專利名稱：一種光伏并網逆變器的制作方法
技術領域：
本發明的技術方案涉及應用有控制極的半導體器件的不可逆的直流功率輸入變 換為交流功率輸出的以及用于與電源的供電系統一起使用的設備，具體地說是一種光伏并 網逆變器。
背景技術：
太陽能的光伏發電技術正逐漸成為人們關注的焦點。在2008年，光伏發電系統全 球總的裝機容量達到5. 56GW，其中，西班牙、德國、意大利、美國、韓國和日本所占的份額超 過96%，較之2007年增長了 50%。截止2008年底，光伏發電系統總的裝機容量已經達到 了 13.4GW。光伏并網系統在2008年大約占總的裝機容量的99%。光伏并網發電系統主要由光伏陣列模塊、逆變器、交流濾波器和電網組成。逆變器 是連接光伏陣列模塊和電網的關鍵部件，用以實現控制光伏陣列模塊運行于最大功率點和 向電網注入正弦電流。目前有三種基本的光伏并網逆變器工頻變壓器型光伏逆變器、高頻 變壓器型光伏逆變器和無變壓器型光伏逆變器。較之前兩種類型，無變壓器型光伏逆變器 不僅成本降低，體積和重量較小，其效率可提高1-2%。因而，這種類型的光伏并網逆變器在 低功率(小于5kW)的場合下越來越受到人們的重視。然而，由于沒有變壓器隔離，光伏陣列模塊和電網之間存在電氣連接，除了導致安 全問題外，還可能產生如下兩個問題其一，逆變器輸入到電網中的電流可能含有較大的直 流分量(即直流注入)，導致電網中的分布變壓器工作點偏移，可能引起變壓器飽和；其二， 如果逆變器具有可變的共模電壓，在光伏陣列模塊和地之間會產生共模電流(即漏電流)， 共模電流可能產生嚴重的傳導型或輻射型電磁干擾，致使電網電流產生畸變，并增加了系 統的額外損耗。目前，對于以上無變壓器型光伏逆變器存在的問題的解決方法是(1)采用接地 故障檢測裝置可以滿足安全需求；(2)通常，電網電流通過控制(如PI調節)來消除直流 分量。然而，由于檢測控制環節所用的器件具有直流偏移問題，導致電網中會有直流分量的 存在，為了減小由于器件偏移造成的直流分量就必須使用低偏移量的器件，造成硬件的成 本增加。因而，光伏并網逆變器應該選擇不存在直流分量問題的逆變拓撲。(3)對于無變壓 器型光伏并網逆變系統，必須采用不產生可變共模電壓的逆變器結構。論 文"Transformerless inverter for single-phase photovoltaic systems"(IEEETransactions on Power Electronics, 2007, 22 (2) :693_697)指出雙極性 脈寬調制全橋逆變器用于光伏并網不產生可變的共模電壓，然而雙極性PWM方式將產生較 大的電流紋波，增加了開關損耗，降低了逆變器的效率；同樣，雙極性脈寬調制全橋逆變器 將在電網中產生直流分量。EP 1369985A2公開了一種全橋逆變器的改進形式，該逆變器具有6個開關管，減 小了輸出電流的紋波，提高了效率，但電網直流注入的問題并沒解決。EP 1626494A2公開了一種全橋逆變器的改進形式，該逆變器具有5個開關管，減小了輸出電流的紋波，提高了效率，但電網直流注入的問題并沒解決。論 文“ Multilevel converters for single-phase grid connected photovoltaicsystems-an overview" (IEEE International Symposium on Industrial Electronics，Pertoria，South Africa，1998.)指出采用二極管箝位式三電平逆變器可以 不產生共模電流，并且可提高效率，降低紋波，但是這種結構具有直流注入問題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種光伏并網逆變器，其拓撲確保對電網不 產生直流分量，而且不產生共模電流，同時該逆變器具有輸出電流紋波小和較高的效率，克 服了現有的全橋逆變器和其他類型無變壓器型光伏逆變器在電網中會產生直流分量、產生 共模電流或/和產生較大的電流紋波的缺點。