CN113904576A - 一种集成升压光伏并网逆变器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种集成升压光伏并网逆变器及其控制方法，所述逆变器包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第一二极管D0、第二二极管D1、第三二极管D2、电感L1、第一电容C1、第二电容C2，逆变器包括直流侧和交流侧，直流侧包括输入电源Vin，交流侧包括包括滤波器，第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3上均设有第一端子和第二端子，第三功率开关管S3的第一端子与第二功率开关管S2的第二端子连接交流侧的另一端，第二功率管开关S1的第二端子与第二电容C2的一端连接。本发明逆变器，直流侧与交流侧共接地，避免了共模干扰，减少漏电流，减少了逆变器的数量，降低系统成本，提高集成度，电路占用空间小。

Description

一种集成升压光伏并网逆变器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体是一种集成升压光伏并网逆变器及其控制方法。
背景技术
当前全球能源供应日益紧张，清洁环保的太阳能光伏发电受到世界各国的重视。逆变器是光伏发电系统中关键接口设备。传统的非隔离型逆变器缺少变压器的电气隔离，光伏电池对地存在寄生电容，光伏发电系统中容易产生漏电流，导致损耗增加、电磁干扰(EMI)等问题，降低光伏发电系统的整体性能。
通常，光伏、燃料电池等新能源模组的输出直流电压一般为18～56V，为达到用电设备或并网发电的要求，将较低电压的电池模组进行串联，或单独通过一级直流升压变换器将电压抬升，然后通过传统的桥式逆变器进行能量变换，构成两级式逆变器。如果将多个模组进行串联，容易形成木桶效应，降低系统的可靠性。如果通过两级变换器组成级联的结构进行光伏发电，所需功率器件的数量增加，同时两级功率处理也会影响系统的传输效率。
近年来，针对如何解决光伏逆变器的漏电流问题，国内外广大学者从构造新型逆变器的物理结构和控制方法等方面进行了诸多研究。文献《A Semi-Two-Stage H5Inverter with Improved Efficiency and Low Leakage Current》IEEE2018，在全桥逆变器的基础上增加了一个有源开关，提出了H5逆变器结构，该电路工作在正负半周的续流阶段，直流侧和交流侧断开连接关系，从而抑制了漏电流的产生。但是该电路在正常传输能量时，需要三个有源开关同时工作在高频状态，增加了电路的复杂性，成本和损耗。
文献《A New High-Efficiency Single-Phase Transformerless PV InverterTopology》IEEE2011，公开了一种单级逆变器，该逆变器是一种带交流旁路的全桥逆变器拓扑结构。其中直流环节的中点通过二极管和一个双向开关钳位。其工作原理与HERIC拓扑相同。采用单极性SPWM调制实现了三电平输出电压。这种拓扑的不足之处在于需要增加死区时间，加大了输出电流的失真度。该逆变器出发点是为了降低光伏阵列电压转换中的泄漏电流，开关器件较多，增加了电路的体积，损耗大，降低了逆变器的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成升压光伏并网逆变器及其控制方法，解决现有技术中升压比低、高频漏电、电路复杂、电路体积大、损耗大等问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种集成升压光伏并网逆变器，所述逆变器包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第一二极管D0、第二二极管D1、第三二极管D2、电感L1、第一电容C1、第二电容C2。
所述逆变器包括直流侧和交流侧，直流侧包括输入电源Vin，交流侧包括包括滤波器。
所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3上均设有第一端子和第二端子。
所述第三功率开关管S3的第一端子与第二功率开关管S2的第二端子连接交流侧的另一端，连接点为第一节点A。
