CN102088252B - 一种开关电容实现无变压器型逆变器及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电容实现无变压器型逆变器，包括：二个电容，五个功率开关和滤波器；第一电容的二端分别与第一功率开关的漏极、滤波器的第二输入端相连；第一功率开关的源极与第二功率开关的漏极、第二电容的第一端和第四功率开关的漏极相连，第二功率开关的源极与第一电容的第二端和第三功率开关的漏极相连，第三功率开关的源极与第二电容的第二端和第五功率开关的源极相连，第五功率开关的漏极与第四功率开关的源极和滤波器的第一输入端相连。本发明还公开了其在光伏并网发电系统中的应用，本发明的逆变器结构简单，能够有效抑制无变压器型光伏并网系统中的对地漏电流。

Description

一种开关电容实现无变压器型逆变器及应用
技术领域
本发明涉及电力电子技术直流-交流变换器领域，具体说，涉及一种无变压器型逆变器及其在光伏并网发电系统中的应用。
背景技术
近年来，能源的短缺和环境的污染已经成为世界的焦点，可再生能源的发展和应用受到世界各国的广泛关注。太阳能清洁、广泛并且储量巨大，是较为理想的可再生能源之一。
光伏并网发电是利用太阳能的重要形式之一。光伏电池产生的直流电经逆变器转换成交流电后输送给电网。根据逆变器中变压器的配置不同，可将其分为带工频变压器型、带高频变压器型和无变压器型。工频变压器体积庞大，成本高，安装不方便。高频变压器尽管体积和重量大大减小，但往往需要增加一级功率变换器，导致系统复杂度提高，效率降低。无变压器型逆变器由于其系统结构简单，效率高，体积小，成本低等优点，在世界范围内得到了快速的发展。
然而，在无变压器型光伏并网发电系统中，光伏电池与大地之间存在不可避免的寄生电容，可能导致对地漏电流出现。对地漏电流将降低电能质量，并可能引起电磁兼容和安全问题，因此需要得到抑制。
当前，一般采用双极性调制的全桥逆变器和半桥逆变器来解决共模电流问题。但是这两种解决方案各有其不足之处。双极性调制的全桥逆变器输出电压为两电平，需要较大的输出滤波电感以抑制开关纹波，从而增加了系统的体积、成本和损耗。半桥电路要求其直流侧输入电压的大小是全桥逆变器的两倍，相应增加了前级直流输入源串联的数量或者提高了前级DC/DC升压电路的升压比例以及设计难度。
发明内容
本发明提供一种结构简单、能够有效抑制无变压器型光伏并网系统中的对地漏电流、需要的直流输入电压与全桥逆变器相同并且支持三电平输出的开关电容实现无变压器型逆变器以及该开关电容实现无变压器型逆变器在光伏并网发电系统中的应用。
一种开关电容实现无变压器型逆变器，其内部电路包括：第一电容，第二电容，第一功率开关，第二功率开关，第三功率开关，第四功率开关，第五功率开关和滤波器；第一电容的第一端与第一功率开关的的漏极相连，第一功率开关的的源极与第二功率开关的漏极、第二电容的第一端和第四功率开关的漏极相连，第二功率开关的源极与第一电容的第二端和第三功率开关的漏极相连，第三功率开关的源极与第二电容的第二端和第五功率开关的源极相连，第五功率开关的漏极与第四功率开关的源极相连，第五功率开关的漏极与滤波器的第一输入端相连，第一电容的第二端与滤波器的第二输入端相连。
所述的滤波器为电感型滤波器、电感-电容型滤波器或电感-电容-电感型滤波器。
所述功率开关由独立功率晶体管和独立二极管反并联后构成，或由其内部自带反并二极管的功率晶体管构成。
所述的功率晶体管为功率金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管或其他全控型功率半导体器件。
本发明的开关电容实现无变压器型逆变器具有两种调制方式：单极性脉冲宽度调制和倍频式脉冲宽度调制。
