CN107204719A - 光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑电路及其控制方法 - Google Patents

光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑电路及其控制方法，包括第一受控开关管S1、第二受控开关管S2、第三受控开关管S3、第四受控开关管S4、第五受控开关管S5、第六受控开关管S6、二极管D、电源U、电容C、第一电感L1和第二电感L2，本发明提出的逆变器拓扑可以看作H5拓扑和HERIC拓扑的折中，电路拓扑结构简单,运行效率高、可靠性好，采用的调制方法简单，能够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,能够避免因电网功率波动影响或工作于非单位功率因数而导致的电流波形畸变。提高逆变器安全系数,实现对输出电能质量的改善。

Description

光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑电路及其控制 方法
技术领域
本发明属于电力电子功率变换器技术领域。具体涉及以后总非隔离型光伏并网逆变器。
背景技术
在保证系统安全可靠运行,实现电压调整和电气隔离,传统的并网逆变器系统一般在输出端安装工频隔离变压器。然而,工频隔离变压器体积庞大,成本高,损耗大,影响系统整机效率。因此无变压器非隔离的并网逆变器是目前研究的热点。虽然去掉工频变压器可以使并网逆变器系统整体效率得到一定改善,但却带来一些新的问题,如共模电流和直流注入等。
为了有效的抑制漏电流,目前,国内外专家学者大致提出两种解决方案,其中一种是通过调制策略来抑制漏电流,采用双极性调制虽然能够很好的抑制共模漏电流,但是其损耗大,系统效率较低,另外一种则是改进电路的拓扑结构。
漏电流和效率是非隔离型光伏并网逆变器两个关键指标。目前已有一系列的低漏电流非隔离型光伏并网逆变器拓扑被提出，部分已得到广泛应用，如带交流旁路的全桥拓扑、H5拓扑、HERIC拓扑、带直流旁路的全桥拓扑、二极管箱位三电平拓扑、有源箱位三电平拓扑等等。相比隔离型结构，非隔离型结构有效率优势，但到目前为止，非隔离型并网逆变器的部分功率开关管仍旧工作在硬开关状态。
因此，对现有的非隔离型光伏并网逆变器，要求其能在不产生共模漏电流的情况下，尽可能地提高并网逆变器的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低漏电流并网逆变器,适用于无变压器型光伏并网逆变器等对漏电流大小限制较严格的逆变电源系统。在无变压器型并网逆变器并网光伏逆变器中,低漏电流尚无国家标准,欧州现行标准是低漏电流峰值应小于300mA。
本发明的技术方案为：光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑电路，它包括第一受控开关管S1、第二受控开关管S2、第三受控开关管S3、第四受控开关管S4、第五受控开关管S5、第六受控开关管S6、二极管D、电源U、电容C、第一电感L1和第二电感L2，
所述电容C与电源U并联，
电源U的正极同时与第六受控开关管S6输入端连接，
电源U的负极同时与第三受控开关管S3的输出端、第五受控开关管S5的输出端连接，
第六受控开关管S6输出端分别与第一受控开关管S1的输入端、第二受控开关管S2输入端连接，
第一受控开关管S1的输出端与第三受控开关管S3的输入端、二极管D的阴极连接，
第二受控开关管S2的输出端与第四受控开关管S4的输入端连接；
第四受控开关管S4的输出端分别与第五受控开关管S5的输入端、二极管D的阳极连接，
第一电感L1的一端与第一受控开关管S1的输出端连接，
第二电感L2的一端与第二受控开关管S2的输出端连接，
第一电感L1的另一端和第二电感L2的另一端并入电网。
进一步，受控开关管为IGBT、MOSFET或可控硅整流元件中的一种或其中几种的组合。
本发明方法的技术方案为：一种光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑电路的工作方法,在电网电压正半周时,第四受控开关管S4持续开通,第二受控开关管S2和第三受控开关管S3持续关断,第一受控开关管S1、第五受控开关管S5和第六受控开关管S6以单极性SPWM调制方式工作，在电网电压正半周时依次有以下2个工作阶段：
在T0～T1时间段,T0时刻起受控开关管S1、S4、S5、S6开始导通,光伏阵列能量流向电网；
在T1～T2时间段,T1时刻起,滤波电感、第四受控开关管S4和电网形成一条续流回路；
