CN108390583B - 一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构 - Google Patents

一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构，包括三相六开关管、三相输出滤波器、三相负载和三相箝位电路，三相箝位电路包括第一、第二、第三直流电容以及上、下直流开关管和上、下箝位开关管，第一直流电容的正极、上直流开关管的漏极分别与太阳能电池的正极相连，第三直流电容的负极、下直流开关管的源极分别与太阳能电池的负极相连，上箝位开关管的源极分别与第一直流电容的负极、第二直流电容的正极相连，下箝位开关管的漏极分别与第二直流电容的负极、第三直流电容的正极相连，上直流开关管的源极与上箝位开关管的漏极相连，下直流开关管的漏极与下箝位开关管的源极相连。本发明的优点是有效抑制共模漏电流和对地漏电流。

Description

一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构，属于电力电子直流—交流变换技术领域。
背景技术
光伏逆变器要求转换效率高、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。光伏逆变器按照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。非隔离型光伏逆变器的结构不含变压器，因此具有高效、成本低、体积小等优点，被广泛应用于并网配电系统中，但同时它也因缺少电气隔离而带来一定危害。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。漏电流的存在会增加逆变器输出电流谐波含量，增大电磁干扰，从而降低电能质量，引发电网畸变，造成不必要的功率损失等。如果人体位于这一共模回路中，漏电流还会对人身安全构成威胁，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
本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构，能够改善逆变器的共模特性，提高逆变器的变换效率，消除共模漏电流，确保人身和设备安全。
为了达到以上目的，本发明提供了一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构， 包括三相六开关管、三相输出滤波器和三相负载，其改进之处在于，还包括三相箝位电路，三相箝位电路包括第一直流电容、第二直流电容、第三直流电容、上直流开关管、下直流开关管、上箝位开关管和下箝位开关管；第一直流电容的正极、上直流开关管的漏极分别与太阳能电池的正极相连，第三直流电容的负极、下直流开关管的源极分别与太阳能电池的负极相连，上箝位开关管的源极分别与第一直流电容的负极、第二直流电容的正极相连，下箝位开关管的漏极分别与第二直流电容的负极、第三直流电容的正极相连；上直流开关管的源极与上箝位开关管的漏极相连，下直流开关管的漏极与下箝位开关管的源极相连。
本发明的主电路拓扑由十个开关管、三个直流电容、三个滤波电感、三个滤波电容和三相负载组成。该拓扑在三相三线桥式逆变器（由三相六开关管、三相输出滤波器和三相负载组成）的直流母线正、负端对称加入了两个直流开关管S7和S8；在逆变器直流输入电容的2/3和1/3电位点与靠近逆变桥的正、负直流母线之间分别加入两个箝位开关管S9和S10，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。
优选地，上直流开关管的源极还分别与第一开关管、第三开关管、第五开关管的漏极相连。
优选地，下直流开关管的漏极还分别与第四开关管、第六开关管、第二开关管的源极相连。
优选地，第一开关管的源极与第四开关管的漏极相连，第三开关管的源极与第六开关管的漏极相连，第五开关管的源极与第二开关管的漏极相连。
优选地，在第一开关管的源极与第四开关管的漏极之间具有连接点A，连接点A与A相滤波电感的一端相连，A相滤波电感的另一端分别与A相滤波电容、A相电阻的一端相连。
优选地，在第三开关管的源极与第六开关管的漏极之间具有连接点B，连接点B与B相滤波电感的一端相连，B相滤波电感的另一端分别与B相滤波电容、B相电阻的一端相连。
优选地，在第五开关管的源极与第二开关管的漏极之间具有连接点C，连接点C与C相滤波电感的一端相连，C相滤波电感的另一端分别与C相滤波电容、C相电阻的一端相连。
优选地，A相电阻、B相电阻、C相电阻的另一端连接于公共连接点N。A相滤波电容、B相滤波电容、C相滤波电容的另一端连接于公共连接点N。这样，三相电阻另一端通过公共连接点N与三个滤波电容的另一端相连。
