CN106921175A - 一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器及控制方法 - Google Patents

一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器及控制方法，所述单相非隔离型光伏并网逆变器是由直流母线、五个开关管、两个电感、滤波电容组成。其控制方法是通过本发明的控制开关管状态保证共模电压稳定在0.5Vg，使共模电压不含有高频分量，从而达到抑制漏电流的目的。本发明方法使系统高频共模电压得到有效抑制，其控制方法原理简单，可采用一维调制方法加以实现。

Description

一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器及控制方法
技术领域
本发明涉及逆变器领域，尤其是一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器及控制方法。
背景技术
隔离型光伏逆变器由于变压器的存在，使得逆变器成本提高，以及转换效率降低，而非隔离型光伏逆变器具有成本低，体积小，效率高等特点，所以具有较高市场优势。但是，由于没有变压器的电气隔离作用，光伏电池板和大地之间存在寄生电容，逆变器高频开关动作将导致较大的漏电流，从而引发并网电流畸变、电磁干扰等问题，还可能对人身安全构成威胁，甚至危及生命，因此漏电流抑制问题是光伏逆变器并网运行中的关键问题，具有重要研究意义。
目前国内外研究人员大多针对电压源型新拓扑展开探索，电压源型拓扑直流侧通常采用较大的电解电容稳定直流母线电压，而电解电容寿命一般只有几千小时，因此电容的寿命直接决定了系统的使用寿命和可靠性。此外，电压源型拓扑存在桥臂直通的风险，桥臂直通将导致开关器件过流而烧毁，严重影响系统的寿命和可靠性。因此，亟需新型电流源光伏逆变器及其漏电流抑制方法。中国专利申请号为201610390268.X，名称为：一种可抑制漏电流单相升降压型光伏逆变器及其控制方法，该申请案提出一种电流源光伏逆变器及其漏电流抑制方法，通过合理控制开关管导通顺序对光伏系统中的共模漏电流进行控制，但是该拓扑需六个开关管，提高了成本，并且增加了开关损耗。中国电机工程学报文章《三相H7电流源光伏逆变器共模电流抑制研究》建立了电流源型逆变器共模模型，通过合理分配空间矢量和作用时间，减小共模电压，从而减小系统漏电流。但此方法只适用于三相拓扑，单相电流源逆变器对漏电流的研究文章较少。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够有效抑制高频共模电压和漏电流的单相非隔离型电流源光伏并网逆变器及控制方法。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述第一种逆变器包括直流母线PV、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第一电感Ldc1、第二电感Ldc2、滤波电容C；
直流母线PV一端与第一电感Ldc1一端连接，第一电感Ldc1另一端与“P”端相连，“P”端与第一开关管S1和第三开关管S3连接，第一开关管S1另一端和第二开关管S2连接于“A”点，第三开关管S3另一端和第四开关管S4连接于“B”点；
直流母线PV另一端与第二电感Ldc2一端连接，第二电感Ldc2另一端与“N”端相连，“N”端与第二开关管S2和第四开关管S4连接；
“A”点和第五开关管S5连接，第五开关管S5另一端分别与滤波电容C一端、电网Vg正端连接；“B”点与电网Vg负端连接于“O”点；滤波电容C另一端分别与“B”点、电网Vg负端连接。
第一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，正半周期，控制第一开关管S1、第四开关管S4、第五开关管S5导通，第二开关管S2、第三开关管S3关断；输出电流为正电平Idc，系统共模电压为0.5Vg；当控制第二开关管S2、第三开关管S3导通，且第一开关管S1、第四开关管S4、第五开关管S5关断时，输出电流为零电平0，系统共模电压为0.5Vg；
步骤2，负半周期，控制第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5导通，且第一开关管S1、第四开关管S4关断，输出电流为负电平－Idc，系统共模电压为0.5Vg；当控制第一开关管S1、第二开关管S2导通，且第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5关断时，输出电流为零电平0，系统共模电压为0.5Vg；
实现输出电流三电平的同时，共模电压中不存在高频分量，有效减小系统漏电流。
本发明所述第二种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器，所述逆变器包括直流母线PV、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第一电感Ldc1、第二电感Ldc2、滤波电容C；
直流母线PV一端与第一电感Ldc1一端连接，第一电感Ldc1另一端与“P”端相连，“P”端与第一开关管S1和第三开关管S3连接，第一开关管S1另一端和第二开关管S2连接于“A”点，第三开关管S3另一端和第四开关管S4连接于“B”点；
直流母线PV另一端与第二电感Ldc2一端连接，第二电感Ldc2另一端与“N”端相连，“N”端与第二开关管S2和第四开关管S4连接；
“A”点分别与滤波电容C一端、电网Vg正端连接；“B”点与第五开关管S5一端连接，第五开关管S5另一端与电网Vg负端连接于“O”点；滤波电容C另一端分别与第五开关管S5另一端、电网Vg负端连接。
