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CN102412748B - 一种光伏并网逆变器及其控制方法 - Google Patents

一种光伏并网逆变器及其控制方法 Download PDF

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CN102412748B CN 201110363352 CN201110363352A CN102412748B CN 102412748 B CN102412748 B CN 102412748B CN 201110363352 CN201110363352 CN 201110363352 CN 201110363352 A CN201110363352 A CN 201110363352A CN 102412748 B CN102412748 B CN 102412748B
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赵清林
杨秋霞
邬伟扬
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Abstract

本发明公开了一种光伏并网逆变器及其控制方法，其技术方案的要点是，本发明的一种光伏并网逆变器是由六个开关管、两个二极管和两个电感组成，六个开关中，四个开关处于工频模式，两个开关处于高频模式，且任意时刻只有一个开关处于高频模式，有效地降低了开关损耗。该电路允许桥臂直通而不会出现过电流，可靠性高。在整个工作周期内，光伏系统对地寄生电容两端电压中不含高频分量，从而保证有效抑制漏电流。

Description

一种光伏并网逆变器及其控制方法
技术领域
本发明属于一种光伏并网逆变器及其控制方法。
背景技术
太阳能作为一种资源丰富、分布广泛的可再生能源，具有极大的开发利用潜力。光伏发电技术是实现太阳能有效利用的重要途径之一。非隔离型光伏发电系统去掉了工频隔离变压器，具有体积小，成本低和效率高的特点，具有很大市场潜力和竞争力。但是，由于非隔离型光伏发电系统和大地间存在寄生电容，光伏并网逆变器高频开关动作可能导致较大的漏电流，从而引发并网电流畸变、电磁干扰，甚至还可能对人身安全构成威胁。因此，研发具有漏电流抑制能力的光伏并网逆变器具有重要意义。
采用单极性调制的单相全桥光伏并网逆变器具有输出电压纹波小、效率高等特点，但该方案存在较大漏电流。目前的解决漏电流的方案主要有：直流侧接地法、直流旁路法和交流旁路法等。
直流侧接地法：该方法一般采用半桥电路，将直流侧两个电容中点接地，使得光伏系统对地寄生电容两端电压维持在直流侧电压的1/2，从而达到抑制漏电流的目的。但该方案要求直流侧电压较高，一般是全桥电路的2倍，需要较高耐压的开关器件，增加了系统成本。
直流旁路法和交流旁路法：此类方法的核心思想是在单相全桥电路的基础上进行改进，通过加入辅助开关实现单极性调制的同时，保持系统共模电压恒定，从而达到抑制漏电流的目的。美国专利7046534提出在单相全桥电路交流侧加入辅助开关构成续流回路，在实现单极性调制的同时保证共模电压恒定。美国专利2005/0286281提出在直流侧引入辅助开关，在实现单极性调制的同时保证共模电压恒定。然而此类基于全桥电路改进的拓扑存在两个主要问题：第一，上述电路工作时，至少有2个或2个以上开关工作于高频模式，使得开关损耗较大。第二，由于上述电路结构源于全桥电路，因此同一桥臂不能直通，否则会出现过电流。而实际应用中由于电路外部或内部干扰，有可能导致同一桥臂开关驱动误动作引起桥臂直通产生过电流，影响系统可靠性。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够有效抑制漏电流的光伏并网逆变器及其控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种光伏并网逆变器，由直流母线、六个开关管、两个二极管和两个电感组成，直流母线的“                                                
Figure 325497DEST_PATH_IMAGE001
”端分别与开关的集电极和开关的集电极连接，开关
Figure 292950DEST_PATH_IMAGE002
的发射极与开关的集电极连接，开关
Figure 805151DEST_PATH_IMAGE003
的发射极与开关
Figure 9867DEST_PATH_IMAGE005
的集电极连接，直流母线的“
Figure 208767DEST_PATH_IMAGE006
”端分别与开关
Figure 815329DEST_PATH_IMAGE004
的发射极和开关
Figure 740517DEST_PATH_IMAGE005
的发射极连接，开关
Figure 432529DEST_PATH_IMAGE004
的集电极与开关
Figure 169541DEST_PATH_IMAGE007
的发射极连接，开关
Figure 630609DEST_PATH_IMAGE007
的集电极与二极管的阴极连接，二极管
Figure 239762DEST_PATH_IMAGE008
