CN111049182B - 一种五电平共地型单相非隔离光伏并网逆变电路及其调制方法 - Google Patents

一种五电平共地型单相非隔离光伏并网逆变电路及其调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五电平共地型单相非隔离光伏并网逆变电路及其调制方法，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七个开关管的动作，产生五个电平的输出电压。在电网电压正半周通过开关管的动作，由光伏电池供电，光伏电池两端电压为Udc，使飞跨电容C1的电压稳定在Udc/2不变，同时给飞跨电容C2充电；在电网电压负半周，由飞跨电容C2供电，飞跨电容C1的电压稳定在Udc/2不变。本发明主要优点是：1)光伏电池与电网共地，共模电压被钳位至0，共模电压保持不变，因此本拓扑可以完全消除漏电流；2)产生五个电平的输出电压，输出电压平台阶数越多，波形越趋近与正弦波，并网电流谐波越少；3)降低开关频率，减少开关损耗。

Description

一种五电平共地型单相非隔离光伏并网逆变电路及其调制 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五电平单相非隔离光伏并网逆变电路以及控制方法。
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。传统的隔离型逆变器由于有变压器的存在体积大，效率较低。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，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，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
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以及降低并网电流谐波，提高工作效率，提出了一种共地型五电平单相非隔离光伏并网逆变电路以及控制方法。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，同时输出五个电压阶数以降低并网电流谐波，提高工作效率，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：一种五电平共地型单相非隔离光伏并网逆变电路，包括：一个稳压电容Cdc，第一飞跨电容C1、第二飞跨电容C2，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S7，一个续流二极管D1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和稳压电容Cdc的正极相连，第二开关管S2的集电极分别与第一开关管S1的发射极和第一飞跨电容C1的正极相连，第三开关管S3的集电极分别与第二开关管S2的发射极和第五开关管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的发射极和第二飞跨电容C2的正极相连，第五开关管S5的发射极分别与第六开关管S6的集电极和滤波电感L1的一端相连，第六开关管S6的发射极分别与第二飞跨电容C2的负极和续流二极管D1的阳极相连，第七开关管S7的集电极分别与第四开关管S4发射极和第一飞跨电容C1的负极相连，续流二极管D1的阴极分别与光伏电池的负极、稳压电容Cdc的负极和第七开关管S7的发射极相连。
进一步，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。
本发明的调制方法的技术方案为：一种五电平共地型单相非隔离光伏并网逆变电路的调制方法，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，同时在滤波前输出电压为Udc时，S1、S2、S3、S5导通，其余开关管均关断，光伏电池通过S1、S2、S3和续流二极管D1给第二飞跨电容C2充电，同时通过S1、S2、S5向电网传输功率；
工作模态(2)：在电网电压正半周期，逆变器处于功率传输模态，第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2，同时在滤波前输出电压为Udc/2时，S1、S3、S4、S5导通，其余开关管均关断，光伏电池通过S1、S5和S3、S4的体二极管给第一飞跨电容C1充电；
工作模态(3)：在电网电压正半周期，逆变器处于功率传输模态，第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2，同时在滤波前输出电压为Udc/2时，S2、S5、S7导通，其余开关管均关断，第一飞跨电容C1通过S2、S5和S7的体二极管放电；
工作模态(4)：在电网电压整个周期，逆变器处于续流模态时，S1、S2、S3、S6导通，其余开关管均关断。由于续流二极管两端电压均为零可以看成通路，在正半周期通过第六开关管S6的体二极管构成零电压续流回路，在负半周期通过S6构成零电压续流回路，同时光伏电池通过S1、S2、S3和续流二极管D1给第二飞跨电容C2充电；
工作模态(5)：在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态，第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2，同时在滤波前输出电压为-Udc/2时，S2、S3、S6、S7导通，其余开关管均关断，第二飞跨电容C2供电，第二飞跨电容C2通过S6、S7和S2、S3的体二极管给第一飞跨电容C1充电；
工作模态(6)：在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态，第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2，同时在滤波前输出电压为-Udc/2时，S1、S4、S6导通，其余开关管均关断，第二飞跨电容C2供电，第二飞跨电容C2通过S4、S6和第一开关管S1的体二极管给第一飞跨电容C1充电；
工作模态(7)：在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态，同时在滤波前输出电压为-Udc时，S4、S6、S7导通，其余开关管均关断，第二飞跨电容C2供电，通过S4、S6、S7向电网传输功率。
进一步，所述工作模态中：
电网电压正半周期且电网电压大于Um/2，Um为电网电压峰值，当第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2时，工作模态在(1)、(2)之间按序循环转换；当第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2时，工作模态在(1)、(3)之间按序循环转换；
电网电压正半周期且电网电压小于Um/2，当第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2时，工作模态在(2)、(4)之间按序循环转换；当第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2时，工作模态在(3)、(4)之间按序循环转换；