第二种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，正半周期，控制第一开关管S1、第四开关管S4、第五开关管S5导通，第二开关管S2、第三开关管S3关断；输出电流为正电平Idc，系统共模电压为0.5Vg；当控制第三开关管S3、第四开关管S4导通，且第一开关管S1、第二开关管S2、第五开关管S5关断时，输出电流为零电平0，系统共模电压为0.5Vg；
步骤2，负半周期，控制第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5导通，且第一开关管S1、第四开关管S4关断，输出电流为负电平－Idc，系统共模电压为0.5Vg；当控制第三开关管S3、第四开关管S4导通，且第一开关管S1、第二开关管S2、第五开关管S5关断时，输出电流为零电平0，系统共模电压为0.5Vg；
实现输出电流三电平的同时，共模电压中不存在高频分量，有效减小系统漏电流。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、直流侧不采用电解电容，延长了光伏逆变器的使用寿命，提高系统的可靠性。
2、使系统高频共模电压得到有效抑制，使其只含有低频分量，从而达到抑制漏电流目的。
3、控制方法原理简单，便于实现及应用。
附图说明
图1为本发明第一种电路形式原理图。
图2为单相非隔离型电流源光伏并网逆变器共模模型。
图3为本发明第一种电路形式工作模式1。
图4为本发明第一种电路形式工作模式2。
图5为本发明第一种电路形式工作模式3。
图6为本发明第二种电路形式原理图。
图7为本发明第二种电路形式工作模式1。
图8为本发明第二种电路形式工作模式2。
图9为本发明第二种电路形式工作模式3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，可以看到：本发明的一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器的第一种电路形式，包括直流母线PV、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第一电感Ldc1、第二电感Ldc2、滤波电容C；
直流母线PV一端与第一电感Ldc1一端连接，第一电感Ldc1另一端与“P”端相连，“P”端与第一开关管S1和第三开关管S3连接，第一开关管S1另一端和第二开关管S2连接于“A”点，第三开关管S3另一端和第四开关管S4连接于“B”点；
直流母线PV另一端与第二电感Ldc2一端连接，第二电感Ldc2另一端与“N”端相连，“N”端与第二开关管S2和第四开关管S4连接；
“A”点和第五开关管S5连接，第五开关管S5另一端分别与滤波电容C一端、电网Vg正端连接；“B”点与电网Vg负端连接于“O”点；滤波电容C另一端分别与“B”点、电网Vg负端连接。
通过适当控制，保证并网电流和电网电压同频同相，实现单位功率因数并网运行。
第一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器的控制步骤如下：
步骤1，正半周期，控制第一开关管S1、第四开关管S4、第五开关管S5导通，第二开关管S2、第三开关管S3关断；输出电流为正电平Idc，系统共模电压为0.5Vg；当控制第二开关管S2、第三开关管S3导通，且第一开关管S1、第四开关管S4、第五开关管S5关断时，输出电流为零电平0，系统共模电压为0.5Vg；
步骤2，负半周期，控制第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5导通，且第一开关管S1、第四开关管S4关断，输出电流为负电平－Idc，系统共模电压为0.5Vg；当控制第一开关管S1、第二开关管S2导通，且第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5关断时，输出电流为零电平0，系统共模电压为0.5Vg；
实现输出电流三电平的同时，共模电压中不存在高频分量，有效减小系统漏电流。
如图2所示，可以看到：假设直流侧电感Ldc1与Ldc2相同，Cpv为光伏系统对地寄生电容，系统共模电压定义为VCM＝(VPO+VNO)/2，激励源(VPO+VNO)/2是漏电流产生的根源，如果共模电压激励源呈高频变化，则共模回路中将出现高频共模漏电流，相反，如果共模电压激励源不含有高频分量，则漏电流得到抑制。
图3、图4和图5分别为本发明第一种电路形式的三种工作模式。表1为3种工作模式对应的开关状态和输出电流I及共模电压VCM之间的关系，1代表开关管导通，0代表开关管关断。
表1 不同工作模式下共模电压对照表(第一种电路形式)
如图6所示，本发明的第二种电路形式，包括直流母线PV、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第一电感Ldc1、第二电感Ldc2、滤波电容C；
直流母线PV一端与第一电感Ldc1一端连接，第一电感Ldc1另一端与“P”端相连，“P”端与第一开关管S1和第三开关管S3连接，第一开关管S1另一端和第二开关管S2连接于“A”点，第三开关管S3另一端和第四开关管S4连接于“B”点；
直流母线PV另一端与第二电感Ldc2一端连接，第二电感Ldc2另一端与“N”端相连，“N”端与第二开关管S2和第四开关管S4连接；
“A”点分别与滤波电容C一端、电网Vg正端连接；“B”点与第五开关管S5一端连接，第五开关管S5另一端与电网Vg负端连接于“O”点；滤波电容C另一端分别与第五开关管S5另一端、电网Vg负端连接。通过适当控制，保证并网电流和电网电压同频同相，实现单位功率因数并网运行。
第二种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器的控制步骤如下：步骤1，正半周期，控制第一开关管S1、第四开关管S4、第五开关管S5导通，第二开关管S2、第三开关管S3关断；输出电流为正电平Idc，系统共模电压为0.5Vg；当控制第三开关管S3、第四开关管S4导通，且第一开关管S1、第二开关管S2、第五开关管S5关断时，输出电流为零电平0，系统共模电压为0.5Vg；
