,1,0,0,0]开关状态，开关管S 4、S 6和S 5的栅源电压为高电平，S 4、S 6和S 5处于导通状态；开关管S 1、S 2、S 3、S 7、S H和S L的栅源电压为零，S 1、S 2、S 3、S 7、S H和S L处于关断状态。电流从电源正极流出，流经S 5—L c—C相负载—中点N—A相负载、B相负载—L a、L b—S 4、S 6，最后流回电源负极。此时V AQ= V BQ=0，V CQ=V PV，故共模电压V cm=(V AQ+V BQ+V CQ)/3=1/3V PV。
模态6：
如图2(f)所示，在[1,0,1,0,0,0]开关状态，开关管S 1、S 6和S 5的栅源电压为高电平，S 1、S 6和S 5处于导通状态；开关管S 2、S 3、S 4、S 7、S H和S L的栅源电压为零，S 2、S 3、S 4、S 7、S H和S L处于关断状态。电流从电源正极流出，流经S 1、S 5—L a、L c—A相负载、C相负载—中点N—B相负载—L b—S 6，最后流回电源负极。此时V AQ= V CQ=V PV，V BQ= 0，故共模电压V cm=(V AQ+V BQ+V CQ)/3=2/3V PV。
模态7：
一旦开关管S 1、S 3和S 5的栅源电压同时为高电平，开关管S 1、S 3、S 5处于导通状态，那么开关管S 1、S 2、S 3、S 4、S 5和S 6需要立即关断，S 7和S H导通，电路进入续流阶段。该模态的前一状态一般是上桥臂的三个开关管中有两个导通，这里以模态2进入模态7为例，在[Z,Z,Z,1,1,0]开关状态，如图2(g)所示，其他情况类似。这时电感电流续流，电流依次流经L a、L b—A相负载、B相负载—中点N—C相负载—L c—D c1—S 7—D a2、D b2；续流阶段，太阳能电池板输出端与电网断开。开关管S H的导通使V AQ、V BQ、V CQ的电位被箝位至输入电压的2/3。该续流阶段，V AQ=V BQ= V CQ=2/3V PV故共模电压V cm=(V AQ+V BQ+V CQ)/3=2/3V PV。
模态8：
一旦开关管S 4、S 6和S 2的栅源电压同时为高电平，开关管S 4、S 6、S 2处于导通状态，那么开关管S 1、S 2、S 3、S 4、S 5和S 6需要立即关断，S 7和S L导通，电路进入续流阶段。该模态的前一状态一般是上桥臂的三个开关管中有一个导通，这里以模态5进入模态0为例，在[Z,Z,Z,1,0,1]开关状态，如图2(h)所示，其他情况类似。电感电流续流，电流依次流经L c—C相负载—中点N—A相负载、B相负载—L a、L b—D a1、D b1—S 7—D c2；续流阶段，太阳能电池板输出端与电网断开。下箝位开关管S L的导通使V AQ、V BQ、V CQ的电位被箝位至输入电压的1/3。该续流阶段，V AQ=V BQ= V CQ=1/3V PV故共模电压V cm=(V AQ+V BQ+V CQ)/3=1/3V PV。
由以上分析可知，由于逆变器续流阶段续流回路被箝位至输入电压的三分之一或二分之一，逆变器的共模电压变化范围从原来的0~V PV减少到1/3V PV~2/3V PV，可确定共模漏电流得到抑制，降低了系统的电磁干扰，保证了人身和设备的安全。此外，开关S 7和整流桥构成了续流回路，从而使得续流阶段续流电流不流经电源，省去了能量回馈电源这个环节，提高了逆变器的变换效率。
综上所述，本发明解决了三相非隔离光伏逆变器共模漏电流大、变换效率低等技术问题，为抑制三相非隔离光伏逆变器共模漏电流提供了一种结构，具有一定的工程应用价值。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器，包括太阳能电池、三相桥式逆变器、滤波电路和负载电路，其特征在于，还包括续流开关和箝位电路；三相桥式逆变器包括第一至第六开关管，滤波电路包括第一至第三滤波电感和第一至第三滤波电容，负载电路包括第一至第三电阻，续流开关包括第七开关管和三相不控整流桥，三相不控整流桥包括第一至第六整流二极管，箝位电路包括第一至第三电容、上箝位开关管和下箝位开关管；其中，
太阳能电池的正极与第一电容的正极、第一开关管的漏极、第三开关管的漏极、第五开关管的漏极分别相连，太阳能电池的负极与第三电容的负极、第四开关管的源极、第六开关管的源极、第二开关管的源极分别相连，第一开关管的源极与第四开关管的漏极、第一滤波电感的一端、第一整流二极管的阳极分别连接，第三开关管的源极与第六开关管的漏极、第二滤波电感的一端、第二整流二极管的阳极分别连接，第五开关管的源极与第二开关管的漏极、第三滤波电感的一端、第三整流二极管的阳极分别连接，第一电容的负极与第二电容的正极、上箝位开关管的漏极分别连接，第二电容的负极与第三电容的正极、下箝位开关管的源极分别连接，上箝位开关管的源极与第七开关管的源极、第四整流二极管的阳极、第五整流二极管的阳极、第六整流二极管的阳极分别连接，下箝位开关管的漏极与第七开关管的漏极、第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极、第三整流二极管的阴极分别连接，第一整流二极管的阳极与第四整流二极管的阴极连接，第二整流二极管的阳极与第五整流二极管的阴极连接，第三整流二极管的阳极与第六整流二极管的阴极连接，第一滤波电感的另一端与第一滤波电容的正极、第一电阻的一端分别连接，第二滤波电感的另一端与第二滤波电容的正极、第二电阻的一端分别连接，第三滤波电感的另一端与第三滤波电容的正极、第三电阻的一端分别连接，第一滤波电容的负极与第二滤波电容的负极、第三滤波电容的负极、第一电阻的另一端、第二电阻的另一端、第三电阻的另一端分别连接。
2.根据权利要求1所述的一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器，其特征在于，第一至第六开关管、第七开关管、上箝位开关管和下箝位开关管均为IXYS公司、型号为IXFH10N100P的MOSFET。
3.根据权利要求1所述的一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器，其特征在于，第一至第三电容为450V/220μF的电解电容。
4.根据权利要求1所述的一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器，其特征在于，第一至第六整流二极管均采用型号为MRU880的电力二极管。
5.根据权利要求1所述的一种带续流开关的箝位型三相非隔离光伏逆变器，其特征在于，第一至第三滤波电感的大小均取为5mH，第一至第三滤波电容均采用400V/1μF的薄膜电容。
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