CN217036763U - 一种共地型单相三电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种共地型三电平逆变器电路，属于电力电子技术领域，包括功率开关网络、开关电容、独立二极管、交流滤波电感，本实用新型逆变电路的一个交流输出端与输入直流电压负端直接相连，形成共地结构，共模电压恒定；逆变电路的输出电压为三电平，差模电压谐波含量低；开关电容工作在开关频率充放电方式，且开关电容的充电回路与电网的续流回路相分离，有效抑制了在非单位因数工作下开关电容电压的上升幅度，适用于单位和非单位功率因数下中小功率非隔离型光伏并网逆变系统应用。

Description

一种共地型单相三电平逆变器

技术领域

本实用新型涉及一种共地型单相三电平逆变电路技术，属于电力电子技术领域。

背景技术

非隔离型光伏并网逆变器结构由于不含变压器，因此在装置体积、效率上相比于隔离型光伏并网逆变器结构具有较大优势。然而，不含变压器的非隔离型光伏并网逆变器无电气隔离，在光伏电池阵列与大地之间的寄生电容、光伏并网逆变器与大地之间形成共模回路，从而产生漏电流。漏电流会导致额外的损耗并损伤漏电流流通回路的设备，甚至危害人员安全。

目前，单相非隔离光伏并网逆变器一般采用双极性调制的全桥逆变器、半桥逆变器和共地型逆变器等。然而双极性调制的全桥逆变器输出两电平，差模特性差。半桥逆变器要求其直流侧输入电压的大小是逆变器输出最大电压的2 倍，不利于中小功率光伏并网升压场合的应用。共地型逆变器直接使电网中性点与光伏板负极相连，消除了漏电流。然而共地型逆变器一方面在设计上需要保证开关电容器充放电在开关频率刻度下工作，以维持电容电压平衡；另一方面在开关电容不参与放电的电网周期内若存在电网电流流过开关电容，将会使开关电容电压值大幅上升，不利于为电网高电能质量供电。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种结构和控制简单，能有效抑制非隔离光伏并网系统中漏电流的共地型单相三电平逆变电路及其调制方法。并具有在电网续流阶段将开关电容的充电回路与电网续流回路相分离，单位功率因数下实现开关电容电压平衡，非单位功率因数下实现抑制开关电容电压上升幅度，维持开关电容电压平衡稳定的能力，以适应在中小功率非隔离型光伏并网逆变系统的应用。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种共地型单相三电平逆变电路，光伏直流电源(V_dc)、第一电容(C₁)、第一功率开关管(S₁)、第二功率开关管(S₂)、第三功率开关管(S₃)、第四功率开关管(S₄)、第五功率开关管(S₅)、第一功率二极管(D₁)和交流滤波电感(L₁)；

光伏直流电源(V_dc)的正极与第一功率开关管(S₁)的漏极相连；第一功率开关管(S₁)的源极与第二功率开关管(S₂)的漏极和第一功率二极管(D₁) 的阳极相连；第二功率开关管(S₂)的源极与第三功率开关管(S₃)的源极、第一电容的负极和逆变电路的输出端口a相连；第三功率开关管(S₃)的漏极与第四功率开关管(S₄)的漏极相连，形成背靠背结构；

第四功率开关管(S₄)的源极与第五功率开关管(S₅)的源极、光伏直流电源(V_dc)的负极和电网的中心点零线相连；第五功率开关管(S₅)的漏极分别与第一功率二极管(D₁)的阴极和第一电容的正极相连，逆变电路的输出端口a 与交流滤波电感(L₁)的一端相连；交流滤波电感(L₁)的另一端与交流配电网 (u_g)的一端相连；交流配电网(u_g)的另一端连接逆变器输出端口即与直流侧光伏直流电源(V_dc)的负极相连。

作为本实用新型可选的方案，所述的功率开关采用金属-氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管或碳化硅场效应晶体管。

作为本实用新型可选的方案，所述的功率二极管D₁可为肖特基二极管或硅功率开关二极管。

作为本实用新型可选的方案，所述的交流滤波电路为电感型滤波器(L₁)，或电容型滤波器或电感-电容组合型滤波器。

作为本实用新型可选的方案，所述的负载为交流电网(u_g)，或纯阻性负载或感性负载或容性负载。

本实用新型的有益效果：将电网中性点零线直接与光伏板负极相连，形成共地结构，实现光伏板寄生电容导致的漏电流自然消除；控制简单，其中S₁和 S₅，S₂和S₄时两对开关互补，S₃的开关状态与S₁开关状态一致；在电网续流阶段开关电容的充电回路与电网续流回路相分离，单位功率因数下实现开关电容电压平衡，非单位功率因数下实现开关电容电压上升幅度抑制，维持开关电容电压平衡稳定，使该逆变器作为中小功率并网逆变器具有优秀的无功补偿能力，优化输入电网的电能质量。

