CN109768725B - 一种单相非隔离型光伏并网逆变器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子变换技术领域，尤其涉及一种单相非隔离型光伏并网逆变器拓扑结构，包括光伏直流电源V _pv，第一电容C ₁，第二电容C ₂，第三电容C ₃，第四电容C ₄，第一电感L ₁，第二电感L ₂，第三电感L ₃，第一二极管D ₁，第二二极管D ₂，第三二极管D ₃，第一开关管S ₁，第二开关管S ₂和单相交流配电网V _g。该拓扑结构简单，第一开关管和第二开关管互补导通，并添加必要死区。通过第一二极管和第一电感使电流断续输入，并调节开关频率可实现光伏发电功率和交流并网功率解耦，通过第四电容可实现第一开关管零电压开通，交流配电网与光伏电池板共地可以避免产生共模漏电流，并能使光伏电池板能够保持最大功率输出。

Description

一种单相非隔离型光伏并网逆变器拓扑结构

技术领域

本发明属于电力电子变换技术领域，尤其涉及一种单相非隔离型光伏并网逆变器拓扑结构。

背景技术

随着科技的发展，化石能源的枯竭和环境污染的问题日益严重。利用清洁能源发电，例如光伏发电，逐步代替化石能源发电是解决这一问题的有效方式之一。由于光伏电池板输出电能为直流的方式，因此需要通过逆变器实现光伏发电并网。单相非隔离型光伏逆变器具有体积小、成本低、效率高等优势而被广泛应用于中小功率光伏发电并网。

目前，已有多种不同类型的单相非隔离型光伏并网逆变器拓扑被提出，例如单相全桥、单相半桥、中点钳位型等。然而，由于缺乏变压器的隔离，光伏电池板与交流电网之间存在电气连接，使得单相光伏并网逆变器普遍存在共模漏电流的问题，不利于效率的提高。针对共模漏电流的问题，主要有两种解决方案，一种是针对单相全桥逆变器采用双极性SPWM调制以消除共模漏电流，但不利于提高转换效率；另一种是改进拓扑结构以消除共模漏电流，但这种方法大多需要增加额外的元件，增加了成本与体积。因此，对单相非隔离型光伏并网逆变器的研究将变得越来越重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种单相非隔离型光伏并网逆变器拓扑结构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单相非隔离型光伏并网逆变器拓扑结构，包括光伏直流电源V_pv，第一电容C₁，第二电容C₂，第三电容C₃，第四电容C₄，第一电感L₁，第二电感L₂，第三电感L₃，第一二极管D₁，第二二极管D₂，第三二极管D₃，第一开关管S₁，第二开关管S₂和单相交流配电网V_g；光伏直流电源V_pv的正负两极分别与第三电容C₃的正负两极连接，光伏直流电源V_pv的正极和第三电容C₃的正极与第一二极管D₁的阳极连接，第一二极管D₁的阴极与第一电感L₁的一端连接，第一电感L₁的另一端与第一电容C₁的正极、第二电感L₂的一端、第四电容C₄的正极和第一开关管S₁的漏极连接；第一电容C₁的负极与第二开关管S₂的源极和第三电感L₃的一端连接；第三电感L₃的另一端与交流配电网的火线连接；第二电感L₂的另一端与第二开关管S₂的漏极和第二电容C₂的正极连接；第二二极管D₂的阳极和阴极分别与第一开关管S₁的源极和漏极连接；第三二极管D₃的阳极和阴极分别与第二开关管S₂的源极和漏极连接；光伏直流电源V_pv的负极、第三电容C₃的负极、第四电容C₄的负极、第一开关管S₁的源极、第二电容C₂的负极和交流配电网的零线与地线连接。

本发明的有益效果：实现了光伏电池板与交流侧共地，无需额外的辅助电路即可消除共模漏电流；通过调节开关频率即可实现光伏电池板输出功率与交流侧并网功率的解耦，使光伏电池板能够保持最大功率输出。

