CN108418457B - 一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路及控制方法 - Google Patents

一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路及控制方法，属于电力电子领域，逆变器通过给定的开关管驱动信号控制逆变电路中八个开关管的动作，在续流阶段通过开关管的动作和二极管D1、D2构成零电平续流回路，可实现续流阶段时续流回路的电压为输入电压的一半，使得逆变器的共模电压始终保持为Udc/2不变，可以消除共模电压的高频脉动，从而有效抑制对地漏电流；并且通过构建新的续流回路改变续流电流路径，使得续流路径不经过导通损耗较大的体二极管，减小了导通损耗；同时相对于其他中点钳位方式，本拓扑中没有开关管一直处于高频工作状态，减少了开关损耗，提高效率，具有拓扑结构简单、效率高、调制策略简单等优点。

Description

一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路及控制方法
技术领域
本发明属于电力电子光伏并网发电技术领域，具体涉及一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路及控制方法。
背景技术
随着传统能源的枯竭，寻求新能源已经迫在眉睫。太阳能由于其无穷无尽同时又安全可靠的特点成为了新能源工作者的首选目标。单相非隔离型光伏并网逆变器因为移除了变压器，因此具有体积小、重量轻、成本低、结构简单和提高系统效率等优点，成为了光伏并网发电系统的研究主流之一。
然而，由于移除了变压器，逆变器对地寄生电容和并网逆变电路中各种滤波电感、滤波电容通过接地回路构成一个谐振网络，系统会产生较大的对地漏电流。这种漏电流注入电网会增加电流谐波、增加电路损耗、存在安全问题。为了提高非隔离光伏系统的性能，电气隔离是主要问题。
为解决漏电流的问题，研究者们的主要思路是：通过改进电路的拓扑结构，强制改变续流回路，使得在续流阶段光伏电池与交流电网断开，结合开关调制方式，把续流时的共模电压钳位至一固定值，即使共模电压保持不变，从而抑制漏电流的产生。
发明内容
本发明针对单相非隔离型光伏并网逆变器存在较大对地漏电流的问题，提出了一种高效低漏电流非隔离型八开关管无变压器型光伏并网逆变电路。该单相逆变电路通过改变续流回路，使得在续流阶段光伏电池与交流电网断开，并结合开关调制方式，把续流时的共模电压固定为电源电压的一半，即使共模电压保持不变，从而抑制漏电流的产生，此外这种新型拓扑结构采用的开关调制方式还能保证逆变器在单位功率因数运行时不受电流过零点畸变的影响。
本发明电路的技术方案为：一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路，包括第一分压电容Cdc1、第二分压电容Cdc2，第一续流二极管D1、第二续流二极管D2，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、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8和第一滤波电感L1、第二滤波电感L2。
所述的第一开关管S1的集电极分别与直流源的正极、第一分压电容Cdc1的正极和第二开关管S2的集电极相连，第五开关管S5的集电极分别与第一续流二极管D1的阴极、第一开关管S1的发射极和第六开关管S6的集电极相连，第六开关管S6的发射极分别与第二开关管S2的发射极、第四开关管S4的集电极、第八开关管S8的集电极和第二滤波电感L2的一端相连，第三开关管S3的集电极分别与第八开关管S8的发射极、第七开关管S7的发射极和第二续流二极管D2的阳极相连，第三开关管S3的发射极分别与直流源负极、第二分压电容Cdc2的负极和第四开关管S4的发射极相连，第七开关管S7的集电极分别与第五开关管S5的发射极和第一滤波电感L1的一端相连，第二续流二极管D2的阴极分别与第一续流二极管D1的阳极、第一分压电容Cdc1的负极和第二分压电容Cdc2的正极相连。
在上述技术方案的基础上，所述开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT，或为电力场效应晶体管MOSFET。
一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路的控制方法，包括：
在电网电压正半周期，逆变器处于功率传输模态时，开关管S1、S4、S5导通，其余开关管均关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2；
在电网电压正半周期，逆变器处于零电压续流模态时，开关管S5、S8导通，其余开关管均关断，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
在电网电压正半周期，关管S7、S8导通，其余开关管均关断，开关管S7、S8构成零电压续流回路，同时两个二极管D1、D2将续流时的共模电压钳位在Udc/2，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态时，开关管S2、S3、S7导通，其余开关管均关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2；