所述第二功率管开关S1的第二端子与第二电容C2的一端连接，连接点为第二节点B。
进一步地，所述第一二极管D0的阳极与输入电源Vin的一端紧固连接，第一二极管D0的阴极与电感L1的一端紧固连接，电感L1的另一端与第一功率开关管S1的第一端子、第一电容C1的一端、第三二极管D2的阳极紧固连接，第一电容C1的分别与第三功率开关管S3的第二端子、第二二极管D1的阳极紧固连接。
进一步地，所述输入电源Vin的另一端、第一功率管开关S1的第二端子、第二二极管D1的阴极、第二电容C2的一端及其交流侧的一端均接地。
所述第二电容C2的另一端分别与第三二极管D2的阴极、第二功率开关管S2的第一端子紧固连接。
进一步地，所述第一节点A和第二节点B形成输出端。
进一步地，所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2和第三功率开关管S3上设有反并联的二极管。
进一步地，所述滤波器包括滤波电感L2，滤波电感L2的一端与第一节点A连接，另一端电网或者负载R的一端连接，电网或负载R另一端与节点B连接，滤波器对电压UAB进行滤波。
一种集成升压并网逆变器的控制方法，所述控制方法控制集成升压并网逆变器工作的模态包括：模态一、模态二、模态三。
所述逆变器在正弦调制波正负半波内的工作原理相同。
进一步地，所述模态一包括：
当调节波大于载波时，控制第一功率开关管S1、第三功率开关管S3导通，第二功率开关管S2断开，第一二极管D0导通；输入电源Vin、第一二极管D0、电感L1和第一功率开关管S1形成闭合回路，此时输出电压幅值Ugm＝-mVC1，其中m为调制比。
进一步地，所述模态二包括：当调制波小于载波时，控制第二功率开关管S2导通，第一功率开关管S1、第三功率开关管S3断开，第一二极管D0、第二二极管D1和第三二极管D2导通，输入电源Vin、第一二极管D0、电感L1、第一电容C1和第二二极管D1形成闭合回路；输入电源Vin、第一二极管D0、电感L1、第三二极管D2和第二电容C2形成闭合回路；输入电源Vin、第一二极管D0、电感L1、第三二极管D2、第二功率开关管S2和滤波器形成闭合回路,此时输出电压幅值Ugm＝+mVC1。
所述第一电感L1处于放电状态和电流断续状态，流经第一电感L1上的电流i1线性减少直到为零，第一二极管D0、第二二极管D1和第三二极管D2截止。
进一步地，所述模态三包括：控制第二功率开关管S2导通，第一功率开关器S1、第三功率开关器S3断开，第一二极管D0、第二二极管D1和第三二极管D2关断，第二电容C2、第二功率开关管S2和滤波器形成闭合回路，第二电容C2两端的电压VC2向电网或负载R供电，此时输出电压幅值Ugm＝+mVC2,上述VC1＝VC2＝V。
本发明的有益效果：
1、本发明逆变器，直流侧与交流侧共同接地，避免了共模干扰，减少漏电流，属于集成式逆变器，利用功率器件的复用技术，减少了逆变器元件数量，降低系统成本，提高集成度，电路占用空间小；
2、本发明逆变器，克服了传统两级逆变器的缺点，具有电路结构简单、控制方案简单、功率器件少、效率高、成本低，开关损耗小、工作寿命长、集成度高的优点；
3、本发明逆变器的控制方法，每个工作模态中，至多只有两个功率开关管工作，减小了开关管的导通损耗，具有较高的升压能力，通过控制三个功率开关管的导通与关断，既能实现升压又能实现逆变功能，将太阳能板的电压转换输出，具有电路组成元件减少，电路结构简单且电能转换效率高的优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明逆变器电路结构示意图；
图2是本发明各个功率开关管的驱动波形示意图；
图3是本发明在DCM状态下开关周期内的工作模态分布；
图4是本发明工作模态一结构示意图；
图5是本发明工作模态二结构示意图；
图6是本发明工作模态三结构示意图；
图7是本发明完全DCM状态下电感电流仿真波形图；
图8是本发明节点AB端电压及输出电压和电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种集成升压光伏并网逆变器，如图1所示，逆变器包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第一二极管D0、第二二极管D1、第三二极管D2、电感L1、第一电容C1、第二电容C2。