采用单极性脉冲宽度调制方式时，当工频(例如50Hz)调制波处于正半周期时，第一功率开关和第三功率开关导通，第二功率开关关断，第四功率开关和第五功率开关做互补的高频开关动作；当工频调制波处于负半周期时，第四功率开关关断，第五功率开关导通，第一功率开关和第三功率开关做同步的高频开关动作，第一功率开关和第二功率开关做互补的高频开关动作。
采用倍频式脉冲宽度调制方式时，第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关和第五功率开关均以高频周期进行开关动作，但第一功率开关、第二功率开关和第三功率开关的工频调制波与第四功率开关和第五功率开关的工频调制波相位相反。
不论采用上述任何一种调制方式，所有功率开关的控制信号都满足以下关系：第一功率开关和第三功率开关的控制信号时序相同，第一功率开关和第二功率开关的控制信号时序互补并有共同关断的死区时间，第四功率开关和第五功率开关的控制信号时序互补并有共同关断的死区时间。
所述的单极性脉冲宽度调制方式使逆变器能够输出三电平，从而减小滤波电感；所述的倍频式脉冲宽度调制方式可在所述的单极性脉冲宽度调制方式基础上在单个功率开关的工作频率不变的前提下将逆变器输出电压的等效开关频率提高一倍，从而使得输出电感进一步减小，进而降低成本，减小体积和重量并减少滤波电感上产生的铜损和磁损。
本发明的开关电容实现无变压器型逆变器可适用于独立型逆变器和并网型逆变器系统，并特别适合应用在光伏并网发电系统中。
本发明的开关电容实现无变压器型逆变器应用于光伏并网发电系统时，直流电源的正极与第一电容的第一端相连，直流电源的负极与第一电容的第二端相连，电网的火线与滤波器的第一输出端相连，电网的零线与滤波器的第二输出端相连；然后分别向第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关和第五功率开关的控制端输入所述的单极性脉冲宽度调制或倍频式脉冲宽度调制信号，控制所对应开关管的开通和关断，实现直流电源上的直流电能转换成交流电能输送至电网。由于光伏电池极板与大地间的寄生电容被输电导线短路，对地漏电流被完全消除。
本发明的开关电容实现无变压器型逆变器需要的直流输入电压与全桥逆变器相同，相比于半桥电路或中点箝位半桥电路，仅需要一半的直流输入电压，从而减少了前级直流输入源串联的数量或者降低了前级DC/DC升压电路的升压比例。
本发明的开关电容实现无变压器型逆变器结构简单，能够有效抑制无变压器型光伏并网系统中的对地漏电流、需要的直流输入电压与全桥逆变器相同且支持三电平输出。
附图说明
图1是本发明开关电容实现无变压器型逆变器的电路示意图。
图2a-图2c是本发明开关电容实现无变压器型逆变器中三种滤波器结构的示意图。
图3是本发明采用单极性脉宽调制方式的波形示意图。
图4是本发明采用倍频式脉宽调制方式的波形示意图。
图5a-图5d是本发明开关电容实现无变压器型逆变器的四种工作模式示意图。
具体实施方式
参见附图1，本发明的开关电容实现无变压器型逆变器包括第一电容C1，第二电容C2，第一功率开关S1，第二功率开关S2，第三功率开关S3，第四功率开关S4，第五功率开关S5和滤波器F。
本实施例所述的功率开关S1-S5由功率晶体管T1-T5和反并二极管D1-D5分别并联组成，功率晶体管的漏极或集电极与反并二极管的阴极相连构成功率开关的漏极，功率晶体管的源极或发射极与反并二极管的阳极相连构成功率开关的源极。
第一电容C1的第一端与第一功率开关S1的漏极相连，第一功率开关S1的源极与第二功率开关S2的漏极、第二电容C2的第一端和第四功率开关S4的漏极相连，第二功率开关S2的源极与第一电容C1的第二端和第三功率开关S3的漏极相连，第三功率开关S3的源极与第二电容C2的第二端和第五功率开关S5的源极相连，第五功率开关S5的漏极与第四功率开关S4的源极相连，第五功率开关S5的漏极与滤波器F的第一输入端相连，第一电容C1的第二端与滤波器F的第二输入端相连。图中Vdc为直流侧输入电压，iac为交流侧输出电流。