的阳极和电网的“”端连接，电感并联在
Figure 368889DEST_PATH_IMAGE007
的发射极和二极管
Figure 35494DEST_PATH_IMAGE008
的阳极之间，开关
Figure 114309DEST_PATH_IMAGE005
的集电极与开关
Figure 549969DEST_PATH_IMAGE010
的发射极连接，开关
Figure 321616DEST_PATH_IMAGE010
的集电极与二极管的阴极连接，二极管
Figure 30126DEST_PATH_IMAGE011
的阳极与电网的“
Figure 382610DEST_PATH_IMAGE006
”端连接，电感
Figure 262841DEST_PATH_IMAGE012
并联在的发射极和二极管
Figure 59076DEST_PATH_IMAGE011
的阳极之间。
本发明的另一方案是提供一种光伏并网逆变器的控制方法，它包括下列步骤：
在并网电流正半周期内，开关和开关
Figure 582778DEST_PATH_IMAGE005
一直导通，开关
Figure 445692DEST_PATH_IMAGE004
、开关
Figure 607683DEST_PATH_IMAGE003
和开关
Figure 669180DEST_PATH_IMAGE007
一直关断，开关采用SPWM调制控制其导通或关断；当开关
Figure 235565DEST_PATH_IMAGE002
导通时，并网电流的路径为：直流母线“
Figure 263563DEST_PATH_IMAGE001
”端→开关
Figure 382829DEST_PATH_IMAGE002
→电感
Figure 572502DEST_PATH_IMAGE009
→电网→二极管
Figure 410008DEST_PATH_IMAGE011
→开关
Figure 913802DEST_PATH_IMAGE010
→开关
Figure 215470DEST_PATH_IMAGE005
→直流母线“”端→直流母线“
Figure 900846DEST_PATH_IMAGE001
”端；当开关
Figure 208331DEST_PATH_IMAGE002
关断时，并网电流的路径为：节点“b”→开关反并联二极管→电感
Figure 833664DEST_PATH_IMAGE009
 →电网→二极管
Figure 380183DEST_PATH_IMAGE011
 →开关
Figure 553676DEST_PATH_IMAGE010
→开关
Figure 502040DEST_PATH_IMAGE005
→节点“b”；
并网电流负半周期内，开关
Figure 407679DEST_PATH_IMAGE003
和开关一直导通，开关
Figure 153098DEST_PATH_IMAGE002
、开关和开关
Figure 94827DEST_PATH_IMAGE010
一直关断，开关
Figure 615938DEST_PATH_IMAGE004
采用SPWM调制控制其导通或关断；当开关
Figure 865654DEST_PATH_IMAGE003
导通时，并网电流的路径为：直流母线“
Figure 788610DEST_PATH_IMAGE001
”端→开关
Figure 98369DEST_PATH_IMAGE003
→电感
Figure 106776DEST_PATH_IMAGE012
 →电网→二极管
Figure 97866DEST_PATH_IMAGE008
 →开关 →开关
Figure 350129DEST_PATH_IMAGE004
→直流母线“
Figure 642571DEST_PATH_IMAGE006
”端→直流母线“
Figure 437351DEST_PATH_IMAGE001
”端；当开关
Figure 69321DEST_PATH_IMAGE003
关断时，并网电流的路径为：节点“b”→开关
Figure 720882DEST_PATH_IMAGE005
反并联二极管→电感
Figure 703882DEST_PATH_IMAGE012
 →电网→二极管
Figure 36774DEST_PATH_IMAGE008
 →开关
Figure 585567DEST_PATH_IMAGE007
→开关
Figure 611292DEST_PATH_IMAGE004
→节点“b”。
由于采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果是：① 6个开关中，4个开关处于工频模式，2个开关处于高频模式，且任意时刻只有1个开关处于高频模式，大大降低了开关损耗，系统效率高；②该并网逆变器输出电压三电平(类似单相全桥单极性调制)，可有效减小电感体积和尺寸，减小电感电流纹波。③克服了传统单相全桥电路中桥臂直通时存在过电流的问题，该电路允许桥臂直通而不会出现过电流，可靠性高。④该拓扑及其控制方法可有效减小漏电流。
附图说明
图1为本发明的光伏并网逆变器的电路原理图；
图2为本发明的光伏并网逆变器开关控制逻辑；
图3为本发明工作模式1；
图4为本发明工作模式2；
图5为本发明工作模式3；
