CN105763087A - 一种单相非隔离型光伏并网逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种单相非隔离型光伏并网逆变器及其控制方法，所述逆变器由光伏电池阵列模块、六个可控开关管、两个二极管和两个电感组成。本发明的控制方法可以使逆变器在整个工作周期内共模电压处于或近似处于二分之一的电池电压，因此光伏系统对地寄生电容两端电压中不含高频分量，从而消除非隔离型并网逆变器的漏电流；该电路的六个可控开关管中任意时刻只有两个工作在高频模式，可以有效降低开关损耗，提高了变换效率；适用于无变压器隔离的光伏并网场合。

Description

一种单相非隔离型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领域的逆变器控制技术，尤其是一种单相非隔离型光伏并网逆变器及其控制方法。

背景技术

非隔离型光伏并网逆变器具有效率高、体积小、重量轻和成本低等绝对优势。但由于光伏电池板对地寄生电容的存在，使得并网逆变器开关器件的开关动作可能产生高频时变电压作用在寄生电容之上，由此产生的漏电流可能超出允许范围。高频漏电流的产生还会带来传导和辐射干扰、进网电流谐波及损耗增加，甚至威胁设备及人身安全。

单相全桥逆变器SPWM调制方法一般可分为单极性调制和双极性调制。采用单极性调制的单相非隔离型光伏并网逆变器具有输出电压纹波小、变换效率高等特点，但该方案存在较大漏电流；采用双极性调制方法虽然可以抑制漏电流，但输出电压纹波和开关损耗比单极性调制大，从而导致滤波电感大、系统效率低。目前解决漏电流的方案主要是通过改变逆变器拓扑结构，包括直流侧接地法、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二分之一，从而达到抑制漏电流的目的。但该方法要求直流侧电压较高，一般是全桥电路的两倍，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的，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。

专利EP1369985A2提出在全桥电路桥臂中点间加入双向可控开关组构造新的续流回路；专利US7411802B2仅在光伏电池侧正端引入一支高频开关，同样可以实现续流阶段光伏电池端与电网脱离，但电流通路始终存在三个开关器件，通态损耗大。且根据全桥电路高频等效模型，为了消除单极性SPWM调制产生的高频共模电压，必须使续流阶段的续流回路电压嵌位在光伏电池输入电压的一半，这样才能使漏电流消除，并非简单的使光伏电池板与电网脱离。

发明内容

本发明目的在于提供一种效率高、减小开关损耗、降低电磁干扰的单相非隔离型光伏并网逆变器及其控制方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述逆变器主要包括光伏电池阵列模块、可控开关管S₁、可控开关管S₂、可控开关管S₃、可控开关管S₄、可控开关管S₅、可控开关管S₆、二极管D₁、二极管D₂、电感L₁和电感L₂，光伏电池阵列模块作为直流电源与直流母线连接，直流母线的正极端与可控开关管S₁的集电极、可控开关管S₃的集电极分别连接；可控开关管S₁的发射极分别与可控开关管S₆的集电极、二极管D₁的负极、电感L₁的一端相连，电感L₁另一端与电网的正极端相连；可控开关管S₆的发射极分别与可控开关管S₂的集电极、二极管D₂的正极相连；可控开关管S₃的发射极分别与二极管D₂的负极、可控开关管S₄的集电极、可控开关管S₅的集电极、电感L₂的一端相连，电感L₂的另一端与电网的负极端连接；可控开关管S₅的发射极与二极管D₁的正极相连接；直流母线的负极端分别与可控开关管S₂的发射极、可控开关管S₄的发射极相连接。

本发明所述的单相非隔离型光伏并网逆变器的控制方法，其具体步骤如下：

步骤1，在电网电压正半周期内，可控开关管S₅一直导通，可控开关管S₁和可控开关管S₄同时导通或关断，可控开关管S₂、可控开关管S₃和可控开关管S₆一直关断；采用SPWM调制方法控制可控开关管S₁和可控开关管S₄导通或关断，当可控开关管S₁、可控开关管S₄导通时，并网电流的流通路径为直流母线正极端→可控开关管S₁→电感L₁→电网→电感L₂→可控开关管S₄→直流母线负极端→直流母线正极端；当可控开关管S₁、可控开关管S₄关断时，并网电流的流通路径为节点“a”→电感L₁→电网→电感L₂→可控开关管S₅→二极管D₁→节点“a”；