将直流电源和电网接入所述的逆变器，其中直流电源的正极与第一电容C1的第一端相连，直流电源的负极与第一电容C1的第二端相连，电网的火线与滤波器F的第一输出端相连，电网的零线与滤波器F的第二输出端相连；然后通过驱动电路分别向第一功率开关S1、第二功率开关S2、第三功率开关S3、第四功率开关S4和第五功率开关S5的控制端输入控制信号，控制所对应开关管的开通和关断，实现直流电源上的直流电能转换成交流电能输送电网，同时保证不因逆变器工作产生对地漏电流。
图2a-图2c具体给出了滤波器F的三种不同的组成方式。
图2a给出了电感型滤波器。其中滤波电感Lf的第一端与滤波器F的第一输入端相连，滤波电感Lf的第二端与滤波器F的第一输出端相连，滤波器F的第二输入端和第二输出端则直接相连。
图2b给出了电感-电容型滤波器。其中滤波电感Lf的第一端与滤波器F的第一输入端相连，滤波电感Lf的第二端与滤波器F的第一输出端相连，滤波电容Cf的第一端和第二端分别与滤波器F的第一输出端和第二输出端相连，滤波器F的第二输入端和第二输出端则直接相连。
图2c给出了电感-电容-电感型滤波器。其中第一滤波电感Lf1的第一端与滤波器F的第一输入端相连，第一滤波电感Lf1的第二端与第二滤波电感Lf2的第一端和滤波电容Cf的第一端相连，第二滤波电感Lf2的第二端与滤波器F的第一输出端相连，滤波电容Cf的第二端与滤波器F的第二输出端相连，滤波器F的第二输入端和第二输出端则直接相连。
本发明的开关电容实现无变压器型逆变器具有两种调制方式：单极性脉冲宽度调制和倍频式脉冲宽度调制。
附图3是采用单极性脉宽调制方式的波形示意图，其中uc是高频(例如20kHz)载波，ug是工频(例如50Hz)调制波。当工频调制波ug处于正半周期时，第一功率开关S1和第三功率开关S3导通，第二功率开关S2关断，第四功率开关S4和第五功率开关S5做互补的高频开关动作；当工频调制波ug处于负半周期时，第四功率开关S4关断，第五功率开关S5导通，第一功率开关S1和第三功率开关S3做同步的高频开关动作，第一功率开关S1和第二功率开关S2做互补的高频开关动作。
附图4是采用倍频式脉宽调制方式的波形图，其中uc是高频(例如20kHz)载波，ug1和ug2是相位相反的工频(例如50Hz)调制波。第一功率开关S1和第三功率开关S3做同步的高频开关动作，第一功率开关S1和第二功率开关S2做互补的高频开关动作，第一功率开关S1、第二功率开关S2和第三功率开关S3的调制波为ug1；第四功率开关S4和第五功率开关S5做互补的高频开关动作，调制波为ug2。
参见附图5a-附图5d，本发明的无变压器型逆变器在整个工作过程中，最多存在4种工作模式。
在工作模式1时(参见附图5a)，第一功率开关S1、第三功率开关S3和第四功率开关S4处于导通状态，第二功率开关S2和第五功率开关S5处于关断状态，逆变器输出正电平，同时第二电容C2被充电直至其两端电压与直流输入电压相同。
在工作模式2时(参见附图5b)，第一功率开关S1、第三功率开关S3和第五功率开关S5处于导通状态，第二功率开关S2和第四功率开关S4处于关断状态，逆变器输出零电平，同时第二电容C2被充电直至其两端电压与直流输入电压相同。
在工作模式3时(参见附图5c)，第二功率开关S2和第五功率开关S5处于导通状态，第一功率开关S1、第三功率开关S3和第四功率开关S4处于关断状态，由于在第二电容C2在工作模式1和工作模式2时已被充电，并且其电压在一个开关周期内近似保持不变，逆变器输出负电平。