电网电压负半周期且电网电压大于-Um/2，当第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2时，工作模态在(4)、(5)之间按序循环转换；当第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2时，工作模态在(4)、(6)之间按序循环转换；
电网电压负半周期且电网电压小于-Um/2，当第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2时，工作模态在(5)、(7)之间按序循环转换；当第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2时，工作模态在(6)、(7)之间按序循环转换。
本发明的有益效果为：一种共地型五电平单相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；相对于其他三电平逆变器拓扑，本拓扑输出五电平电压平台阶数，波形更趋近于正弦波，并网电流谐波更少；同时相对于其他逆变器拓扑，逆变电路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。
为解决漏电流的问题，主要思路是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。五电平逆变器较三电平逆变器输出平台阶数多，由于输出电压平台阶数越多，波形越趋近于正弦波，并网电流谐波越少，同时开关频率降低减少开关损耗。
附图说明
图1共地型五电平单相非隔离光伏并网逆变电路拓扑结构示意图；
图2逆变电路在滤波前输出电压为Udc，处于电网电压正半周期功率传输模态示意图；
图3逆变电路在滤波前输出电压为Udc/2，飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2，处于电网电压正半周期功率传输模态示意图；
图4逆变电路在滤波前输出电压为Udc/2，飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2，处于电网电压正半周期功率传输模态示意图；
图5逆变电路处于电网电压整个周期续流模态示意图。
图6逆变电路在滤波前输出电压为-Udc/2，飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2，处于电网电压负半周期功率传输模态示意图；
图7逆变电路在滤波前输出电压为-Udc/2，飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2，处于电网电压正半周期功率传输模态示意图；
图8逆变电路在滤波前输出电压为-Udc，处于电网电压正半周期功率传输模态示意图；
图9光伏并网发电系统漏电流仿真波形图；
图10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，本发明提供的共地型五电平单相非隔离光伏并网逆变电路拓扑结构示意图，包括：稳压电容Cdc，第一飞跨电容C1、第二飞跨电容C2，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，续流二极管D1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和稳压电容Cdc的正极相连，第二开关管S2的集电极分别与第一开关管S1的发射极和第一飞跨电容C1的正极相连，第三开关管S3的集电极分别与第二开关管S2的发射极和第五开关管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的发射极和第二飞跨电容C2的正极相连，第五开关管S5的发射极分别与第六开关管S6的集电极和滤波电感L1的一端相连，第六开关管S6的发射极分别与第二飞跨电容C2的负极和续流二极管D1的阳极相连，第七开关管S7的集电极分别与第四开关管S4发射极和第一飞跨电容C1的负极相连，续流二极管D1的阴极分别与光伏电池的负极、稳压电容Cdc的负极和第七开关管S7的发射极相连。
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8给出的本发明所述逆变电路的七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，同时在滤波前输出电压为Udc时，开关管S1、S2、S3、S5导通，其余开关管均关断，光伏电池通过开关管S1、S2、S3和续流二极管D1给第二飞跨电容C2充电，同时通过开关管S1、S2、S5向电网传输功率；
在电网电压正半周期，逆变器处于功率传输模态，第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2，同时在滤波前输出电压为Udc/2时，开关管S1、S3、S4、S5导通，其余开关管均关断，光伏电池通过开关管S1、S5和开关管S3、S4的体二极管给第一飞跨电容C1充电；
在电网电压正半周期，逆变器处于功率传输模态，第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2，同时在滤波前输出电压为Udc/2时，开关管S2、S5、S7导通，其余开关管均关断，第一飞跨电容C1通过开关管S2、S5和开关管S7的体二极管放电；
在电网电压整个周期，逆变器处于续流模态时，开关管S1、S2、S3、S6导通，其余开关管均关断。由于续流二极管两端电压均为零可以看成通路，在正半周期通过开关管S6的体二极管构成零电压续流回路，在负半周期通过开关管S6构成零电压续流回路。同时光伏电池通过开关管S1、S2、S3和续流二极管D1给第二飞跨电容C2充电；
在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态，第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2，同时在滤波前输出电压为-Udc/2时，开关管S2、S3、S6、S7导通，其余开关管均关断，第二飞跨电容C2供电，第二飞跨电容C2通过开关管S6、S7和开关管S2、S3的体二极管给第一飞跨电容C1充电；
在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态，第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2，同时在滤波前输出电压为-Udc/2时，开关管S1、S4、S6导通，其余开关管均关断，第二飞跨电容C2供电，第二飞跨电容C2通过开关管S4、S6和开关管S1的体二极管给第一飞跨电容C1充电；
在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态，同时在滤波前输出电压为-Udc时，开关管S4、S6、S7导通，其余开关管均关断，第二飞跨电容C2供电，通过开关管S4、S6、S7向电网传输功率；