步骤2，在电网电压负半周期内，可控开关管S₆一直导通，可控开关管S₂和可控开关管S₃同时导通或关断，而可控开关管S₁、可控开关管S₄和可控开关管S₅一直关断；采用SPWM调制方法控制可控开关管S₂和可控开关管S₃导通或关断，当可控开关管S₂、可控开关管S₃导通时，并网电流的流通路径为直流母线正极端→可控开关管S₃→电感L₂→电网→电感L₁→可控开关管S₆→可控开关管S₂→直流母线负极端→直流母线正极端；当可控开关管S₂、可控开关管S₃关断时，并网电流的流通路径为节点“b”→电感L₂→电网→电感L₁→可控开关管S₆→二极管D₂→节点“b”。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、所述并网逆变器输出电压三电平，可以有效减小电感体积和尺寸，减小电感电流纹波。

2、该拓扑及控制方法可保证共模电压恒定，从而有效抑制漏电流。

3、同一时刻仅有两个可控开关管高频工作，减小了开关损耗和电磁干扰。

附图说明

图1为本发明逆变器的电路原理图。

图2为本发明逆变器的开关控制逻辑图。

图3为电网电压正半周期时，可控开关管S₁、可控开关管S₄和可控开关管S₅同时导通，直流侧向电网输送功率电路图。

图4为电网电压正半周期时，可控开关管S₅导通和二极管D₁导通而可控开关管S₁和可控开关管S₄关断时的电网续流电路图。

图5为电网电压负半周期时，可控开关管S₂、可控开关管S₃和可控开关管S₆同时导通，直流侧向电网输送功率电路图。

图6为电网电压负半周期时，可控开关管S₆导通和二极管D₂导通而可控开关管S₂和可控开关管S₃关断时的电网续流电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明所述逆变器主要包括光伏电池阵列模块、可控开关管S₁、可控开关管S₂、可控开关管S₃、可控开关管S₄、可控开关管S₅、可控开关管S₆、二极管D₁、二极管D₂、电感L₁和电感L₂，光伏电池阵列模块作为直流电源与直流母线连接，直流母线的正极端与可控开关管S₁的集电极、可控开关管S₃的集电极分别连接；可控开关管S₁的发射极分别与可控开关管S₆的集电极、二极管D₁的负极、电感L₁的一端相连，电感L₁另一端与电网的正极端相连；可控开关管S₆的发射极分别与可控开关管S₂的集电极、二极管D₂的正极相连；可控开关管S₃的发射极分别与二极管D₂的负极、可控开关管S₄的集电极、可控开关管S₅的集电极、电感L₂的一端相连，电感L₂的另一端与电网的负极端连接；可控开关管S₅的发射极与二极管D₁的正极相连接；直流母线的负极端分别与可控开关管S₂的发射极、可控开关管S₄的发射极相连接。通过适当的控制方法，保证并网电流与并网电压同频同相，实现单位功率因数并网运行。C_pv为光伏电池阵列模块和大地之间的寄生电容，其容值与环境条件、光伏电池阵列模块尺寸结构等因素有关，一般为50～150nF/kW左右。

图2中，当本发明光伏逆变器工作在电网电压正半周期内时，可控开关管S₅一直导通，可控开关管S₁和可控开关管S₄同时导通或关断，而可控开关管S₂、可控开关管S₃和可控开关管S₆一直关断；采用SPWM调制方法控制可控开关管S₁和可控开关管S₄导通或关断。工作在电网电压负半周期内时，可控开关管S₆一直导通，可控开关管S₂和可控开关管S₃同时导通或关断，而可控开关管S₁、可控开关管S₄和可控开关管S₅一直关断；采用SPWM调制方法控制可控开关管S₂和可控开关管S₃导通或关断。