在工作模式4时(参见附图5d)，第二功率开关S2和第四功率开关S4处于导通状态，第一功率开关S1、第三功率开关S3和第五功率开关S5处于关断状态，逆变器输出零电平。
当所有功率开关依照单极性脉冲宽度调试或倍频脉冲宽度调试给出的控制信号工作时，逆变器不断在上述四种工作模式间切换，从而实现直流电能向交流电能的转换。
本实施例所述的功率开关可以由其内部自带反并二极管的开关晶体管构成，也可以由独立开关晶体管和独立二极管反并联后构成；所述开关晶体管可以是功率金属氧化物硅场效应晶体管(Metal Oxide SemiconductorField-effect Transistor，MOSFET)或绝缘双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)等全控型功率半导体器件；所述滤波器F为电感型滤波器，也可由电感-电容型滤波器或电感-电容-电感型滤波器替代；本实施例所述的无变压器型逆变器结构，既适用于并网型逆变器也适用于独立型逆变器结构或其他无变压器型逆变场合。

Claims (6)

1.一种开关电容实现无变压器型逆变器，其特征在于，包括：第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一功率开关(S1)、第二功率开关(S2)、第三功率开关(S3)、第四功率开关(S4)、第五功率开关(S5)、滤波器(F)；所述的第一电容(C1)的第一端与第一功率开关(S1)的漏极相连，第一功率开关(S1)的源极与第二功率开关(S2)的漏极、第二电容(C2)的第一端和第四功率开关(S4)的漏极相连，第二功率开关(S2)的源极与第一电容(C1)的第二端和第三功率开关(S3)的漏极相连，第三功率开关(S3)的源极与第二电容(C2)的第二端和第五功率开关(S5)的源极相连，第五功率开关(S5)的漏极与第四功率开关(S4)的源极相连；第五功率开关(S5)的漏极与滤波器(F)的第一输入端相连，第一电容(C1)的第二端与滤波器(F)的第二输入端相连。
2.如权利要求1所述的开关电容实现无变压器型逆变器，其特征在于，所述的功率开关由功率晶体管和反并二极管组成，功率晶体管的漏极或集电极与反并二极管的阴极相连构成功率开关的漏极，功率晶体管的源极或发射极与反并二极管的阳极相连构成功率开关的源极。
3.如权利要求2所述的开关电容实现无变压器型逆变器，其特征在于，所述的功率晶体管为功率金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管。
4.如权利要求2所述的开关电容实现无变压器型逆变器，其特征在于，所述的反并二极管为独立二极管或功率晶体管内部自带的二极管。
5.如权利要求1所述的开关电容实现无变压器型逆变器，其特征在于，所述的滤波器(F)为电感型滤波器、电感-电容型滤波器或电感-电容-电感型滤波器。
6.根据权利要求1～5任一权利要求所述的开关电容实现无变压器型逆变器在光伏并网发电系统中的应用，其特征在于，将所述的开关电容实现无变压器型逆变器接入直流电源和电网，所述的直流电源的正极与第一电容(C1)的第一端相连，直流电源的负极与第一电容(C1)的第二端相连，电网的火线与滤波器(F)的第一输出端相连，电网的零线与滤波器(F)的第二输出端相连；然后分别向第一功率开关(S1)、第二功率开关(S2)、第三功率开关(S3)、第四功率开关(S4)和第五功率开关(S5)的控制端输入脉冲宽度调制信号，控制所对应开关管的开通和关断，实现直流电源上的直流电能转换成交流电能输送到电网。
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