附图说明

图1为本实施例中共地型单相三电平逆变电路的结构示意图。

图2为本实施例中共地型单相三电平逆变电路的功率开关管驱动信号示意图；

图3(a)为本实施例中电网电压正半周传能工作模态1；

图3(b)为本实施例中电网电压正半周期和负半周期的续流工作模态2；

图3(c)为本实施例中电网电压负半周传能工作模态3；

图4(a)为本实施例中电网电压正半周传能工作模态4；

图4(b)为本实施例中电网电压正半周期和负半周期的续流工作模态5；

图4(c)为本实施例中电网电压负半周传能工作模态6；

图5为本实施例中的输出三电平和电网电压波形；

图6(a)为本实施例中单位功率因数下的运行波形；

图6(b)为本实施例中电网电流超前电压30°时的运行波形；

图6(c)为本实施例中电网电流滞后电压30°时的运行波形；

图7(a)为本实施例中单位功率因数下第一电容电压的波形；

图7(b)为本实施例中电网电流超前电压30°时的运行波形；

图7(c)为本实施例中电网电流滞后电压30°时的运行波形。

具体实施方式

下面将结合附图与本实用新型的实施例对本实用新型进行详细说明。

参见附图1，本实用新型的一种共地型单相三电平逆变电路包括：直流电源 V_dc、第一电容C₁、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管 S₃、第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅、第一功率二极管D₁、交流滤波电感L₁和单相交流配电网u_g。

所述的光伏直流电源V_dc的正极与第一功率开关管S₁的漏极相连；第一功率开关管S₁的源极与第二功率开关管S₂的漏极和第一功率二极管D₁的阳极相连；第二功率开关管S₂的源极与第三功率开关管S₃的源极、第一电容C₁的负极和本实用新型逆变电路的输出端口a相连；第三功率开关管S₃的漏极与第四功率开关管S₄的漏极相连，形成背靠背结构；第四功率开关管S₄的源极与第五功率开关管S₅的源极、光伏直流电源V_dc的负极和电网的中心点零线相连；第五功率开关管S₅的漏极与第一功率二极管D₁的阴极和第一电容C₁的正极相连。本实用新型逆变电路的输出端口a与交流滤波电感L₁的左端相连；交流滤波电感L₁的右端与交流配电网的一端相连；交流配电网的另一端连接逆变器输出端口即与直流侧光伏直流电源V_dc的负极相连。

图2所示为共地型单相三电平逆变电路功率开关管驱动信号示意图，其中调制波v_M为工频(为50Hz)，v_tri为50kHz的高频三角载波信号。v_M与v_tri调制产生S₁～S₅的驱动信号。其中，功率开关S₁与S₃驱动信号相同且为电网负半周期为高频信号，功率开关S₅与功率开关S₁互补。功率开关S₂与S₄互补，且为电网正半周期的高频信号。

本实用新型的共地型单相三电平逆变器存在三种工作模态。

模态1如图3(a)所示，为电网正半周期能量传递模态，开通第一功率开关管 S₁、第二功率开关管S₂和第三功率开关管S₃，第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅断开，此时电流不经过第三开关管，且直流电源V_dc直接串联接入电网，共地型单相三电平逆变电路的输出电压等于直流输入电压。

模态2如图3(b)所示，为电网续流及对第一电容C₁的充能模态，开通第一功率开关管S₁、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄，第二功率开关管S₂、第五功率开关管S₅断开，在此模态下，开关管S₃和开关管S₄导通后该本实用新型逆变电路的输出端口a和端口N电位相等，输出电压为0V，电网的续流电流流经开关管S₃、开关管S₄和交流滤波电感L₁后回到单相交流配电网u_g。同时，在开关管S₁开通后，直流电源流出的电流经过开关管S₁、二极管D₁、开关管S₃和开关管S₄构成的导通回路为电容C₁进行充电。值得注意的是充电回路与续流回路相分离，电网的续流电流不经过开关电容C₁，当电容C₁的电压超过直流电源电压时，二极管D₁的阴极电位将高于阳极电位而截止，停止充电，因此电容 C₁的电压被维持在直流电源电压之下。

模态3如图3(c)所示，为电网负半周期能量传递及模态，开通第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃断开，由第一电容C₁为电网提供反向电压，电流不经过开关管S₃。如此，所述共地型单相三电平逆变电路的输出电压等于第一电容电压的负值。同时，在续流模态2下，由直流电源为第一电容进行充电，因此第一电容在负半周期的开关频率刻度下进行充放电工作，维持第一电容电压等于直流电压值稳定。

模态4如图4(a)所示，电网电压为正、进网电流为负，功率开关管的开关状态与模态1相同，反向电流不经过开关管S₃，电网发出的电流通过开关管S₂和 S₁流向直流电源，所述共地型单相三电平逆变电路的输出电压等于直流电源的电压。