图6为本发明工作模式4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细具体的说明。
在图1中为本发明的光伏并网逆变器主要由6个开关、2个二极管和2个电感组成，直流母线的“
Figure 878325DEST_PATH_IMAGE001
”端分别与开关的集电极和开关
Figure 355891DEST_PATH_IMAGE003
的集电极连接，开关
Figure 614834DEST_PATH_IMAGE002
的发射极与开关
Figure 306846DEST_PATH_IMAGE004
的集电极连接，开关
Figure 981541DEST_PATH_IMAGE003
的发射极与开关
Figure 504927DEST_PATH_IMAGE005
的集电极连接，直流母线的“
Figure 872454DEST_PATH_IMAGE006
”端分别与开关
Figure 786183DEST_PATH_IMAGE004
的发射极和开关的发射极连接，开关的集电极与开关
Figure 180890DEST_PATH_IMAGE007
的发射极连接，开关的集电极与二极管
Figure 926309DEST_PATH_IMAGE008
的阴极连接，二极管
Figure 361969DEST_PATH_IMAGE008
的阳极和电网的“
Figure 868037DEST_PATH_IMAGE001
”端连接，电感
Figure 39516DEST_PATH_IMAGE009
并联在
Figure 859704DEST_PATH_IMAGE007
的发射极和二极管
Figure 149872DEST_PATH_IMAGE008
的阳极之间，开关
Figure 30103DEST_PATH_IMAGE005
的集电极与开关
Figure 468037DEST_PATH_IMAGE010
的发射极连接，开关
Figure 826338DEST_PATH_IMAGE010
的集电极与二极管
Figure 236590DEST_PATH_IMAGE011
的阴极连接，二极管
Figure 84461DEST_PATH_IMAGE011
的阳极与电网的“
Figure 947374DEST_PATH_IMAGE006
”端连接，电感并联在
Figure 436442DEST_PATH_IMAGE010
的发射极和二极管的阳极之间。通过适当控制，保证并网电流和电网电压同频同相，实现单位功率因数并网运行。
Figure 71002DEST_PATH_IMAGE013
为光伏和地之间的寄生电容，其容值与外部环境条件、光伏电池板尺寸结构等因素有关，一般在50~150nF/kW左右。
在图2中，当本发明的光伏并网逆变器工作在并网电流正半周期内，开关和开关
Figure 952688DEST_PATH_IMAGE005
一直导通，开关
Figure 345623DEST_PATH_IMAGE004
、开关
Figure 183129DEST_PATH_IMAGE003
和开关
Figure 749239DEST_PATH_IMAGE007
一直关断。开关
Figure 723012DEST_PATH_IMAGE002
采用SPWM调制控制其导通或关断。在图3中，当开关
Figure 286848DEST_PATH_IMAGE002
导通时，光伏系统寄生电容
Figure 673967DEST_PATH_IMAGE013
两端电压为0；在图4中，当开关关断时，光伏系统寄生电容
Figure 809730DEST_PATH_IMAGE013
两端电压仍保持为0；并网电流负半周期内，开关
Figure 606785DEST_PATH_IMAGE003
和开关一直导通，开关
Figure 320937DEST_PATH_IMAGE002
、开关
Figure 269302DEST_PATH_IMAGE005
和开关一直关断。开关
Figure 271073DEST_PATH_IMAGE004
采用SPWM调制控制其导通或关断。在图5中，当开关
Figure 654781DEST_PATH_IMAGE004
导通时，光伏系统寄生电容
Figure 785548DEST_PATH_IMAGE013
两端电压为电网电压，其瞬时值随时间按正弦规律缓慢变化(50Hz)；在图6中，当开关
Figure 862088DEST_PATH_IMAGE004
关断时，光伏系统寄生电容
Figure 383199DEST_PATH_IMAGE013
两端电压仍保持为电网电压，下表中列出了4个工作模式的开关状态和对应的电容
Figure 632915DEST_PATH_IMAGE013
两端电压。其中，、和
Figure 874038DEST_PATH_IMAGE016
分别为电网电压的幅值，相位和频率，ON代表开关导通，OFF代表开关关断。
Figure 865127DEST_PATH_IMAGE017
根据上表可知，寄生电容两端电压上半周期为0，下半周期呈工频50Hz变化，整个工作周期内，寄生电容
Figure 123250DEST_PATH_IMAGE013
两端电压不含高频分量。由于系统漏电流为
Figure 415691DEST_PATH_IMAGE018
，根据上述分析可知该拓扑及其调制方案可以有效减小漏电流。