附图说明

图1是本发明一个实施例一种单相非隔离型光伏并网逆变器拓扑结构电路图；

图2是本发明一个实施例第一开关管S₁导通期间的等效电路示意图；

图3是本发明一个实施例第一开关管S₁断开，第二开关管S₂未导通的死区期间的等效电路示意图；

图4是本发明一个实施例第二开关管S₂导通和第一二极管D₁导通期间的等效电路示意图；

图5是本发明一个实施例第二开关管S₂导通和第一二极管D₁截止期间的等效电路示意图；

图6是本发明一个实施例第二开关管S₂断开，第一开关管S₁未导通的死区期间的等效电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种单相非隔离型光伏并网逆变器拓扑结构，包括光伏直流电源V_pv，第一电容C₁，第二电容C₂，第三电容C₃，第四电容C₄，第一电感L₁，第二电感L₂，第三电感L₃，第一二极管D₁，第二二极管D₂，第三二极管D₃，第一开关管S₁，第二开关管S₂和单相交流配电网V_g。

并且，光伏直流电源V_pv的正负两极分别与第三电容C₃的正负两极连接；所述光伏直流电源V_pv的正极和第三电容C₃的正极与第一二极管D₁的阳极连接；第一二极管D₁的阴极与第一电感L₁的一端连接；第一电感L₁的另一端与第一电容C₁的正极、第二电感L₂的一端、第四电容C₄的正极和第一开关管S₁的漏极连接；第一电容C₁的负极与第二开关管S₂的源极和第三电感L₃的一端连接；第三电感L₃的另一端与交流配电网的火线连接；第二电感L₂的另一端与第二开关管S₂的漏极和第二电容C₂的正极连接；第二二极管D₂的阳极和阴极分别与第一开关管S₁的源极和漏极连接；第三二极管D₃的阳极和阴极分别与第二开关管S₂的源极和漏极连接；光伏直流电源V_pv的负极、第三电容C₃的负极、第四电容C₄的负极、第一开关管S₁的源极、第二电容C₂的负极和交流配电网的零线与地线连接。

具体实施时，如图1所示，设第一电感L₁的电流为i_L1，第二电感L₂的电流为i_L2，第三电感L₃的电流为i_L3，第一电容C₁的电压为v_C1，第二电容C₂的电压为v_C2，第三电容C₃的电压为v_C3，第四电容C₄的电压为v_C4。

图2～图6为一个开关周期内的工作模态等效电路示意图，图2是第一开关管S₁导通期间的等效电路示意图；图3是第一开关管S₁断开，第二开关管S₂未导通的死区期间的等效电路示意图；图4是第二开关管S₂导通和第一二极管D₁导通期间的等效电路示意图；图5是第二开关管S₂导通和第一二极管D₁截止期间的等效电路示意图；图6是第二开关管S₂断开，第一开关管S₁未导通的死区期间的等效电路示意图。以下将对各模态的工作情况进行具体分析，由于通过调频可以实现光伏电池板输出功率和交流并网功率解耦，因此第一电感L₁的单个开关周期内的平均电流i_L1ave是恒定的，各模态分析中将不再列出i_L1和v_C3的变化率表达式，在稳态分析中使用i_L1ave代替第一电感L₁的电流值i_L1，实现i_L1ave恒定的开关频率f_s的解析式将在模态分析后续部分给出。

1.如图2所示，模态1：

第一开关管S₁导通，光伏直流电源V_pv和第三电容C₃给第一电感L₁充电，第二电感L₂给第二电容C₂充电，第三电感L₃给第一电容C₁充电。此模态下相关的电气参数关系式为：

2.如图3所示，模态2：

第一开关管S₁断开，第二开关管S₂未导通，第三二极管D₃导通，第一电感L₁给第四电容C₄、第二电感L₂和第一电容C₁充电，第二电感L₂给第二电容C₂充电，第三电感L₃给第一电容C₁充电。当第四电容C₄的电压v_C4等于v_C1+v_C2时停止充电，此模态下相关的电气参数关系式为：