步骤2，负半周期，控制第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5导通，且第一开关管S1、第四开关管S4关断，输出电流为负电平－Idc，系统共模电压为0.5Vg；当控制第三开关管S3、第四开关管S4导通，且第一开关管S1、第二开关管S2、第五开关管S5关断时，输出电流为零电平0，系统共模电压为0.5Vg；
实现输出电流三电平的同时，共模电压中不存在高频分量，有效减小系统漏电流。
图6中本发明的一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器的第二种电路形式共模模型为图2所示，与本发明的一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器的第一种电路形式共模模型相同。
图7、图8和图9分别为本发明第二种电路形式的三种工作模式。表2为3种工作模式对应的开关状态和输出电流I及共模电压VCM之间的关系，1代表开关管导通，0代表开关管关断。
表2 不同工作模式下共模电压对照表(第二种电路形式)
综上，通过本专利提出的控制方法，可以实现输出电流三电平的同时，共模电压中不存在高频分量，因此可以有效减小系统漏电流。
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做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 (4)

1.一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器，其特征在于：所述逆变器包括直流母线PV、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第一电感Ldc1、第二电感Ldc2、滤波电容C；
直流母线PV一端与第一电感Ldc1一端连接，第一电感Ldc1另一端与“P”端相连，“P”端与第一开关管S1和第三开关管S3连接，第一开关管S1另一端和第二开关管S2连接于“A”点，第三开关管S3另一端和第四开关管S4连接于“B”点；
直流母线PV另一端与第二电感Ldc2一端连接，第二电感Ldc2另一端与“N”端相连，“N”端与第二开关管S2和第四开关管S4连接；
“A”点和第五开关管S5连接，第五开关管S5另一端分别与滤波电容C一端、电网Vg正端连接；“B”点与电网Vg负端连接于“O”点；滤波电容C另一端分别与“B”点、电网Vg负端连接。
2.基于权利要求1所述的一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，正半周期，控制第一开关管S1、第四开关管S4、第五开关管S5导通，第二开关管S2、第三开关管S3关断；输出电流为正电平Idc，系统共模电压为0.5Vg；当控制第二开关管S2、第三开关管S3导通，且第一开关管S1、第四开关管S4、第五开关管S5关断时，输出电流为零电平0，系统共模电压为0.5Vg；
步骤2，负半周期，控制第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5导通，且第一开关管S1、第四开关管S4关断，输出电流为负电平－Idc，系统共模电压为0.5Vg；当控制第一开关管S1、第二开关管S2导通，且第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5关断时，输出电流为零电平0，系统共模电压为0.5Vg；
实现输出电流三电平的同时，共模电压中不存在高频分量，有效减小系统漏电流。
3.一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器，其特征在于：所述逆变器包括直流母线PV、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第一电感Ldc1、第二电感Ldc2、滤波电容C；
直流母线PV一端与第一电感Ldc1一端连接，第一电感Ldc1另一端与“P”端相连，“P”端与第一开关管S1和第三开关管S3连接，第一开关管S1另一端和第二开关管S2连接于“A”点，第三开关管S3另一端和第四开关管S4连接于“B”点；
直流母线PV另一端与第二电感Ldc2一端连接，第二电感Ldc2另一端与“N”端相连，“N”端与第二开关管S2和第四开关管S4连接；
“A”点分别与滤波电容C一端、电网Vg正端连接；“B”点与第五开关管S5一端连接，第五开关管S5另一端与电网Vg负端连接于“O”点；滤波电容C另一端分别与第五开关管S5另一端、电网Vg负端连接。
4.基于权利要求3所述的一种单相非隔离型电流源光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，正半周期，控制第一开关管S1、第四开关管S4、第五开关管S5导通，第二开关管S2、第三开关管S3关断；输出电流为正电平Idc，系统共模电压为0.5Vg；当控制第三开关管S3、第四开关管S4导通，且第一开关管S1、第二开关管S2、第五开关管S5关断时，输出电流为零电平0，系统共模电压为0.5Vg；
步骤2，负半周期，控制第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5导通，且第一开关管S1、第四开关管S4关断，输出电流为负电平－Idc，系统共模电压为0.5Vg；当控制第三开关管S3、第四开关管S4导通，且第一开关管S1、第二开关管S2、第五开关管S5关断时，输出电流为零电平0，系统共模电压为0.5Vg；
实现输出电流三电平的同时，共模电压中不存在高频分量，有效减小系统漏电流。
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