CN107579675B - 一种可抑制漏电流六开关电流型光伏逆变器拓扑及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可抑制漏电流六开关电流型光伏逆变器拓扑及方法，逆变器由6个可控开关管、6个二极管、2个相同的直流储能电感、2个相同的滤波电感和2个相同的滤波电容组成。由于直流侧用电感代替了电解电容，提高了系统的可靠性，逆变器使用寿命较长。6个开关中，4个开关处于工频模式，另外2个开关采用PWM调制策略，开关损耗较低。本发明的逆变器直流侧只需要低电压就能实现单级逆变并网；同时，不存在桥臂直通问题。在电感充电期间断开了直流侧和交流侧，可使光伏系统对地寄生电容两端电压不含高频分量，从而对漏电流有效抑制。由于在隔离时加上了分裂电容的钳位电路，漏电流抑制效果得到进一步提升。

Description

一种可抑制漏电流六开关电流型光伏逆变器拓扑及方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体是一种可抑制漏电流六开关电流型光伏逆变器及其控制方法。

背景技术

随着化石能源的不断消耗和日益严峻的环境问题，新能源的开发研究成为必然的趋势，太阳能作为一种重要的可再生能源，光伏发电会越来越广泛。逆变器作为其中的重要装置，起着十分关键的作用。而在传统逆变器中，为了实现升压和抑制共模电压，一般采用加装变压器的方法来实现电网和光伏电池电气隔离。然而，若采用低频变压器会增加系统的体积、重量和成本，降低变换效率；若采用高频变压器，会使系统的控制复杂化，同时降低系统的效率。因此，非隔离的逆变器具有效率高、体积小、重量轻和成本低的优点。但是，没有了变压器的电气隔离，使得光伏电池和电网之间有了直接的电气连接，由于光伏电池板和大地之间的寄生电容的存在，会产生共模电流(漏电流)。漏电流不仅会造成人身安全威胁、降低系统稳定性，还会对周围设备造成严重的传导和辐射干扰、增加并网电流谐波以及系统损耗。因此，非隔离式并网逆变器得以广泛应用而必须要解决的就是漏电流问题，研究消除漏电流的方法对光伏并网发电的发展有重要的意义。

对于全桥结构的逆变器，如果采用双极性调制，则能够维持共模电压的恒定，但是采用双极性调制时，电感电流纹波是单极性的两倍，同时，开关损耗增加，所以这种方式并不理想。

电压型逆变器是一种降压性逆变器，即直流侧电压一定要大于交流侧输出电压的峰值，然而光伏电池板输出的电压等级较低，不能直接进行并网发电，因此往往在前级加入升压电路。相比与电压型逆变器，电流型逆变器具有自身优势其主要优点在于：(1)电流型逆变器本身具有升压特性，不需要在前级添加升压电路；(2)电流型并网逆变采用CL滤波器结构，不存在谐波抑制和稳定性之间的矛盾；(3)电流型逆变器采用电感作为储能元件，省去了直流侧的电解电容，提高了系统的可靠性；(4)电流型光伏并网逆变器允许桥臂直通，不存在桥臂短路隐患。

发明内容

本发明目的在于提供一种无需电解电容、使用寿命较长、可实现单级逆变并网的可抑制漏电流六开关电流型光伏逆变器拓扑及方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述拓扑包括光伏电池板、可控开关管S₁、可控开关管S₂、可控开关管S₃、可控开关管S₄、可控开关管S₅、可控开关管S₆、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、感值相同的直流储能电感L₁和直流储能电感L₂、感值相同的交流滤波电感L_f1和交流滤波电感L_f2、容值相同的交流滤波电容C_f1和交流滤波电容C_f2、电网U_g；

其中，光伏电池板的“+”端与直流储能电感L₁的直流储能一端连接，直流储能电感L₁的另外一端分别与可控开关管S₁的集电极和可控开关管S₃的集电极连接；光伏电池板的“-”端与直流储能电感L₂的一端连接，直流储能电感L₂的另外一端分别与可控开关管S₅的发射极、二极管D₂阴极和二极管D₄阴极连接；可控开关管S₁的发射极与二极管D₁、二极管D₅的阳极连接，可控开关管S₃的发射极和二极管D₃、二极管D₆的阳极连接，可控开关管S₅的集电极与二极管D₅、二极管D₆的阴极连接，可控开关管S₂的发射极与二极管D₂的阳极连接，可控开关管S₄的发射极与二极管D₄的阳极连接；交流滤波电容C_f1的“+”端分别与二极管D₁的阴极和可控开关管S₂的集电极连接，交流滤波电容C_f2的“-”端分别与二极管D₃的阴极和可控开关管S₄的集电极连接，交流滤波电容C_f1的“-”端分别与可控开关管S₆的发射极和滤波电容C_f2的“+”端连接，可控开关管S₆的集电极和S₅的集电极连接，滤波电容C_f1的“+”端通过交流滤波电感L_f1与电网U_g的“+”端连接，滤波电容C_f2的“-”端通过交流滤波电感L_f2与电网U_g的“-”端连接。