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9和图10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，本发明的一种五电平共地型单相非隔离光伏并网逆变电路及其调制方法，属于电力电子领域，包括：一个稳压电容Cdc，两个飞跨电容C1、C2,七个开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，一个续流二极管D1和一个滤波电感L1。所述逆变器通过给定的开关管驱动信号控制逆变电路中七个开关管的动作，产生五个电平的输出电压。在电网电压正半周通过开关管的动作，由光伏电池供电，光伏电池两端电压为Udc，使飞跨电容C1的电压稳定在Udc/2不变，同时给飞跨电容C2充电；在电网电压负半周，由飞跨电容C2供电，飞跨电容C1的电压稳定在Udc/2不变。新型逆变器的主要优点是：1)光伏电池与电网共地，共模电压被钳位至0，共模电压保持不变，因此本拓扑可以完全消除漏电流；2)产生五个电平的输出电压，输出电压平台阶数越多，波形越趋近与正弦波，并网电流谐波越少；3)降低开关频率，减少开关损耗。
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 (4)

1.一种五电平共地型单相非隔离光伏并网逆变电路，其特征在于，包括：一个稳压电容Cdc，第一飞跨电容C1、第二飞跨电容C2，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S7，一个续流二极管D1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和稳压电容Cdc的正极相连，第二开关管S2的集电极分别与第一开关管S1的发射极和第一飞跨电容C1的正极相连，第三开关管S3的集电极分别与第二开关管S2的发射极和第五开关管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的发射极和第二飞跨电容C2的正极相连，第五开关管S5的发射极分别与第六开关管S6的集电极和滤波电感L1的一端相连，第六开关管S6的发射极分别与第二飞跨电容C2的负极和续流二极管D1的阳极相连，第七开关管S7的集电极分别与第四开关管S4发射极和第一飞跨电容C1的负极相连，续流二极管D1的阴极分别与光伏电池的负极、稳压电容Cdc的负极和第七开关管S7的发射极相连。
2.根据权利要求1所述的五电平共地型单相非隔离光伏并网逆变电路，其特征在于：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。
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调制方法，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，同时在滤波前输出电压为Udc时，S1、S2、S3、S5导通，其余开关管均关断，光伏电池通过S1、S2、S3和续流二极管D1给第二飞跨电容C2充电，同时通过S1、S2、S5向电网传输功率；
工作模态(2)：在电网电压正半周期，逆变器处于功率传输模态，第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2，同时在滤波前输出电压为Udc/2时，S1、S3、S4、S5导通，其余开关管均关断，光伏电池通过S1、S5和S3、S4的体二极管给第一飞跨电容C1充电；
工作模态(3)：在电网电压正半周期，逆变器处于功率传输模态，第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2，同时在滤波前输出电压为Udc/2时，S2、S5、S7导通，其余开关管均关断，第一飞跨电容C1通过S2、S5和S7的体二极管放电；
工作模态(4)：在电网电压整个周期，逆变器处于续流模态时，S1、S2、S3、S6导通，其余开关管均关断，由于续流二极管两端电压均为零可以看成通路，在正半周期通过第六开关管S6的体二极管构成零电压续流回路，在负半周期通过S6构成零电压续流回路，同时光伏电池通过S1、S2、S3和续流二极管D1给第二飞跨电容C2充电；
工作模态(5)：在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态，第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2，同时在滤波前输出电压为-Udc/2时，S2、S3、S6、S7导通，其余开关管均关断，第二飞跨电容C2供电，第二飞跨电容C2通过S6、S7和S2、S3的体二极管给第一飞跨电容C1充电；
工作模态(6)：在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态，第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2，同时在滤波前输出电压为-Udc/2时，S1、S4、S6导通，其余开关管均关断，第二飞跨电容C2供电，第二飞跨电容C2通过S4、S6和第一开关管S1的体二极管给第一飞跨电容C1充电；
工作模态(7)：在电网电压负半周期，逆变器处于功率传输模态，同时在滤波前输出电压为-Udc时，S4、S6、S7导通，其余开关管均关断，第二飞跨电容C2供电，通过S4、S6、S7向电网传输功率。
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调制方法，其特征在于：所述工作模态中：
电网电压正半周期且电网电压大于Um/2，Um为电网电压峰值，当第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2时，工作模态在(1)、(2)之间按序循环转换；当第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2时，工作模态在(1)、(3)之间按序循环转换；
电网电压正半周期且电网电压小于Um/2，当第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2时，工作模态在(2)、(4)之间按序循环转换；当第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2时，工作模态在(3)、(4)之间按序循环转换；
电网电压负半周期且电网电压大于-Um/2，当第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2时，工作模态在(4)、(5)之间按序循环转换；当第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2时，工作模态在(4)、(6)之间按序循环转换；
电网电压负半周期且电网电压小于-Um/2，当第一飞跨电容C1电容两端电压小于Udc/2时，工作模态在(5)、(7)之间按序循环转换；当第一飞跨电容C1电容两端电压大于Udc/2时，工作模态在(6)、(7)之间按序循环转换。
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