在电网电压负半周时,第二受控开关管S2持续开通,第一受控开关管S1、第四受控开关管S4和第五受控开关管S5持续关断,第三受控开关管S3和第六受控开关管S6以单极性SPWM调制方式工作。在电网电压负半周时依次有以下2个工作阶段：
在T0～T1时间段,T0时刻起S2、S3、S6开始导通,光伏阵列能量流向电网；
在T1～T2时间段,T1时刻起,滤波电感、第一受控开关管S1、第二受控开关管S2和电网形成一条续流回路。
本申请所述的高频信号,是指频率在5一40kHz的SPWM(Sinusoidal Pulse WidthModulation正弦脉冲宽度调制)控制信号。
本发明提供了一种能有效抑制对地漏电流的并网逆变器,与常规的在并网逆变器输出和电网之间加共模滤波抑制漏电电流的方法相比具有以下优点：
1、本发明提出的逆变器拓扑可以看作H5拓扑和HERIC拓扑的折中，系统开关损耗低、效率高，热应力均衡效果好；且满足续流阶段光伏电池输出端与电网脱离的要求。
2、通过调整拓扑结构中的受控开关导通和断开的状态,使得拓扑结构在续流阶段拥有续流回路，从而实现了有效抑制漏电流的目的。
3、电路拓扑结构简单,运行效率高、可靠性好，采用的调制方法简单，能够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,能够避免因电网功率波动影响或工作于非单位功率因数而导致的电流波形畸变。提高逆变器安全系数,实现对输出电能质量的改善。
附图说明
图1为光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构的结构示意图
图2为光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构正半周期功率传输阶段工作原理示意图
图3为光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构正半周期续流阶段工作原理示意图
图4为光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构负半周期功率传输阶段工作原理示意图
图5为光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构负半周期续流阶段工作原理示意图
图6为光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构的共模电压波形图
图7为光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构的漏电流波形图
图8为光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构在并网工作时,开关调制信号图。
具体实施方式
具体实施方式一、参见图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构包括光伏阵列PV、出入恒压电容C、二极管D、第一受控开关管S1、第二受控开关管S2、第三受控开关管S3、第四受控开关管S4、第五受控开关管S5、第六受控开关管S6、第一电感L1和第二电感L2以及电网构成具有六受控开关管逆变电路。
所述电容C与电源U并联，
电源U的正极同时与第六受控开关管S6的集电极连接，
电源U的负极同时与第三受控开关管S3的发射极、第五受控开关管S5的发射极连接，
二极管D的阳极与第四受控开关管S4的发射极、第五受控开关管S5的集电极连接，
二极管D的阴极与第一受控开关管S1的发射极、第三受控开关管S3的集电极连接，
第六受控开关管S6的发射极与第一受控开关给S1的集电极极、第二受控开关管S2的集电极连接，
第一电感L1的一端同时与二极管D的阴极和第一受控开关管S1的发射极、第三受控开关管S3的集电极连接，
第二电感L2的一端同时与第二受控开关管S2的发射极、第四受控开关管S4的集电极连接，
第一电感L1的另一端和第二电感L2的另一端并入电网。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构的区别在于,所述受控开关管为IGBT、MOSFET或可控硅整流元件中的一种或其中几种的组合。
图2一5图中分别给出了本发明所述的拓扑结构的四种工作状态,箭头方向即为逆变电流方向，电源的电压值为U。
图2表示光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构正半周期工作原理示意图，在正半周期功率处理阶段内，第四可控开关管S4始终保持导通，第二可控开关管S2和第三可控开关管S3始终保持断开，当第一可控开关管S1、第五可控开关管S5、第六可控开关管S6导通时，所述拓扑结构中，UAN＝UPV，UBN＝0，故UAB＝0，共模电压UCM＝(UAN+UBN)/2≈0.5UPV。