一种可抑制漏电流六开关电流型光伏逆变器拓扑的控制方法：

(1)在并网电流正半周期内，可控开关管S₁与可控开关管S₄一直导通，可控开关管S₂与可控开关管S₃一直关断，可控开关管S₅采用PWM调制控制其导通或关断，当可控开关管S₅关断时，并网电流的路径为：光伏电池板的“+”端→电感L₁→可控开关管S₁→二极管D₁→电感L_f1→电网→电感L_f2→可控开关管S₄→二极管D₄→电感L₂→光伏电池板的“-”端→光伏电池板的“+”端；当S₅导通时，并网电流的路径为：滤波电容C_f1的“+”端→电感L_f1→电网→电感L_f2→滤波电容C_f2的“-”端→滤波电容C_f2的“+”端→滤波电容C_f1的“-”端→滤波电容C_f1的“+”端；

(2)在并网电流负半周期内，可控开关管S₁与可控开关管S₄一直关断，可控开关管S₂与可控开关管S₃一直导通，可控开关管S₅采用PWM调制控制其导通或关断，当可控开关管S₅关断时，并网电流的路径为：光伏电池板的“+”端→电感L₁→可控开关管S₃→二极管D₃→电感L_f2→电网→电感L_f1→可控开关管S₂→二极管D₂→电感L₂→光伏电池板的“-”端→光伏电池板的“+”端；当可控开关管S₅导通时，电网电流的路径为：滤波电容C_f2的“-”端→电感L_f2→电网→电感L_f1→滤波电容C_f1的“+”端→滤波电容C_f1的“-”端→滤波电容C_f2的“+”端→滤波电容C_f2的“-”端。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、该拓扑无需电解电容，使用寿命较长，可以实现单级逆变并网。

2、六个开关管中，四个开关管处于工频模式，只有两个开关管处于高频模式，降低了开关损耗，系统效率较高。

3、该并网逆变器具有升压特性，直流侧只需低电压就能实现并网电压要求，不再需要前级的升压装置。

4、该拓扑及其控制方法可以保持共模电压恒定，从而有效抑制漏电流。

附图说明

图1为本发明逆变器拓扑结构图。

图2为本发明逆变器一个周期中开关驱动波形图。

图3为本发明工作模式1。

图4为本发明工作模式2。

图5为本发明工作模式3。

图6为本发明工作模式4。

图7为本发明的光伏逆变器并网电流和并网电压仿真图。

图8为本发明的光伏逆变器在不加钳位电路时寄生电容两端电压与共模电流仿真图。

图9为本发明的光伏逆变器在加入钳位电路时寄生电容两端电压与共模电流仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本文提出的可抑制漏电流六开关电流型光伏逆变器拓扑结构，它主要由光伏电池阵列模块、六个可控开关管、六个二极管、两个相同的直流储能电感、两个相同的滤波电感和两个电容组成。直流母线的“+”端与电感L₁的一端连接，直流母线的“-”端与电感L₂的一端连接，电感L₁的另外一端分别与开关S₁的集电极和开关S₃的集电极连接，电感L₂的另外一端分别与开关S₅的发射极、D₂和D₄的阴极连接，开关S₁的发射极与二极管D₁、二极管D₅的阳极连接，开关S₃的发射极和二极管D₃、二极管D₆的阳极连接，开关S₅的集电极与二极管D₅、二极管D₆的阴极连接，开关S₂的发射极与二极管D₂的阳极连接，开关S₄的发射极与二极管D₄的阳极连接，滤波电容C_f1的“+”端分别与二极管D₁的阴极和开关S₂的集电极连接，滤波电容C_f2的“-”端分别与二极管D₃的阴极和开关S₄的集电极连接，滤波电容C_f1的“-”端分别开关S₆的发射极和滤波电容C_f2的“+”端连接，开关S₆的集电极和S₅的集电极连接，滤波电容C_f1的“+”端通过滤波电感L_f1与电网的“+”端连接，滤波电容C_f2的“-”端通过滤波电感L_f2与电网的“-”端连接。通过闭环控制，可以实现单位功率因数并网运行。C_pv为光伏和地之间的寄生电容，其大小和大气条件、光伏电池板面积结构等因素有关，一般在50～150nF/kW左右。

当本发明的光伏并网逆变器工作在并网电流正半周期内，开关管S₁与开关管S₄常通，开关管S₂与开关管S₃常断，开关管S₅和开关管S₆采用PWM调制控制其导通或关断，在图3中，当开关管S₅关断时，即光伏系统寄生电容C_pv两端电压为此时共模电压U_cm＝U_pv/2，图4中，当S₅导通时，即光伏系统寄生电容C_pv两端电压为此时共模电压U_cm＝U_pv/2。