图3中，本发明光伏逆变器工作在电网电压正半周期内时，可控开关管S₅一直导通，可控开关管S₁和可控开关管S₄同时导通或关断，而可控开关管S₂、可控开关管S₃和可控开关管S₆一直关断；采用SPWM调制方法控制可控开关管S₁和可控开关管S₄导通或关断。当可控开关管S₁、可控开关管S₄导通时，即光伏系统寄生电容两端电压为而U_an＝U_dc，U_bn＝0，则共模电压U_cm＝U_dc/2。

图4中，当可控开关管S₁、可控开关管S₄关断时，即光伏系统寄生电容两端电压为而U_an＝U_dc，U_bn＝U_dc，则共模电压U_cm＝U_dc/2，所以电网电压正半周期时，共模电压不变。

图5中，本发明光伏逆变器工作在电网电压负半周期内，可控开关管S₆一直导通，可控开关管S₂和可控开关管S₃同时导通或关断，而可控开关管S₁、可控开关管S₄和可控开关管S₅一直关断；采用SPWM调制方法控制可控开关管S₂和可控开关管S₃导通或关断。当可控开关管S₂、可控开关管S₃和可控开关管S₆导通时，即光伏系统寄生电容两端电压为而U_an＝0，U_bn＝U_dc，则共模电压U_cm＝U_dc/2。

图6中，当可控开关管S₂、可控开关管S₃关断、可控开关管S₆导通时，即光伏系统寄生电容两端电压为而U_an＝U_dc，U_bn＝U_dc，则共模电压U_cm＝U_dc/2，所以电网电压负半周期时，共模电压不变。

根据上述分析可知，光伏系统对地寄生电容两端电压中不含高频分量，由于系统漏电流为可知该拓扑及其控制方案可有效减小漏电流。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种单相非隔离型光伏并网逆变器，主要包括光伏电池阵列模块、可控开关管S₁、可控开关管S₂、可控开关管S₃、可控开关管S₄、可控开关管S₅、可控开关管S₆、二极管D₁、二极管D₂、电感L₁和电感L₂，光伏电池阵列模块作为直流电源与直流母线连接，其特征在于：直流母线的正极端与可控开关管S₁的集电极、可控开关管S₃的集电极分别连接；可控开关管S₁的发射极分别与可控开关管S₆的集电极、二极管D₁的负极、电感L₁的一端相连，电感L₁另一端与电网的正极端相连；可控开关管S₆的发射极分别与可控开关管S₂的集电极、二极管D₂的正极相连；可控开关管S₃的发射极分别与二极管D₂的负极、可控开关管S₄的集电极、可控开关管S₅的集电极、电感L₂的一端相连，电感L₂的另一端与电网的负极端连接；可控开关管S₅的发射极与二极管D₁的正极相连接；直流母线的负极端分别与可控开关管S₂的发射极、可控开关管S₄的发射极相连接。

2.一种基于权利要求1所述单相非隔离型光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述控制方法的具体步骤如下：

步骤1，在电网电压正半周期内，可控开关管S₅一直导通，可控开关管S₁和可控开关管S₄同时导通或关断，可控开关管S₂、可控开关管S₃和可控开关管S₆一直关断；采用SPWM调制方法控制可控开关管S₁和可控开关管S₄导通或关断，当可控开关管S₁、可控开关管S₄导通时，并网电流的流通路径为直流母线正极端→可控开关管S₁→电感L₁→电网→电感L₂→可控开关管S₄→直流母线负极端→直流母线正极端；当可控开关管S₁、可控开关管S₄关断时，并网电流的流通路径为节点“a”→电感L₁→电网→电感L₂→可控开关管S₅→二极管D₁→节点“a”；

步骤2，在电网电压负半周期内，可控开关管S₆一直导通，可控开关管S₂和可控开关管S₃同时导通或关断，而可控开关管S₁、可控开关管S₄和可控开关管S₅一直关断；采用SPWM调制方法控制可控开关管S₂和可控开关管S₃导通或关断，当可控开关管S₂、可控开关管S₃导通时，并网电流的流通路径为直流母线正极端→可控开关管S₃→电感L₂→电网→电感L₁→可控开关管S₆→可控开关管S₂→直流母线负极端→直流母线正极端；当可控开关管S₂、可控开关管S₃关断时，并网电流的流通路径为节点“b”→电感L₂→电网→电感L₁→可控开关管S₆→二极管D₂→节点“b”。