本发明的优点是加入了箝位开关管，使得续流阶段续流回路电压被箝位至直流输入电压的1/3或2/3处，改善了逆变器共模特性，可以有效抑制共模漏电流，进而能够有效地抑制对地漏电流，具有较好的实际应用价值，适用于对转换效率和人身设备安全要求较高的光伏发电场合。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中拓扑结构的结构示意图。
图2为本发明中逆变器模态一的示意图。
图3本发明中逆变器模态二的示意图。
图4为本发明中逆变器模态三的示意图。
图5为本发明中逆变器模态四的示意图。
图6为本发明中逆变器模态五的示意图。
图7为本发明中逆变器模态六的示意图。
图8为本发明中逆变器模态七的示意图。
图9为本发明中逆变器模态八的示意图。
图10为本发明中逆变器的驱动信号时序图。
具体实施方式
实施例一
本实施例提供了一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构， 其结构如图1所示，包括三相六开关管、三相输出滤波器、三相负载和三相箝位电路，三相箝位电路包括第一输入直流电容Cdc1、第二输入直流电容Cdc2、第三输入直流电容Cdc3、上直流开关管S7、下直流开关管S8、上箝位开关管S9和下箝位开关管S10。太阳能电池Upv的正极分别与第一直流电容Cdc1的正极、上直流开关管S7的漏极相连，上直流开关管S7的源极分别与上箝位开关管S9的漏极以及第一开关管S1、第三开关管S3、第五开关管S5的漏极相连；太阳能电池Upv的负极分别与第三直流电容Cdc3的负极、下直流开关管S8的源极相连，下直流开关管S8的漏极分别与下箝位开关管S10的源极以及第四开关管S4、第六开关管S6、第二开关管S2的源极相连；第一开关管S1的源极与第四开关管S4的漏极相连；第三开关管S3的源极与第六开关管S6的漏极相连；第五开关管S5的源极与第二开关管S2的漏极相连；上箝位开关管S9的源极分别与第一直流电容Cdc1的负极、第二直流电容Cdc2的正极相连；下箝位开关管S10的漏极分别与第二直流电容Cdc2的负极、第三直流电容Cdc3的正极相连；在第一开关管S1的源极与第四开关管S4的漏极之间具有连接点A，连接点A与A相滤波电感Lfa的一端相连，A相滤波电感Lfa的另一端分别与A相滤波电容Cfa、A相电阻Ra的一端相连；在第三开关管S3的源极与第六开关管S6的漏极之间具有连接点B，连接点B与B相滤波电感Lfb的一端相连，B相滤波电感Lfb的另一端分别与B相滤波电容Cfb、B相电阻Rb的一端相连；在第五开关管S5的源极与第二开关管S2的漏极之间具有连接点C，连接点C与C相滤波电感Lfc的一端相连，C相滤波电感Lfc的另一端分别与C相滤波电容Cfc、C相电阻Rc的一端相连； A相电阻Ra、B相电阻Rb、C相电阻Rc的另一端通过公共连接点N与A相滤波电容Cfa、B相滤波电容Cfb、C相滤波电容Cfc的另一端相连。
本实施例中非隔离光伏逆变器按照三个上桥臂开关管的开关状态可分为八种工作模态。假设单个开关管的开关状态为Sx，其中x＝1,3，5，7，8,9,10。当开关管处于导通状态时，Sx＝1；当开关管处于关断状态时，Sx＝0。那么，设三个上桥臂开关管的开关状态为[S1,S3,S5]( S7,S8,S9,S10)。
非隔离光伏逆变器处于模态一时，其工作原理为：
如图2所示，三个上桥臂开关管的开关状态为[1,0,0] (1,1,0,0)，开关管S1、S6、S2以及S7、S8的栅源电压为高电平，且开关管S1、S6、S2以及 S7、S8处于导通状态；开关管S3、S4、S5以及 S9、S10的栅源电压为零，且开关管S3、S4、S5以及 S9、S10处于关断状态。电流从太阳能电池Upv的正极流出，流经S7→S1→Lfa→A相负载→公共连接点N（中点）→B相负载、C相负载→Lfb、Lfc→S2、S6，最后经S8流回太阳能电池Upv的负极。此时，VAQ=VPV， 且VBQ=VCQ= 0，故共模电压Vcm=(VAQ+VBQ+VCQ)/3=1/3VPV。其中， VAQ为A相点电位，VBQ为B相点电位，VCQ为C相点电位，VPV为太阳能电池Upv的等效直流电压。
非隔离光伏逆变器处于模态二时，其工作原理为：
如图3所示，三个上桥臂开关管的开关状态为[1,1,0] (1,1,0,0)，开关管S1、S3、S2以及S7、S8的栅源电压为高电平，且开关管S1、S3、S2以及 S7、S8处于导通状态；开关管S4、S5、S6以及 S9、S10的栅源电压为零，且开关管S4、S5、S6以及 S9、S10处于关断状态。电流从太阳能电池Upv的正极流出，流经S7→S1、S3→Lfa、Lfb→A相负载、B相负载→公共连接点N（中点）→C相负载→Lfc→S2，最后经S8流回太阳能电池Upv的负极。此时，VAQ=VBQ=VPV， 且VCQ= 0，故共模电压Vcm=(VAQ+VBQ+VCQ)/3=2/3VPV。