当本发明的光伏并网逆变器工作在并网电流负半周期内，开关管S₂与开关管S₃常通，开关管S₁与开关管S₄常断，开关管S₅和开关管S₆采用PWM调制控制其导通或关断，在图5中，当开关管S₅关断时，即光伏系统寄生电容C_pv两端电压为此时共模电压U_cm＝U_pv/2，图6中，当开关管S₅导通时，即光伏系统寄生电容C_pv两端电压为此时共模电压U_cm＝U_pv/2。

表1中列出了4个工作模式的开关状态和对应的C_pv两端电压以及共模电压。其中U_m、和ω分别为电网电压的幅值，相位和频率，ON代表开关管导通，OFF代表开关管关断。

表1

由表1可知，共模电压恒定，寄生电容C_pv两端电压不含高频分量，由系统漏电流

根据上述分析可知，该拓扑可以有抑制漏电流。

图8为本发明的光伏逆变器寄生电容两端电压与共模电流仿真图，寄生电容两端电压不含高频分量，漏电流较小，和表1的分析相吻合。

图9为本发明的光伏逆变器在加入钳位电路之后寄生电容两端电压与共模电流仿真图，对比图8可以看到加入钳位电路之后漏电流抑制效果得到进一步明显提升。

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 (2)

1.一种可抑制漏电流六开关电流型光伏逆变器拓扑，其特征在于：所述拓扑包括光伏电池板、可控开关管S₁、可控开关管S₂、可控开关管S₃、可控开关管S₄、可控开关管S₅、可控开关管S₆、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、感值相同的直流储能电感L₁和直流储能电感L₂、感值相同的交流滤波电感L_f1和交流滤波电感L_f2、容值相同的交流滤波电容C_f1和交流滤波电容C_f2、电网U_g；

其中，光伏电池板的“+”端与直流储能电感L₁的一端连接，直流储能电感L₁的另外一端分别与可控开关管S₁的集电极和可控开关管S₃的集电极连接；光伏电池板的“-”端与直流储能电感L₂的一端连接，直流储能电感L₂的另外一端分别与可控开关管S₅的发射极、二极管D₂阴极和二极管D₄阴极连接；可控开关管S₁的发射极与二极管D₁、二极管D₅的阳极连接，可控开关管S₃的发射极和二极管D₃、二极管D₆的阳极连接，可控开关管S₅的集电极与二极管D₅、二极管D₆的阴极连接，可控开关管S₂的发射极与二极管D₂的阳极连接，可控开关管S₄的发射极与二极管D₄的阳极连接；交流滤波电容C_f1的“+”端分别与二极管D₁的阴极和可控开关管S₂的集电极连接，交流滤波电容C_f2的“-”端分别与二极管D₃的阴极和可控开关管S₄的集电极连接，交流滤波电容C_f1的“-”端分别与可控开关管S₆的发射极和滤波电容C_f2的“+”端连接，可控开关管S₆的集电极和S₅的集电极连接，滤波电容C_f1的“+”端通过交流滤波电感L_f1与电网U_g的“+”端连接，滤波电容C_f2的“-”端通过交流滤波电感L_f2与电网U_g的“-”端连接。

2.一种基于权利要求1所述可抑制漏电流六开关电流型光伏逆变器拓扑的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在并网电流正半周期内，可控开关管S₁与可控开关管S₄一直导通，可控开关管S₂与可控开关管S₃一直关断，可控开关管S₅采用PWM调制控制其导通或关断，当可控开关管S₅关断时，并网电流的路径为：光伏电池板的“+”端→电感L₁→可控开关管S₁→二极管D₁→电感L_f1→电网→电感L_f2→可控开关管S₄→二极管D₄→电感L₂→光伏电池板的“-”端→光伏电池板的“+”端；当可控开关管S₅导通时，并网电流的路径为：滤波电容C_f1的“+”端→电感L_f1→电网→电感L_f2→滤波电容C_f2的“-”端→滤波电容C_f2的“+”端→滤波电容C_f1的“-”端→滤波电容C_f1的“+”端；

(2)在并网电流负半周期内，可控开关管S₁与可控开关管S₄一直关断，可控开关管S₂与可控开关管S₃一直导通，可控开关管S₅采用PWM调制控制其导通或关断，当可控开关管S₅关断时，并网电流的路径为：光伏电池板的“+”端→电感L₁→可控开关管S₃→二极管D₃→电感L_f2→电网→电感L_f1→可控开关管S₂→二极管D₂→电感L₂→光伏电池板的“-”端→光伏电池板的“+”端；当可控开关管S₅导通时，电网电流的路径为：滤波电容C_f2的“-”端→电感L_f2→电网→电感L_f1→滤波电容C_f1的“+”端→滤波电容C_f1的“-”端→滤波电容C_f2的“+”端→滤波电容C_f2的“-”端。