在电网电压负半周期，逆变器处于零电压续流模态时，开关管S6、S7导通，其余开关管均关断，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
在电网电压负半周期，关管S5、S6导通，其余开关管均关断，开关管S5、S6构成零电压续流回路，同时两个二极管D1、D2将续流时的共模电压钳位在Udc/2，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2。
本发明的有益效果为：一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路，可实现续流阶段时续流回路的电压为输入电压的一半，使得逆变器的共模电压始终保持为Udc/2不变，可以消除共模电压的高频脉动，从而有效抑制对地漏电流；通过构建新的续流回路改变续流电流路径，使得续流路径不经过导通损耗较大的体二极管，完全消除了二极管的反向恢复损耗，有利于提高效率；同时相对于其他中点钳位方式，本拓扑中没有开关管一直处于高频工作状态，减少了开关损耗；采用的调制方式简单，能保证逆变器在单位功率因数运行时不受电流过零点畸变的影响；相比于其他的拓扑结构，本拓扑有6种工作模态，8种工作阶段，大大提高了拓扑的利用率，减少了并网电流谐波含量。
附图说明
图1一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路拓扑结构示意图；
图2逆变电路处于电网电压正半周功率传输模态示意图；
图3逆变电路处于电网电压正半周续流模态(1)示意图；
图4逆变电路处于电网电压正半周续流模态(2)示意图；
图5逆变电路处于电网电压负半周功率传输模态示意图；
图6逆变电路处于电网电压负半周续流模态(1)示意图；
图7逆变电路处于电网电压负半周续流模态(2)示意图；
图8光伏并网发电系统共模漏电流仿真波形图；
图9光伏并网发电系统共模电压仿真波形图；
图10逆变电路流入电网电流波形图。
具体实施方式
下面将结合附图与本发明的实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明提供的一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路拓扑结构示意图，包括：第一分压电容Cdc1、第二分压电容Cdc2，第一续流二极管D1、第二续流二极管D2，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、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8和第一滤波电感L1、第二滤波电感L2。
所述的第一开关管S1的集电极分别与直流源的正极、第一分压电容Cdc1的正极和第二开关管S2的集电极相连，第五开关管S5的集电极分别与第一续流二极管D1的阴极、第一开关管S1的发射极和第六开关管S6的集电极相连，第六开关管S6的发射极分别与第二开关管S2的发射极、第四开关管S4的集电极、第八开关管S8的集电极和第二滤波电感L2的一端相连，第三开关管S3的集电极分别与第八开关管S8的发射极、第七开关管S7的发射极和第二续流二极管D2的阳极相连，第三开关管S3的发射极分别与直流源负极、第二分压电容Cdc2的负极和第四开关管S4的发射极相连，第七开关管S7的集电极分别与第五开关管S5的发射极和第一滤波电感L1的一端相连，第二续流二极管D2的阴极分别与第一续流二极管D1的阳极、第一分压电容Cdc1的负极和第二分压电容Cdc2的正极相连。
本发明逆变电路实施例选用的高频开关频率为20kHz。
参见图2至图7给出的本发明所述逆变电路的四种工作模态的等效电路，具体为：
在电网电压正半周期，逆变器处于功率传输模态，如图2所示，开关管S1、S4、S5导通，其余开关管均关断，此时UAN＝UDC，UBN＝0，共模电压Ucm＝Udc/2。
在电网电压正半周期，逆变器处于零电压续流模态，如图3所示，开关管S5、S8导通，其余开关管均关断，此时UAN＝Udc/2，UBN＝Udc/2，共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
在电网电压正半周期，逆变器处于零电压续流模态，如图4所示，关管S7、S8导通，其余开关管均关断，此时UAN＝Udc/2，UBN＝Udc/2，共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态，如图5所示，开关管S2、S3、S7导通，其余开关管均关断，此时UAN＝0，UBN＝UDC，共模电压Ucm＝Udc/2；
在电网电压负半周期，逆变器处于零电压续流模态，如图6所示，开关管S6、S7导通，其余开关管均关断，此时UAN＝Udc/2，UBN＝Udc/2，共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
在电网电压负半周期，逆变器处于零电压续流模态，如图7所示，关管S5、S6导通，其余开关管均关断，此时UAN＝Udc/2，UBN＝Udc/2，共模电压保持为Ucm＝Udc/2。