Claims (2)

1.一种光伏并网逆变器，由直流母线、六个开关管、两个二极管和两个电感组成，其特征在于：直流母线的“                                               
Figure 201110363352X100001DEST_PATH_IMAGE002
”端分别与开关的集电极和开关
Figure 201110363352X100001DEST_PATH_IMAGE006
的集电极连接，开关
Figure 8227DEST_PATH_IMAGE004
的发射极与开关的集电极连接，开关的发射极与开关
Figure 201110363352X100001DEST_PATH_IMAGE010
的集电极连接，直流母线的“
Figure 201110363352X100001DEST_PATH_IMAGE012
”端分别与开关
Figure 820511DEST_PATH_IMAGE008
的发射极和开关
Figure 429347DEST_PATH_IMAGE010
的发射极连接，开关
Figure 602839DEST_PATH_IMAGE008
的集电极与开关
Figure 201110363352X100001DEST_PATH_IMAGE014
的发射极连接，开关
Figure 675838DEST_PATH_IMAGE014
的集电极与二极管
Figure 201110363352X100001DEST_PATH_IMAGE016
的阴极连接，二极管
Figure 706111DEST_PATH_IMAGE016
的阳极和电网的“
Figure 802243DEST_PATH_IMAGE002
”端连接，电感
Figure 201110363352X100001DEST_PATH_IMAGE018
并联在开关
Figure 513847DEST_PATH_IMAGE014
的发射极和二极管
Figure 441351DEST_PATH_IMAGE016
的阳极之间，开关
Figure 580209DEST_PATH_IMAGE010
的集电极与开关的发射极连接，开关
Figure 225954DEST_PATH_IMAGE020
的集电极与二极管
Figure 201110363352X100001DEST_PATH_IMAGE022
的阴极连接，二极管
Figure 475669DEST_PATH_IMAGE022
的阳极与电网的“
Figure 523260DEST_PATH_IMAGE012
”端连接，电感
Figure 201110363352X100001DEST_PATH_IMAGE024
并联在开关的发射极和二极管
Figure 903743DEST_PATH_IMAGE022
的阳极之间。
2.一种基于权利要求1所述光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于：它包括下列步骤：
在并网电流正半周期内，开关
Figure 19466DEST_PATH_IMAGE020
和开关
Figure 859246DEST_PATH_IMAGE010
一直导通，开关
Figure 339906DEST_PATH_IMAGE008
、开关
Figure 694664DEST_PATH_IMAGE006
和开关
Figure 551762DEST_PATH_IMAGE014
一直关断，开关
Figure 246048DEST_PATH_IMAGE004
采用SPWM调制控制其导通或关断；当开关
Figure 959926DEST_PATH_IMAGE004
导通时，并网电流的路径为：直流母线“”端→开关
Figure 400452DEST_PATH_IMAGE004
→电感
Figure 949245DEST_PATH_IMAGE018
→电网→二极管
Figure 99604DEST_PATH_IMAGE022
→ 开关
Figure 366637DEST_PATH_IMAGE020
→开关
Figure 565537DEST_PATH_IMAGE010
→直流母线“
Figure 31153DEST_PATH_IMAGE012
”端→直流母线“
Figure 290096DEST_PATH_IMAGE002
”端；当开关
Figure 44426DEST_PATH_IMAGE004
关断时，并网电流的路径为：节点“b” →开关
Figure 843755DEST_PATH_IMAGE008
反并联二极管→ 电感
Figure 367140DEST_PATH_IMAGE018
 →电网→二极管
Figure 796984DEST_PATH_IMAGE022
 → 开关
Figure 773030DEST_PATH_IMAGE020
→ 开关
Figure 376050DEST_PATH_IMAGE010
→节点“b”；其中节点“b”为开关
Figure 19521DEST_PATH_IMAGE008
的发射极与开关
Figure 354687DEST_PATH_IMAGE010
的发射极连接的节点；
并网电流负半周期内，开关
Figure 145926DEST_PATH_IMAGE008
和开关
Figure 224740DEST_PATH_IMAGE014
一直导通，开关
Figure 722718DEST_PATH_IMAGE004
、开关和开关
Figure 507320DEST_PATH_IMAGE020
一直关断，开关
Figure 389825DEST_PATH_IMAGE006
采用SPWM调制控制其导通或关断；当开关导通时，并网电流的路径为：直流母线“
Figure 747174DEST_PATH_IMAGE002
”端→开关
Figure 185109DEST_PATH_IMAGE006
→电感
Figure 605726DEST_PATH_IMAGE024
 →电网→二极管
Figure 140613DEST_PATH_IMAGE016
 →开关 →开关
Figure 913714DEST_PATH_IMAGE008
→直流母线“
Figure 200338DEST_PATH_IMAGE012
”端→直流母线“
Figure 527415DEST_PATH_IMAGE002
”端；当开关关断时，并网电流的路径为：节点“b” →开关
Figure 224292DEST_PATH_IMAGE010
反并联二极管→电感
Figure 49029DEST_PATH_IMAGE024
 →电网→二极管
Figure 230611DEST_PATH_IMAGE016
 →开关
Figure 685863DEST_PATH_IMAGE014
→ 开关
Figure 648003DEST_PATH_IMAGE008
→节点“b”。
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