3.如图4所示，模态3：

第二开关管S₂导通，第一二极管D₁导通，第一电感L₁给第二电感L₂和第一电容C₁充电，第二电感L₂给第二电容C₂充电，第三电感L₃给第一电容C₁充电。此模态下相关的电气参数关系式为：

4.如图5所示，模态4：

第二开关管S₂导通，第一二极管D₁截止，第一电容C₁给第二电感L₂充电，第二电容C₂给第三电感L₃充电。此模态下相关的电气参数关系式为：

5.如图6所示，模态5：

第二开关管S₂断开，第一开关管S₁未导通，第四电容C₄向第二电感L₂和第一电容C₁放电，当第四电容C₄的电压v_C4等于0时停止放电，此过程即为第一开关管S₁的零电压开通条件的实现过程。第二电感L₂给第二电容C₂充电，第三电感L₃给第一电容C₁充电，此模态下相关的电气参数关系式为：

根据以上各模态的分析，对第二电感L₂和第三电感L₃分别运用伏秒平衡原则、对第一电容C₁和第二电容C₂分别运用安秒平衡原则分析稳态情况下系统各参数之间的关系。设第一开关管S₁开通的时间为D_u1T_s，其中D_u1为第一开关管S₁的占空比，T_s为开关周期，针对第二电感L₂可得：

针对第三电感L₃并结合(6)式可得：

针对第一电感L₁可得：

设第二开关管开通期间i_L1下降至0的时间相对于开关周期的占空比为D_u2，针对第一电容C₁可得：

结合(8)式和(9)式可得：

同理，针对第二电容并结合(8)式可得：

结合(10)式和(11)式可得I_L2＝I_L3。第一电感L₁的电流i_L1是断续的，其单周期平均电流为：

由于稳态情况下第三电容的电压是恒定的，因此I_L1ave＝I_PV，其中I_PV为光伏电池板输出电流，则当开关频率满足式时，可以实现I_L1ave恒定。

本实施例第一开关管和第二开关管互补导通，并添加必要死区。通过第一二极管和第一电感使电流断续输入，并调节开关频率可实现光伏发电功率和交流并网功率解耦，通过第四电容可实现第一开关管零电压开通，交流配电网与光伏电池板共地可以避免产生共模漏电流。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种单相非隔离型光伏并网逆变器拓扑结构，其特征是，包括光伏直流电源V_pv，第一电容C₁，第二电容C₂，第三电容C₃，第四电容C₄，第一电感L₁，第二电感L₂，第三电感L₃，第一二极管D₁，第二二极管D₂，第三二极管D₃，第一开关管S₁，第二开关管S₂和单相交流配电网V_g；光伏直流电源V_pv的正负两极分别与第三电容C₃的正负两极连接，光伏直流电源V_pv的正极和第三电容C₃的正极与第一二极管D₁的阳极连接，第一二极管D₁的阴极与第一电感L₁的一端连接，第一电感L₁的另一端与第一电容C₁的正极、第二电感L₂的一端、第四电容C₄的正极和第一开关管S₁的漏极连接；第一电容C₁的负极与第二开关管S₂的源极和第三电感L₃的一端连接；第三电感L₃的另一端与单相交流配电网V_g的火线连接；第二电感L₂的另一端与第二开关管S₂的漏极和第二电容C₂的正极连接；第二二极管D₂的阳极和阴极分别与第一开关管S₁的源极和漏极连接；第三二极管D₃的阳极和阴极分别与第二开关管S₂的源极和漏极连接；光伏直流电源V_pv的负极、第三电容C₃的负极、第四电容C₄的负极、第一开关管S₁的源极、第二电容C₂的负极和单相交流配电网V_g的零线与地线连接。

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