根据上述具体实施方案，仿真出本发明逆变电路拓扑共模电压、共模漏电流波形和流入电网的电流波形，如图8、图9和图10所示，共模电压基本趋于常量，共模漏电流峰值约为0.04A，并网电流THD约为3％，因此本拓扑结构抑制漏电流能力较好，符合漏电流安全规定标准。
综上，本发明的一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路及控制方法，属于电力电子领域，逆变器通过给定的开关管驱动信号控制逆变电路中八个开关管的动作，在续流阶段通过开关管的动作和二极管D1、D2构成零电平续流回路，可实现续流阶段时续流回路的电压为输入电压的一半，使得逆变器的共模电压始终保持为Udc/2不变，可以消除共模电压的高频脉动，从而有效抑制对地漏电流；并且通过构建新的续流回路改变续流电流路径，使得续流路径不经过导通损耗较大的体二极管，减小了导通损耗；同时相对于其他中点钳位方式，本拓扑中没有开关管一直处于高频工作状态，减少了开关损耗，提高效率，具有拓扑结构简单、效率高、调制策略简单等优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路的控制方法，其中，一种八开关管无变压器型光伏并网逆变电路包括：第一分压电容Cdc1、第二分压电容Cdc2，第一续流二极管D1、第二续流二极管D2，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、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8和第一滤波电感L1、第二滤波电感L2；
所述的第一开关管S1的集电极分别与直流源的正极、第一分压电容Cdc1的正极和第二开关管S2的集电极相连，第五开关管S5的集电极分别与第一续流二极管D1的阴极、第一开关管S1的发射极和第六开关管S6的集电极相连，第六开关管S6的发射极分别与第二开关管S2的发射极、第四开关管S4的集电极、第八开关管S8的集电极和第二滤波电感L2的一端相连，第三开关管S3的集电极分别与第八开关管S8的发射极、第七开关管S7的发射极和第二续流二极管D2的阳极相连，第三开关管S3的发射极分别与直流源负极、第二分压电容Cdc2的负极和第四开关管S4的发射极相连，第七开关管S7的集电极分别与第五开关管S5的发射极和第一滤波电感L1的一端相连，第二续流二极管D2的阴极分别与第一续流二极管D1的阳极、第一分压电容Cdc1的负极和第二分压电容Cdc2的正极相连；
开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT；
其特征在于：所述控制方法分为以下工作模态：
工作模态(1)：在电网电压正半周期，逆变器处于功率传输模态时，开关管S1、S4、S5导通，其余开关管均关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2，Udc为直流侧输入电压；
工作模态(2)：在电网电压正半周期，开关管S5、S8导通，其余开关管均关断，通过两个二极管D1、D2、第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、电网和开关管S5、S8构成零电压续流回路，同时将续流时的共模电压钳位在Udc/2，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
工作模态(3)：在电网电压正半周期，开关管S7、S8导通，其余开关管均关断，第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、电网和开关管S7、S8构成零电压续流回路，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
工作模态(4)：在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态时，开关管S2、S3、S7导通，其余开关管均关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2；
工作模态(5)：在电网电压负半周期，开关管S6、S7导通，其余开关管均关断，通过两个二极管D1、D2、第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、电网和开关管S6、S7构成零电压续流回路，同时将续流时的共模电压钳位在Udc/2，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
工作模态(6)：在电网电压负半周期，开关管S5、S6导通，其余开关管均关断，第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、电网和开关管S5、S6构成零电压续流回路，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
当电网电压正半周期，工作模态以(1)、(2)、(1)、(3)为一个周期按序循环转换；当电网电压负半周期，工作模态以(4)、(5)、(4)、(6)为一个周期按序循环转换。
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