非隔离光伏逆变器处于模态三时，其工作原理为：
如图4所示，三个上桥臂开关管的开关状态为[0,1,0] (1,1,0,0)，开关管S4、S3、S2以及S7、S8的栅源电压为高电平，且开关管S4、S3、S2以及 S7、S8处于导通状态；开关管S1、S5、S6以及 S9、S10的栅源电压为零，且开关管S1、S5、S6以及 S9、S10处于关断状态。电流从太阳能电池Upv的正极流出，流经S7→S3→Lfb→B相负载→公共连接点N（中点）→A相负载、C相负载→Lfa、Lfc→S4、S2，最后经S8流回太阳能电池Upv的负极。此时， VBQ=VPV， 且VAQ=VCQ= 0，故共模电压Vcm=(VAQ+VBQ+VCQ)/3=1/3VPV。
非隔离光伏逆变器处于模态四时，其工作原理为：
如图5所示，三个上桥臂开关管的开关状态为[0,1,1] (1,1,0,0)，开关管S4、S3、S5以及S7、S8的栅源电压为高电平，且开关管S4、S3、S5以及 S7、S8处于导通状态；开关管S1、S2、S6以及 S9、S10的栅源电压为零，且开关管S1、S2、S6以及 S9、S10处于关断状态。电流从太阳能电池Upv的正极流出，流经S7→S3、S5→Lfb、Lfc→B相负载、C相负载→公共连接点N（中点）→A相负载→Lfa→S4，最后经S8流回太阳能电池Upv的负极。此时， VBQ=VCQ =VPV， 且VAQ = 0，故共模电压Vcm=(VAQ+VBQ+VCQ)/3=2/3VPV。
非隔离光伏逆变器处于模态五时，其工作原理为：
如图6所示，三个上桥臂开关管的开关状态为[0,0,1] (1,1,0,0)，开关管S4、S6、S5以及S7、S8的栅源电压为高电平，且开关管S4、S6、S5以及 S7、S8处于导通状态；开关管S1、S2、S3以及 S9、S10的栅源电压为零，且开关管S1、S2、S3以及 S9、S10处于关断状态。电流从太阳能电池Upv的正极流出，流经S7→S5→Lfc→C相负载→公共连接点N（中点）→A相负载、B相负载→Lfa、 Lfb→S4、S6，最后经S8流回太阳能电池Upv的负极。此时， VAQ =VBQ=0， 且VCQ = VPV，故共模电压Vcm=(VAQ+VBQ+VCQ)/3=1/3VPV。
非隔离光伏逆变器处于模态六时，其工作原理为：
如图7所示，三个上桥臂开关管的开关状态为[1,0,1] (1,1,0,0)，开关管S1、S6、S5以及S7、S8的栅源电压为高电平，且开关管S1、S6、S5以及 S7、S8处于导通状态；开关管S2、S3、S4以及 S9、S10的栅源电压为零，且开关管S2、S3、S4以及 S9、S10处于关断状态。电流从太阳能电池Upv的正极流出，流经S7→S1、S5→Lfa、Lfc→A相负载、C相负载→公共连接点N（中点）→B相负载→Lfb→S6，最后经S8流回太阳能电池Upv的负极。此时， VAQ = VCQ = VPV， 且VBQ=0，故共模电压Vcm=(VAQ+VBQ+VCQ)/3=2/3VPV。
非隔离光伏逆变器处于模态七时，其工作原理为：
如图8所示，三个上桥臂开关管的开关状态为[1,1,1] (0,0,1,0)。一旦开关管S1、S3、S5的栅源电压同时为高电平，开关管S1、S3、S5处于导通状态，那么开关管S7、S8关断，开关管S9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，以模态二进入模态七为例，在[1,1,0](1,1,0,0)→[1,1,1](0,0,1,0)的开关状态，如图8所示，其他情况类似。此时，由于开关管S7和S8关断，电流无法沿着正常工作状态的路径流动，续流电感中的电流将沿着各相导通开关管形成续流回路，而由于直流侧箝位开关管S9的存在，各相点电位将被箝位至2/3 VPV；以A相为例，电感Lfa中的电流将沿着Lfa→Ra→N→Rc→Lfc→C相负载→S5→S1→A相负载→Lfa的顺序通路续流。同理，其他两相也沿相似通路续流。此时各相的点电位为2/3VPV。即VAQ=VBQ=VCQ=2/3VPV，故模态七的共模电压Vcm=(VAQ+VBQ+VCQ)/3=2/3VPV。
非隔离光伏逆变器处于模态八时，其工作原理为：
如图9所示，三个上桥臂开关管的开关状态为[0,0,0] (0,0,0,1)。一旦开关管S4、S6、S2的栅源电压同时为高电平，开关管S4、S6、S2处于导通状态，那么开关管S7、S8关断，开关管S10导通，电路进入续流阶段。该模态的前一状态一般是下桥臂的三个开关管中有两个导通，以模态一进入模态八为例，在[1,0,0](1,1,0,0)→[0,0,0] (0,0,0,1)的开关状态，如图9所示，其他情况类似。此时，由于开关管S7和S8关断，电流无法沿着正常工作状态的路径流动，续流电感中的电流将沿着各相导通开关管形成续流回路，而由于直流侧箝位开关管S10的存在，各相点电位将被箝位至1/3 VPV；以B相为例，电感Lfb中的电流将沿着Lfb→B相负载→S6→S4→A相负载→Lfa→Ra→N→Rb→Lfb的顺序通路续流。同理，其他两相也沿相似通路续流。此时各相的点电位为1/3VPV。即VAQ=VBQ=VCQ=1/3VPV，故模态八的共模电压Vcm=(VAQ+VBQ+VCQ)/3=1/3VPV。
