CN109194175A - 一种共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路及控制方法 - Google Patents

一种共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路及控制方法，属于电力电子领域，包括:一个稳压电容Cin，一个飞跨电容CFC，五个开关管S1、S2、S3、S4、S5和一个滤波电感L1。所述逆变器采用一种简单的单极性正弦脉宽调制技术对逆变器进行调制，以减小开关损耗、输出电流纹波和降低滤波要求。在电网电压正半周通过开关管的动作使光伏电池向飞跨电容充电，在电网电压负半周，由飞跨电容供电。本发明电网零点与光伏电池负端直接相连，共模电压保持为0不变，相对于其他拓扑只能起到抑制漏电流的作用。

Description

一种共地型无漏电流非隔离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，具体涉及一种共地型无漏电流非隔离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。单相非隔离光伏并网逆变器体积小、重量轻、成本低，可以极大地提高效率，成为了光伏并网发电系统的研究主流之一。
然而，光伏电池存在对地的寄生电容，由于没有变压器的隔离，寄生电容上会产生高频电压脉动，会大幅增加对地漏电流，除了增加电网电流纹波、系统损耗和电磁干扰，还会引发安全问题。为了提高非隔离光伏系统的性能，电气隔离是主要问题。
发明内容
为解决漏电流的问题，通过在续流阶段使得直流侧与交流侧解耦，使得漏电流没有传输的途径来抑制漏电流，但由于开关管结电容的存在，使用交流解耦或直流解耦的方法并不能完全将电路直流侧和交流侧断开，共模电压不能保持在固定值不变，而是在固定值上下浮动，因此还是会有漏电流的产生。另一种方法是将电网零点直接与光伏电池负端相连，相当于将光伏电池的寄生电容短路，从而可以完全消除漏电流。
本发明针对单相非隔离光伏并网逆变器存在较大对地漏电流的问题，提出了一种共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路及控制方法。该单相逆变电路通过将电网零点和光伏电池负端直接相连，相当于将光伏电池的寄生电容短路，从而消除漏电流的产生，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：一种共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路，其特征在于，包括：一个稳压电容Cin，一个飞跨电容CFC，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和一个滤波电感L1。
所述的第一开关管S1的集电极分别与光伏电池的正极、稳压电容Cin的正极和第三开关管S3的集电极相连，第二开关管S2的集电极分别与飞跨电容CFC的正极和开关管S1的发射极相连，第二开关管S2的发射极分别与直流源负极、稳压电容Cin的负极和第五开关管S5的集电极相连，第四开关管S4的集电极分别与第三开关管S3的发射极和滤波电感L1的一端相连，第五开关管S5的发射极分别与第四开关管S4的发射极和飞跨电容CFC的负极相连。
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。
一种共地型无漏电流非隔离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、S3、S5导通，其余开关管均关断，光伏电池通过开关管S1和开关管S5的体二极管给飞跨电容充电；
在电网电压正半周期，逆变器处于续流模态时，开关管S1、S4、S5导通，其余开关管均关断，通过开关管S5和开关管S4的体二极管构成零电压续流回路，同时光伏电池通过开关管S1和开关管S5的体二极管给飞跨电容充电；
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、S4导通，其余开关管均关断，飞跨电容供电，通过开关管S2，S4向电网传输功率；
在电网电压负半周期，开关管S1、S4和S5导通，其余开关管均关断，通过开关管S4和S5的体二极管构成零电压续流回路，同时光伏电池通过开关管S1和开关管S5的体二极管给飞跨电容充电；
本发明的有益效果为：一种共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路，电网零点直接与光伏电池负端直接相连，可实现逆变器的共模电压始终保持为0不变，可以消除共模电压的高频脉动，相对于其他拓扑只能起到抑制漏电流的作用，本拓扑可以完全消除漏电流；同时相对于其他逆变器拓扑，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；只使用了五个开关管，拓扑结构简单，所用器件少，成本低；使用简单的单极性SPWM调制，实现简单；损耗低，效率高。
附图说明
图1共地型无漏电流非隔离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示意图；
图4逆变电路处于电网电压负半周功率传输模态示意图；
图5逆变电路处于电网电压负半周续流模态示意图；
图6光伏并网发电系统共模漏电流仿真波形图；
图7逆变电路流入电网电流及电网电压波形图。
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，本发明提供的共模型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路拓扑结构示意图，包括：稳压电容Cin，飞跨电容CFC，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和滤波电感L1。
所述的第一开关管S1的集电极分别与光伏电池的正极、稳压电容Cin的正极和第三开关管S3的集电极相连，第二开关管S2的集电极分别与飞跨电容CFC的正极和第一开关管S1的发射极相连，第二开关管S2的发射极分别与直流源负极、稳压电容Cin的负极和第五开关管S5的集电极相连，第四开关管S4的集电极分别与第三开关管S3的发射极和滤波电感L1的一端相连，第五开关管S5的发射极分别与第四开关管S4的发射极和飞跨电容CFC的负极相连。
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5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时，开关管S1、S3、S5导通，其余开关管均关断，光伏电池通过开关管S1和开关管S5的体二极管给飞跨电容充电；
在电网电压正半周期，逆变器处于续流模态时，开关管S1、S4、S5导通，其余开关管均关断，通过开关管S5和开关管S4的体二极管构成零电压续流回路；
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、S4导通，其余开关管均关断，飞跨电容供电，通过开关管S2，S4向电网传输功率；
在电网电压负半周期，逆变器处于续流模态时，开关管S1、S4和S5导通，其余开关管均关断，通过开关管S4和S5的体二极管构成零电压续流回路，同时光伏电池通过开关管S1和开关管S5的体二极管给飞跨电容充电；
根据上述具体实施方案，仿真出本发明逆变电路拓扑共模漏电流波形和流入电网的电流与电压波形，如图6和图7所示，共模漏电流为0，并网电流THD约为3％，功率因数接近1，并网效果很好，因此本拓扑结构具有完全消除漏电流的能力，符合漏电流安全规定标准。
综上，本发明公布了一种共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路及控制方法，属于电力电子领域，包括:一个稳压电容Cin，一个飞跨电容CFC，五个开关管S1、S2、S3、S4、S5和一个滤波电感L1。所述逆变器采用一种简单的单极性正弦脉宽调制技术对逆变器进行调制，以减小开关损耗、输出电流纹波和降低滤波要求。在电网电压正半周通过开关管的动作使光伏电池向飞跨电容充电，在电网电压负半周，由飞跨电容供电。新型逆变器拓扑的主要优点是：1)电网零点与光伏电池负端直接相连，共模电压保持为0不变，相对于其他拓扑只能起到抑制漏电流的作用，本拓扑可以完全消除漏电流；2)只使用了五个开关管，拓扑结构简单，所用器件少，成本低；3)使用简单的单极性SPWM调制，实现简单；4)损耗低，效率高；5)相对于半桥型拓扑来说，不需要很高的直流输入。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的精神和范围的前提下，还可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围。