逆变器包括直流侧和交流侧，直流侧包括输入电源Vin，交流侧包括包括滤波器。
第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3上均设有第一端子1和第二端子2。
第一二极管D0的阳极与输入电源Vin的一端紧固连接，第一二极管D0的阴极与电感L1的一端紧固连接，电感L1的另一端与第一功率开关管S1的第一端子1、第一电容C1的一端、第三二极管D2的阳极紧固连接，第一电容C1的分别与第三功率开关管S3的第二端子2、第二二极管D1的阳极紧固连接。
输入电源Vin的另一端、第一功率管开关S1的第二端子2、第二二极管D1的阴极、第二电容C2的一端及其交流侧的一端均接地。
第二电容C2的另一端分别与第三二极管D2的阴极、第二功率开关管S2的第一端子1紧固连接。
第三功率开关管S3的第一端子1与第二功率开关管S2的第二端子2连接交流侧的另一端，连接点为第一节点A。
第二功率管开关S1的第二端子2与第二电容C2的一端连接，连接点为第二节点B。第一节点A和第二节点B形成输出端。
第一功率开关管S1、第二功率开关管S2和第三功率开关管S3上设有反并联的二极管。
滤波器为L型，包括滤波电感L2，滤波电感L2的一端与第一节点A连接，另一端电网或者负载R的一端连接，电网或负载R另一端与节点B连接，滤波器对电压UAB进行滤波，去除谐波干扰，根据实际应用场景进行选择，选择L滤波器(如图1所示)、LC滤波器等，滤波器的输出可以连接电网或负载，负载特性也可以根据实际应用场景进行选择，可以为阻性负载、感性负载、容性负载等，当负载不为阻性负载时，可以为功率因数小于1的输出进行无功补偿。
逆变器完成升压逆变，滤波器的输出端即输出电压Ug反馈到电网中去输出电压，或者将Ug直接为负载R供电。
一种集成升压光伏并网逆变器的控制方法，向第一功率开关管S1、第二功率开关管S2和第三功率开关管S3的门极输入控制信号，波形如图8所示，从上至下依次为第一功率开关管S1、第二功率开关管S2和第三功率开关管S3的门极输入信号，任一模态最多只有两个开关管同时工作，无需增加死区时间，改善了输出波形，减少功率开关管的数量。控制方法控制逆变器工作，包括以下工作模态：
模态一
如图4所示，当调节波大于载波时，控制第一功率开关管S1、第三功率开关管S3导通，第二功率开关管S2断开，第一二极管D0导通；输入电源Vin、第一二极管D0、电感L1和第一功率开关管S1形成闭合回路，输入电源Vin向电感L1充电，流经电感L1上的电流iL1从零开始线性增加；第一电容C1、第一功率开关管S1、滤波器和第三功率开关管S3形成闭合回路，第一电容C1两端的电压VC1向电网或负载R供电，此时输出电压幅值Ugm＝-mVC1，其中m为调制比。
模态二
如图5所示，当调制波小于载波时，控制第二功率开关管S2导通，第一功率开关管S1、第三功率开关管S3断开，第一二极管D0、第二二极管D1和第三二极管D2导通，输入电源Vin、第一二极管D0、电感L1、第一电容C1和第二二极管D1形成闭合回路，输入电源Vin和电感L1为第一电容C1充电；输入电源Vin、第一二极管D0、电感L1、第三二极管D2和第二电容C2形成闭合回路,输入电源Vin和电感L1为第二电容C2充电；输入电源Vin、第一二极管D0、电感L1、第三二极管D2、第二功率开关管S2和滤波器形成闭合回路,输入电源Vin和第一电感L1给电网或负载R供电，此时输出电压幅值Ugm＝+mVC1；第一电感L1处于放电状态和电流断续状态，如图7所示，流经第一电感L1上的电流i1线性减少直到为零，第一二极管D0、第二二极管D1和第三二极管D2截止，形成模态三。
模态三
如图6所示，控制第二功率开关管S2导通，第一功率开关器S1、第三功率开关器S3断开，第一二极管D0、第二二极管D1和第三二极管D2关断，第二电容C2、第二功率开关管S2和滤波器形成闭合回路，第二电容C2两端的电压VC2向电网或负载R供电，此时输出电压幅值Ugm＝+mVC2,上述VC1＝VC2＝V。
逆变器在正弦调制波正负半波内的工作原理相同，按照模态一、二和三的顺序不断重复进行，模态一中，利用第一二极管D0单向导通作用，形成闭合回路，输入电源Vin存储的电能转移到电感L1上，与此同时，通过第一控制功率开关管S1、第三控制功率开关管S3导通，将第一电容C1上的电能转移到输出端，经过滤波器的滤波作用形成输出电压Ug；模态二中，利用第一二极管D0、第二二极管D1和第三二极管D2单向导通作用，形成闭合回路，输入电源Vin和第一电感L1一起向第二电容C1、第三电容C2充电，通过控制第二功率开关管S2导通，将输入电源Vin的电能和电感L1上的电能转移到输出端，经过滤波器的滤波作用形成输出电压Ug。