由以上分析可知，由于逆变器续流阶段续流回路电压分别被箝位至输入电压的三分之一和三分之二，逆变器的共模电压变化范围从原来的0～VPV减少到1/3VPV～2/3VPV，变化幅度变小，可使得共模漏电流得到抑制，降低了系统的电磁干扰，提高了电能质量，减小了电网畸变率，减少了不必要的功率损失，保证了人身和设备的安全。
图10为本实施例在一种控制方案中的控制时序图，图10中从上至下波形分别为：第一开关管S1的栅源电压波形Vgs1；第四开关管S4的栅源电压波形Vgs4；第三开关管S3的栅源电压波形Vgs3；第六开关管S6的栅源电压波形Vgs6；第五开关管S5的栅源电压波形Vgs5；第二开关管S2的栅源电压波形Vgs2；上直流开关管S7的栅源电压波形Vgs7；下直流开关管S8的栅源电压波形Vgs8；上箝位开关管S9的栅源电压波形Vgs9；下箝位开关管S10的栅源电压波形Vgs10。
综上所述，本实施例解决了一般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方法，具有一定的工程应用价值。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构，包括三相六开关管、三相输出滤波器和三相负载，其特征在于：还包括三相箝位电路，所述三相箝位电路包括第一直流电容(Cdc1)、第二直流电容(Cdc2)、第三直流电容(Cdc3)、上直流开关管(S7)、下直流开关管(S8)、上箝位开关管(S9)和下箝位开关管(S10)；所述第一直流电容(Cdc1)的正极、上直流开关管(S7)的漏极分别与太阳能电池(Upv)的正极相连，所述第三直流电容(Cdc3)的负极、下直流开关管(S8)的源极分别与太阳能电池(Upv)的负极相连，所述上箝位开关管(S9)的源极分别与第一直流电容(Cdc1)的负极、第二直流电容(Cdc2)的正极相连，所述下箝位开关管(S10)的漏极分别与第二直流电容(Cdc2)的负极、第三直流电容(Cdc3)的正极相连；所述上直流开关管(S7)的源极与上箝位开关管(S9)的漏极相连，所述下直流开关管(S8)的漏极与下箝位开关管(S10)的源极相连；所述上直流开关管(S7)的源极还分别与第一开关管(S1)、第三开关管(S3)、第五开关管(S5)的漏极相连；所述下直流开关管(S8)的漏极还分别与第四开关管(S4)、第六开关管(S6)、第二开关管(S2)的源极相连；所述第一开关管(S1)的源极与第四开关管(S4)的漏极相连，所述第三开关管(S3)的源极与第六开关管(S6)的漏极相连，所述第五开关管(S5)的源极与第二开关管(S2)的漏极相连。
2.根据权利要求1所述一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构，其特征在于：在所述第一开关管(S1)的源极与第四开关管(S4)的漏极之间具有连接点A，所述连接点A与A相滤波电感(Lfa)的一端相连，所述A相滤波电感(Lfa)的另一端分别与A相滤波电容(Cfa)、A相电阻(Ra)的一端相连。
3.根据权利要求2所述一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构，其特征在于：在所述第三开关管(S3)的源极与第六开关管(S6)的漏极之间具有连接点B，所述连接点B与B相滤波电感(Lfb)的一端相连，所述B相滤波电感(Lfb)的另一端分别与B相滤波电容(Cfb)、B相电阻(Rb)的一端相连。
4.根据权利要求3所述一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构，其特征在于：在所述第五开关管(S5)的源极与第二开关管(S2)的漏极之间具有连接点C，所述连接点C与C相滤波电感(Lfc)的一端相连，所述C相滤波电感(Lfc)的另一端分别与C相滤波电容(Cfc)、C相电阻(Rc)的一端相连。
5.根据权利要求4所述一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构，其特征在于：所述A相电阻(Ra)、B相电阻(Rb)、C相电阻(Rc)的另一端连接于公共连接点N。
6.根据权利要求5所述一种十开关箝位型三相非隔离光伏逆变器拓扑结构，其特征在于：所述A相滤波电容(Cfa)、B相滤波电容(Cfb)、C相滤波电容(Cfc)的另一端连接于公共连接点N。
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