Claims (6)

1.一种共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路，其特征在于，包括一个稳压电容Cin，一个飞跨电容CFC，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和一个滤波电感L1；
所述的第一开关管S1的集电极分别与光伏电池的正极、稳压电容Cin的正极和第三开关管S3的集电极相连，第二开关管S2的集电极分别与飞跨电容CFC的正极和第一开关管S1的发射极相连，第二开关管S2的发射极分别与直流源负极、稳压电容Cin的负极和第五开关管S5的集电极相连，第四开关管S4的集电极分别与第三开关管S3的发射极和滤波电感L1的一端相连，第五开关管S5的发射极分别与第四开关管S4的发射极和飞跨电容CFC的负极相连；电网零点与光伏电池负端直接相连。
2.根据权利要求1所述的共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路，其特征在于：所述第一开关管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为绝缘栅双极型晶体管IGBT，或为电力场效应晶体管MOSFET。
3.根据权利要求1所述的共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路的控制方法，其特征在于：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，S1、S3、S5导通，其余开关管均关断，光伏电池通过第一开关管S1和第五开关管S5的体二极管给飞跨电容CFC充电；
工作模态(2)：在电网电压正半周期，逆变器处于续流模态时，S1、S4、S5导通，其余开关管均关断，通过第五开关管S5和第四开关管S4的体二极管构成零电压续流回路，同时光伏电池通过第一开关管S1和第五开关管S5的体二极管给飞跨电容充电；
工作模态(3)：在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态时，S2、S4导通，其余开关管均关断，飞跨电容供电，通过第二开关管S2，第四开关管S4向电网传输功率；
工作模态(4)：在电网电压负半周期，逆变器处于续流模态时，S1、S4和S5导通，其余开关管均关断，通过第四开关管S4和第五开关管S5的体二极管构成零电压续流回路，同时光伏电池通过第一开关管S1和第五开关管S5的体二极管给飞跨电容充电。
4.根据权利要求3所述的共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路的控制方法，其特征在于，还包括：
电网电压正半周期，工作模态(1)、工作模态(2)之间按序循环转换；
电网电压负半周期，工作模态(3)、工作模态(4)之间按序循环转换。
5.根据权利要求3所述的共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路的控制方法，其特征在于，电网零点与光伏电池负端直接相连。
6.根据权利要求3所述的共地型无漏电流非隔离光伏并网逆变电路的控制方法，其特征在于，所述第一开关管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的开关频率为20kHz。
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