图3表示光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构正半周期工作原理示意图，在正半周期续流阶段内，第四可控开关给S4始终保持导通，其余可控开关管关断。此时拓扑中光伏电池输出端与电网断开，UAN和UBN的电位取决于回路寄生参数和电网电压的幅值，UAN＝UBN≈0.5UPV，故UAB＝0，共模电压UCM＝(UAN+UBN)/2≈0.5UPV。
图4表示光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构负半周期工作原理示意图，在负半周期功率处理阶段内，第二可控开关管S2始终保持导通，第一可控开关管S1、第四可控开关管S4和第五可控开关管S5始终保持断开，当第三可控开关管S3和第六可控开关管S6导通时，所述拓扑结构中，UAN＝0，UBN＝-UPV，共模电压UCM＝(UAN+UBN)/2≈0.5UPV。
图5表示光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑结构负半周期工作原理示意图，在负半周期续流阶段内，第二可控开关管S2始终保持导通，其余可控开关管关断。此时拓扑中光伏电池输出端与电网断开，UAN和UBN的电位取决于回路寄生参数和电网电压的幅值，UAN＝UBN≈0.5UPV，故UAB＝0，共模电压UCM＝(UAN+UBN)/2≈0.5UPV。
通过上述对受控开关管导通和断开的控制并结合图6所示的共模电压波形图和图7所示的共模电流波形图,可以得出本发明所述的拓扑结构在整个周期内共模电压恒定为UPV/2,当共模电压为常量时,所述拓扑结构的漏电流为0,从而实现了有效抑制漏电流的目的。同时,根据图7所示,满足欧州现行标准是低漏电流峰值应小于300mA。
图8为图1中各个受控开关管的驱动信号逻辑图,由图1可知,在电网电压正半周时,受控开关管S4持续开通,受控开关管S2和受控开关管S3持续关断,受控开关管S1、受控开关管S5和受控开关管S6以单极性SPWM调制方式工作。在电网电压负半周时,受控开关管S2持续开通,受控开关管S1、受控开关管S5和受控开关管S5持续关断,受控开关管S3和受控开关管S6以单极性SPWM调制方式工作。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑电路，其特征在于，它包括第一受控开关管S1、第二受控开关管S2、第三受控开关管S3、第四受控开关管S4、第五受控开关管S5、第六受控开关管S6、二极管D、电源U、电容C、第一电感L1和第二电感L2，
所述电容C与电源U并联，
电源U的正极同时与第六受控开关管S6输入端连接，
电源U的负极同时与第三受控开关管S3的输出端、第五受控开关管S5的输出端连接，
第六受控开关管S6输出端分别与第一受控开关管S1的输入端、第二受控开关管S2输入端连接，
第一受控开关管S1的输出端与第三受控开关管S3的输入端、二极管D的阴极连接，
第二受控开关管S2的输出端与第四受控开关管S4的输入端连接；
第四受控开关管S4的输出端分别与第五受控开关管S5的输入端、二极管D的阳极连接，
第一电感L1的一端与第一受控开关管S1的输出端连接，
第二电感L2的一端与第二受控开关管S2的输出端连接，
第一电感L1的另一端和第二电感L2的另一端并入电网。
2.根据权利要求1所述的光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑电路，其特征在于，受控开关管为IGBT、MOSFET或可控硅整流元件中的一种或其中几种的组合。
3.一种如权利要求1所述的光伏并网系统中用于抑制漏电流的逆变器拓扑电路的工作方法,其特征是：
在电网电压正半周时,第四受控开关管S4持续开通,第二受控开关管S2和第三受控开关管S3持续关断,第一受控开关管S1、第五受控开关管S5和第六受控开关管S6以单极性SPWM调制方式工作，在电网电压正半周时依次有以下2个工作阶段：
在T0～T1时间段,T0时刻起受控开关管S1、S4、S5、S6开始导通,光伏阵列能量流向电网；
在T1～T2时间段,T1时刻起,滤波电感、第四受控开关管S4和电网形成一条续流回路；
在电网电压负半周时,第二受控开关管S2持续开通,第一受控开关管S1、第四受控开关管S4和第五受控开关管S5持续关断,第三受控开关管S3和第六受控开关管S6以单极性SPWM调制方式工作。在电网电压负半周时依次有以下2个工作阶段：
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