为了简化逆变器分析，做出如下假设：
(1)所有半导体功率器件均为理想器件，第一二极管D0、第二二极管D1和第三二极管D2是防反二极管。
(2)第一电容C1、第二电容C2足够大，可以在一个开关周期内保持其电压恒定；滤波电感L2足够大，在一个开关周期，其电流在一个开关周期保持恒定。
(3)电感L1的电流工作在断续导通(DCM)模式。
假设第一功率开关管S1开通时间与开关周期的比为占空比Di，根据规则型对称采样规律，可得占空比为：
Figure BDA0003321791020000081
在0～DiT时，第一功率开关管S1开通，即在模态一的状态下：
Figure BDA0003321791020000082
在DiT-(Di+Di’)T时，第一功率开关管S1关断，即在模态二的状态下：
Figure BDA0003321791020000083
其中，iL1为流过储能电感L1上的电流，Vin为输入电源，VC1为储能第一电容C1两端的电压，T为开关周期，Di’为关断占空比；由于本申请的升压逆变器工作在电感不连续导电模式下，显然，Di+Di’<1，根据伏秒平衡，可得：
VinDiT＝(VC1-Vin)D′iT (4)
对于逆变电路，如果忽略电路中所有元器件损耗，则输入功率等于输出功率，从而可得：
Figure BDA0003321791020000084
其中，Ugm为逆变器输出电压的幅值，Ugm＝mVC1＝mVC2＝mV；
由于输入平均电流与电感平均电流相等，即：
Iin＝IL1 (6)
Figure BDA0003321791020000091
其中，Iin为输入平均电流。
而电感L1上的电流平均值为：
Figure BDA0003321791020000092
逆变器输出电压有效值Ug为：
Figure BDA0003321791020000093
则输入电压与输出电压之间的关系为：
Figure BDA0003321791020000094
经过比对，一种集成升压光伏并网逆变器的工作原理不同于传统的升压变换器和逆变器组合的升压逆变方式，主要包括以下优点：
1、集成升压光伏并网逆变器不需要考虑升压变换器输出端和逆变器输入端之间互相匹配的问题，集成度高；
2、集成升压光伏并网逆变器不存在传统两级串联的升压逆变器还需要考虑前级输出与后级输入相匹配的问题，降低了设计了成本，；
3、传统两级串联的升压逆变器的前级升压变换器的输出端需要设置滤波器，后级逆变器输出端也需要设置滤波器，滤波器占用空间大，且设计繁琐，无疑会增大整个电路的体积及电路设计成本，集成升压光伏并网逆变器克服了上述缺点，仅需一个滤波器，占用空间小；
4、集成升压光伏并网逆变器与一些升压变换器和全桥逆变电路组合的升压逆变方式相比，功率开关管的数量较少，通过控制二极管和功率开关管组合导通和关断作用形成模态一至三，最终可以实现升压比值大；
5、集成升压光伏并网逆变器功率开关管的控制电路简单，设计方便，成本低，不像传统两级串联的升压逆变器，前后级需要分别控制，电路设计和控制成本高。
相比于H6逆变器拓扑结构较复杂、损耗高、电压增益受到直通占空比和调制比的限制等缺点，具有结构简单，电压增益高，逆变器输入侧直流母线电压(指本实施例中第一电容C1两端电压)的可控性提升，开关损耗小等优点；与其他单级升压逆变器相比：
1、集成升压光伏并网逆变器利用功率器件复用技术显著减少了元件数量，降低了系统成本并提高了集成度；
2、集成升压光伏并网逆变器应用在光伏发电场合时，可以消除光伏电池对地的漏电流；
3、与传统的两级式升压逆变器相比，不需要考虑前后级匹配的问题，且大幅提高升压比，电压可调范围广；
4、与传统的升压电路结构相比，电感参数小，交流输出的电压峰值和有效值可以大大高于直流输入电压；
5、输出电压/电流的THD较低；
6、采用单闭环输出电压控制的方法，结构简单，动态响应快，跟踪性能好，对电源及负载的波动具有较强的抑制能力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种集成升压光伏并网逆变器，其特征在于，所述逆变器包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第一二极管D0、第二二极管D1、第三二极管D2、电感L1、第一电容C1、第二电容C2；