本發明解決該技術問題所采用的技術方案是一種光伏并網逆變器，由光伏陣列 模塊、四個同樣的開關管、兩個同樣的二極管、四個相同的電容器、一個電感和電網組成；光 伏陣列模塊1的極性15上正下負，電容器2和電容器3串聯后正極連接于光伏陣列模塊1 的輸出端的正極節點21，電容器2和電容器3串聯后負極連接于光伏陣列模塊1的輸出端 的負極節點22，電容器4和電容器5串聯后正極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的正極節 點23，電容器4和電容器5串聯后負極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的負極節點24，開 關管6和開關管7串聯后正極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的正極節點25，開關管6和 開關管7串聯后負極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的負極節點26，開關管8和二極管11 串聯形成支路17，開關管9和二極管10串聯形成支路16，支路16與支路17并聯后一端 連接于電容器2和電容器3的中點節點20，另一端連接于開關管6和開關管7的中點節點 18，電感12 —端連接于開關管6和開關管7的中點節點18，電感12另一端與電網13的一 端連接于節點27，電網13的另一端分兩路，其中一路連接于電容器4和電容器5的中點節 點19，另一路與地線14連接于節點28。上述一種光伏并網逆變器，其中所有開關管均為絕緣柵雙極型晶體管 IRG4PSC71UD，所有二極管均為快恢復二極管HFA25TB60，所用電容器的電容值為300uF，所 用電感的電感值為1. 5mH，所用光伏陣列模塊的型號為165(36)P/G1573*824的太陽電池板 串并聯組成，其輸出電壓介于700伏到1100伏之間，電網電壓220V，電網頻率50Hz，額定功 率5kW，開關頻率20kHz。上述一種光伏并網逆變器，其中所涉及到的光伏陣列模塊、開關管、二極管、電容 器、電感和電網都是公知的，所有元器件都可以通過商購等公知途徑獲得；其中所有元器件 的連接也都是普通的線路連接方法。本發明的有益效果是A.本發明一種光伏并網逆變器突出的實質性特點是①開關管8和二極管11串聯形成的支路17保證電流的單方向性，開關管9和二 極管10串聯形成的支路16保證電流的單方向性，支路16和支路17保證電流在電網13不 同階段電流的方向性。②電容器4和電容器5的中點節點19與電網13的一端連接于節點28，并與地線 14連接，使得在電網13電壓的正半周期，開關管6導通時，電網13電流流經電容器4和電容器5的中點節點19 ；在電網13電壓的負半周期，開關管7導通時，電網13電流流經電 容器4和電容器5的中點節點19。③電容器2和電容器3的中點節點20先通過支路16或支路17后，再通過電感12 與電網13的另一端連接，使得在電網13電壓的正半周期，開關管8導通時，電網13電流 流經電容器2和電容器3的中點節點20 ；在電網13電壓的負半周期，開關管9導通時，電 網13電流流經電容器2和電容器3的中點節點20。④由①、②和③，電容器4和電容器5的中點 節點19與電網13的一端連接于節點 28，并與地線14連接，電容器2和電容器3的中點節點20先通過支路16或支路17后，再 通過電感12與電網13的另一端連接，這樣使得電網13的直流分量(即直流注入)為零。⑤節點19位于電容器4和電容器5的中點，節點20位于電容器2和電容器3的 中點，節點18位于開關管6和開關管7的中點，在續流階段節點18通過開關管8和二極管 11或者通過開關管9和二極管10與節點20連接，因而在電網13電壓正半周，開關管9和 開關管7保持關斷，開關管6導通時，共模電壓為Vin/2，差模電壓為Vin/2，開關管6關斷， 開關管8導通時，共模電壓為Vin/2，差模電壓為0 ；在電網13電壓負半周，開關管8和開關 管6保持關斷，開關管7導通時，共模電壓為Vin/2，差模電壓為_Vin/2，開關管7關斷，開關 管9導通時，共模電壓為Vin/2，差模電壓為0。因而，本發明一種光伏并網逆變器共模電壓 恒定，從而共模電流為零；差模電壓在電網13電壓正半周期時在0，Vin/2之間調制，差模電 壓在電網13電壓負半周期時在_Vin/2，0之間調制，較之整個周期在_Vin/2，Vin/2調制的逆 變器(如半橋逆變器等)差模電壓減小。⑥由⑤，由于差模電壓小，輸出到電網的電流紋波減小。⑦由⑤，開關管的開關電壓小，因此開關損耗小，逆變器的效率高。B.本發明一種光伏并網三電平逆變器突出的顯著進步是綜合上述特點，本發明一種光伏并網逆變器不產生共模電流，而且其拓撲確保對 電網不產生直流分量；同時該逆變器具有輸出電流紋波小，差模電壓小和較高的效率，特別 適合于無變壓器型單相光伏并網系統。較之半橋逆變器，本發明逆變器的差模電壓和電流 紋波降低了 一半。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1是本發明一種光伏并網逆變器結構示意圖。圖2是本發明一種光伏并網逆變器的相關波形示意圖。圖3a是本發明一種光伏并網逆變器開關管7和開關管9保持關斷，開關管6導通 時的示意圖。圖3b是本發明一種光伏并網逆變器開關管7和開關管9保持關斷，開關管8導通 時的示意圖。圖3c是本發明一種光伏并網逆變器開關管8和開關管6保持關斷，開關管7導通 時的示意圖。圖3d是本發明一種光伏并網逆變器開關管8和開關管6保持關斷，開關管9導通 時的示意圖。