模态5如图4(b)所示，此模态与单位功率因数下的模态2开关状态相同，在此续流模态下电网电流经过开关管S₃和开关管S₄构成的支路回到电网，因此电网不会为第一电容C₁充电，同时由直流电源为第一电容C₁进行充电，若电容C₁的电压超过直流电源电压时，二极管D₁的阴极电位将高于阳极电位而截止，充电停止。

模态6如图4(c)所示，电网电压为负、进网电流为正，功率开关管的开关状态与模态3相同，在此模态下电网电流流过第一电容C₁，并为其充电，将造成电容C₁电压的上升，上升的幅度与非功率因数角度相关:

在非单位功率因数的模态6下，根据输出电流与电压超前滞后角度Ψ可以计算出当电网电压为负、进网电流为正时，电容C₁的上升幅值。此时流过电容C₁的电流与电网电流一致，根据电容C₁的特性式

可得到式(1)，与式(2)联立后得到电容C₁的上升值。其中，I_o为电网电流峰值，T为工频周期。M为调制指数M＝V_o/V_dc,V_o是输出正弦电压峰值。I_o为电网电流峰值，T为工频周期。

图5为本实用新型提供的一种共地型单相三电平逆变电路输出三电平u_ab和电网电压u_g波形，其中，u_ab的峰值电压与光伏直流电源电压V_dc电压一致为 400V，u_g的峰值电压为311V，频率为工频50Hz。

图6为本实用新型提供的一种共地型单相三电平逆变电路处于三电平输出时的单位功率因数与非单位功率因数下的运行波形，其中，图6(a)为单位功率因数下的运行波形，电网电压u_g与进网电流i_g同相位，进网电流i_g峰值为6.43A；图6(b)为电网电流超前电压30°时的运行波形，图6(c)为电网电流滞后电压30°时的运行波形。可以看出，在单位功率因数或非单位功率因数运行下，本实用新型进网电流i_g的波形都较为平滑，能够向电网提供较高的电能质量输入，同时也意味着当电网存在无功功率时，本实用新型电路依旧能正常稳定的运行。

图7为本实用新型提供的一种共地型单相三电平逆变电路第一电容C₁电压的波形，其中，图7(a)为单位功率因数下第一电容电压的波形，图7(b)为电网电流超前电压30°时的运行波形，图7(c)为电网电流滞后电压30°时的运行波形。可以看出，当第二电容C₂容值为0.1mF，在50kHz的开关频率下时，在单位功率因数下，第一电容C₁的电压被稳定在400V。当电网电流超前电压30°和电网电流滞后电压30°时第一电容电压会在电网负半周期略微增加，但依旧相对保持稳定，因此，所述共地型单相三电平逆变电路具有较好程度地向电网传输无功功率的能力。

本实施例所述的功率开关S₁-S₅采用金属-氧化物半导体场效应晶体管(简称MOSFET)或绝缘栅双极晶体管或碳化硅场效应晶体管。本实施例所述的功率二极管D₁可为肖特基二极管或硅功率开关二极管等。

以上所述仅是本实用新型的优选具体实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种共地型单相三电平逆变电路，其特征在于：光伏直流电源(V_dc)、第一电容(C₁)、第一功率开关管(S₁)、第二功率开关管(S₂)、第三功率开关管(S₃)、第四功率开关管(S₄)、第五功率开关管(S₅)、第一功率二极管(D₁)和交流滤波电感(L₁)；

光伏直流电源(V_dc)的正极与第一功率开关管(S₁)的漏极相连；第一功率开关管(S₁)的源极与第二功率开关管(S₂)的漏极和第一功率二极管(D₁)的阳极相连；第二功率开关管(S₂)的源极与第三功率开关管(S₃)的源极、第一电容的负极和逆变电路的输出端口a相连；第三功率开关管(S₃)的漏极与第四功率开关管(S₄)的漏极相连，形成背靠背结构；

第四功率开关管(S₄)的源极与第五功率开关管(S₅)的源极、光伏直流电源(V_dc)的负极和电网的中心点零线相连；第五功率开关管(S₅)的漏极分别与第一功率二极管(D₁)的阴极和第一电容的正极相连，逆变电路的输出端口a与交流滤波电感(L₁)的一端相连；交流滤波电感(L₁)的另一端与交流配电网(u_g)的一端相连；交流配电网(u_g)的另一端连接逆变器输出端口即与直流侧光伏直流电源(V_dc)的负极相连。

2.根据权利要求1所述的共地型单相三电平逆变电路，其特征在于：所述的功率开关采用金属-氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管或碳化硅场效应晶体管。

3.根据权利要求1所述的共地型单相三电平逆变电路，其特征在于：所述的功率二极管D₁可为肖特基二极管或硅功率开关二极管。

4.根据权利要求1所述的共地型单相三电平逆变电路，其特征在于：交流滤波电路为电感型滤波器(L₁)，或电容型滤波器或电感-电容组合型滤波器。

5.根据权利要求1所述的共地型单相三电平逆变电路，其特征在于：负载为交流电网(u_g)，或纯阻性负载或感性负载或容性负载。

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