所述逆变器包括直流侧和交流侧，直流侧包括输入电源Vin，交流侧包括包括滤波器；
所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3上均设有第一端子(1)和第二端子(2)；
所述第三功率开关管S3的第一端子(1)与第二功率开关管S2的第二端子(2)连接交流侧的另一端，连接点为第一节点A；
所述第二功率管开关S1的第二端子(2)与第二电容C2的一端连接，连接点为第二节点B。
2.根据权利要求1所述的一种集成升压光伏并网逆变器，其特征在于，所述第一二极管D0的阳极与输入电源Vin的一端紧固连接，第一二极管D0的阴极与电感L1的一端紧固连接，电感L1的另一端与第一功率开关管S1的第一端子(1)、第一电容C1的一端、第三二极管D2的阳极紧固连接，第一电容C1的分别与第三功率开关管S3的第二端子(2)、第二二极管D1的阳极紧固连接。
3.根据权利要求2所述的一种集成升压光伏并网逆变器，其特征在于，所述输入电源Vin的另一端、第一功率管开关S1的第二端子(2)、第二二极管D1的阴极、第二电容C2的一端及其交流侧的一端均接地；
所述第二电容C2的另一端分别与第三二极管D2的阴极、第二功率开关管S2的第一端子(1)紧固连接。
4.根据权利要求3所述的一种集成升压光伏并网逆变器，其特征在于，所述第一节点A和第二节点B形成输出端。
5.根据权利要求3所述的一种集成升压光伏并网逆变器，其特征在于，所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2和第三功率开关管S3上设有反并联的二极管。
6.根据权利要求3所述的一种集成升压光伏并网逆变器，其特征在于，所述滤波器包括滤波电感L2，滤波电感L2的一端与第一节点A连接，另一端电网或者负载R的一端连接，电网或负载R另一端与节点B连接，滤波器对电压UAB进行滤波。
7.基于权利要求1-6任意一项所述的一种集成升压并网逆变器的控制方法其特征在于，所述控制方法控制集成升压并网逆变器工作的模态包括：模态一、模态二、模态三；
所述逆变器在正弦调制波正负半波内的工作原理相同。
8.根据权利要求7所述的一种集成升压并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述模态一包括：
当调节波大于载波时，控制第一功率开关管S1、第三功率开关管S3导通，第二功率开关管S2断开，第一二极管D0导通；输入电源Vin、第一二极管D0、电感L1和第一功率开关管S1形成闭合回路，此时输出电压幅值Ugm＝-mVC1，其中m为调制比。
9.根据权利要求8所述的一种集成升压并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述模态二包括：当调制波小于载波时，控制第二功率开关管S2导通，第一功率开关管S1、第三功率开关管S3断开，第一二极管D0、第二二极管D1和第三二极管D2导通，输入电源Vin、第一二极管D0、电感L1、第一电容C1和第二二极管D1形成闭合回路；输入电源Vin、第一二极管D0、电感L1、第三二极管D2和第二电容C2形成闭合回路；输入电源Vin、第一二极管D0、电感L1、第三二极管D2、第二功率开关管S2和滤波器形成闭合回路,此时输出电压幅值Ugm＝+mVC1；
所述第一电感L1处于放电状态和电流断续状态，流经第一电感L1上的电流i1线性减少直到为零，第一二极管D0、第二二极管D1和第三二极管D2截止。
10.根据权利要求9所述的一种集成升压并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述模态三包括：控制第二功率开关管S2导通，第一功率开关器S1、第三功率开关器S3断开，第一二极管D0、第二二极管D1和第三二极管D2关断，第二电容C2、第二功率开关管S2和滤波器形成闭合回路，第二电容C2两端的电压VC2向电网或负载R供电，此时输出电压幅值Ugm＝+mVC2,上述VC1＝VC2＝V。
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