圖中，1.光伏陣列模塊，2.電容器，3.電容器，4.電容器，5.電容器，6.開關管， 7.開關管，8.開關管，9.開關管，10. 二極管，11. 二極管，12.電感，13.電網，14.地線， 15.光伏陣列模塊的極性上正下負，16.單向導通支路，17.單向導通支路，18 28.均為節
點ο
具體實施例方式圖1所示實施例表明本發明一種光伏并網三電平逆變器的電路的連接關系是光 伏陣列模塊1的極性15上正下負，電容器2和電容器3串聯后正極連接于光伏陣列模塊1 的輸出端的正極節點21，電容器2和電容器3串聯后負極連接于光伏陣列模塊1的輸出端 的負極節點22，電容器4和電容器5串聯后正極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的正極節 點23，電容器4和電容器5串聯后負極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的負極節點24，開 關管6和開關管7串聯后正極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的正極節點25，開關管6和 開關管7串聯后負極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的負極節點26，開關管8和二極管11 串聯形成支路17，開關管9和二極管10串聯形成支路16，支路16與支路17并聯后一端 連接于電容器2和電容器3的中點節點20，另一端連接于開關管6和開關管7的中點節點 18，電感12 —端連接于開關管6和開關管7的中點節點18，電感12另一端與電網13的一 端連接于節點27，電網13的另一端分兩路，其中一路連接于電容器4和電容器5的中點節 點19，另一路與地線14連接于節點28。圖2所示實施例表明用本發明一種光伏并網逆變器的開關管的開關序列以及與 電網電壓和電流的關系是在電網13電壓的正半周期，開關管7和開關管9保持關斷，開關 管8和開關管6交替開關；在電網13電壓的負半周期，開關管8和開關管6保持關斷，而開 關管7和開關管9交替開關。通過開關調制輸出正弦電流，輸出電流頻率與電網13頻率一 致，輸出電壓與電網13電壓一致。圖3a所示實施例表明在電網電壓正半周，當開關管7和開關管9保持關斷，開關 管6導通時，電流流經開關管6，電感12電流增加。圖3b所示實施例表明在電網電壓正半周，當開關管6關斷，開關管8導通時，電感 12電流經開關管8和二極管11續流，電感(12)電流減小。圖3c所示實施例表明在電網電壓負半周期，當開關管8和開關管6保持關斷，開 關管7導通時，電流流經開關管7，電感12電流增加。圖3d所示實施例表明在電網電壓的負半周期，當開關管7關斷，開關管9導通時， 電感12電流經開關管9和二極管10續流，電感12電流減小。實施例由光伏陣列模塊、四個同樣的開關管、兩個同樣的二極管、四個相同的電容器、一 個電感和電網組成本實施例的一種光伏并網逆變器。本實施例的一種光伏并網逆變器所用的元器件包括1.光伏陣列模塊、2.電容 器、3.電容器、4.電容器、5.電容器、6.開關管、7.開關管、8.開關管、9.開關管、10. 二 極管、11. 二極管、12.電感、13.電網和地線14。所有開關管均為絕緣柵雙極型晶體管 IRG4PSC71UD，所有二極管均為快恢復二極管HFA25TB60，所用電容器的電容值為300uF，所 用電感的電感值為1. 5mH，所用光伏陣列模塊的型號為165(36)P/G1573*824的太陽電池板串并聯組成，其輸出電壓可介于700伏到1100伏之間，電網電壓220V，電網頻率50Hz，額定 功率5kW，開關頻率20kHz。上述元器件用導線按圖1所示方式連接構成本發明的光伏并網逆變器電容器2和電容器3串聯后正極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的正極節點21， 電容器2和電容器3串聯后負極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的負極節點22，電容器 4 和電容器5串聯后正極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的正極節點23，電容器4和電容器 5串聯后負極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的負極節點24，開關管6和開關管7串聯后 正極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的正極節點25，開關管6和開關管7串聯后負極連接 于光伏陣列模塊1的輸出端的負極節點26，開關管8和二極管11串聯形成支路17，開關管 9和二極管10串聯形成支路16，支路16與支路17并聯后一端連接于電容器2和電容器3 的中點節點20，另一端連接于開關管6和開關管7的中點節點18，電感12 —端連接于開關 管6和開關管7的中點節點18，電感12另一端與電網13的一端連接于節點27，電網13的 另一端分兩路，其中一路連接于電容器4和電容器5的中點節點19，另一路與地線14連接 于節點28。上述實施例中，所涉及到的光伏陣列模塊、開關管、二極管、電容器、電感和電網都 是公知的，所有元器件都可以通過商購等公知途徑獲得；其中所有元器件的連接也都是普 通的線路連接方法。
權利要求
一種光伏并網逆變器，其特征在于由光伏陣列模塊、四個同樣的開關管、兩個同樣的二極管、四個相同的電容器、一個電感和電網組成；光伏陣列模塊1的極性15上正下負，電容器2和電容器3串聯后正極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的正極節點21，電容器2和電容器3串聯后負極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的負極節點22，電容器4和電容器5串聯后正極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的正極節點23，電容器4和電容器5串聯后負極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的負極節點24，開關管6和開關管7串聯后正極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的正極節點25，開關管6和開關管7串聯后負極連接于光伏陣列模塊1的輸出端的負極節點26，開關管8和二極管11串聯形成支路17，開關管9和二極管10串聯形成支路16，支路16與支路17并聯后一端連接于電容器2和電容器3的中點節點20，另一端連接于開關管6和開關管7的中點節點18，電感12一端連接于開關管6和開關管7的中點節點18，電感12另一端與電網13的一端連接于節點27，電網13的另一端分兩路，其中一路連接于電容器4和電容器5的中點節點19，另一路與地線14連接于節點28。
2.根據權利要求1一種光伏并網逆變器，其特征在于其中所有開關管均為絕緣柵雙 極型晶體管IRG4PSC71UD，所有二極管均為快恢復二極管HFA25TB60，所用電容器的電容值 為300uF，所用電感的電感值為1. 5mH，所用光伏陣列模塊的型號為165 (36) P/G1573*824的 太陽電池板串并聯組成，其輸出電壓介于700伏到1100伏之間，電網電壓220V，電網頻率 50Hz，額定功率5kW，開關頻率20kHz。
全文摘要
本發明一種光伏并網逆變器，涉及應用有控制極的半導體器件的不可逆的直流功率輸入變換為交流功率輸出的以及用于與電源的供電系統一起使用的設備，由光伏陣列模塊、四個同樣的開關管、兩個同樣的二極管、四個相同的電容器、一個電感和電網組成，其拓撲確保對電網不產生直流分量，而且不產生共模電流，同時該逆變器具有輸出電流紋波小和較高的效率，克服了現有的全橋逆變器和其他類型無變壓器型光伏逆變器在電網中會產生直流分量、產生共模電流或/和產生較大的電流紋波的缺點，較之半橋逆變器，本發明一種光伏并網逆變器的差模電壓和電流紋波降低了一半。
文檔編號H02M7/5387GK101980409SQ20101056054
公開日2011年2月23日 申請日期2010年11月25日 優先權日2010年11月25日
發明者楊曉光 申請人:河北工業大學