一種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆變器及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆變器及其控制方法，該逆變器由六個開關管、兩個二極管、一個直流電感、兩個感值相同的濾波電感和一個濾波電容組成。本發明的單相非隔離升降壓型光伏逆變器具有升降壓功能，有較寬的輸入電壓范圍；該逆變器橋臂的四個功率開關管都處于工頻狀態，只有兩個功率開關工作在高頻，開關損耗小，且驅動脈沖無需設置死區，電路可靠性高；本發明可使光伏系統對地寄生電容兩端電壓不含高頻分量，使漏電流得到有效抑制。
【專利說明】
-種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆變器及其控制方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電力電子技術領域，具體設及一種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆 變器及其控制方法，適用于單相逆變應用場合中。
【背景技術】
[0002] 能源是人類賴W生存和發展的物質基礎，化石能源的有限性和大量的開采利用導 致能源短缺的問題日益嚴重，同時也造成了環境問題的日益惡化。太陽能作為當前最為清 潔、最有大規模開發利用前景的可再生能源之一，其光伏利用受到世界各地的普遍關注。而 太陽能光伏發電是太陽能光伏利用的主要發展趨勢，在未來將得到越來越迅速的發展。
[0003] 在光伏發電系統中，逆變器裝置的效率與安全性將直接影響整個系統的性能與實 用性。根據逆變器中的變壓器配置情況，可W將現有的逆變器分為帶工頻變壓器型逆變器、 帶高頻變壓器型逆變器和無變壓器型逆變器。帶工頻變壓器或帶高頻變壓器的逆變器均可 W起到升壓和隔離的作用，但帶工頻變壓器型逆變器存在體積和重量大、價格高等問題;帶 高頻變壓器型逆變器雖然體積和重量大大減少，但結構復雜，整體效率降低。而無變壓器型 逆變器具有結構簡單、體積小、成本低、效率高等優點，因此得到了更多的重視。
[0004] 在無變壓器型光伏并網系統中，由于失去了變壓器的電氣隔離，光伏電池陣列與 大地之間的寄生電容（一般為50-150nF/kWp)、光伏并網逆變器W及大地之間就會形成回 路，帶來漏電流問題。漏電流不僅會引起EMI問題，同時還會降低并網電流品質，并且給人員 的人身安全帶來安全隱患，因此，在無變壓器型并網逆變器中，漏電流問題必須得到解決。
[0005] 在無變壓器型逆變器中，已經有一些逆變器拓撲解決了共模電壓恒定問題，但同 時存在其他問題，例如電路結構復雜，不具有升降壓功能，高頻工作的開關較多，開關損耗 大等問題。本發明所提出的一種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆變器及其控制方法解決 了上述存在的問題。
【發明內容】
[0006] 本發明克服了現有技術中的缺點，提供一種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆變 器及其控制方法，該逆變器能夠使得共模電壓恒定，有效抑制漏電流，且結構簡單，同時具 有升降壓功能。
[0007] 為了解決上述存在的技術問題，本發明采用了如下技術方案：
[000引一種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆變器，該逆變器包括六個功率開關管、兩 個功率二極管、一個直流電感、兩個感值相同的濾波電感和一個濾波電容組成;直流母線的 V'端與第五功率開關管的陽極相連，直流母線的端與第六功率開關管的陰極相連;直 流電感的一端與第五功率開關管的陰極和第二功率二極管的陰極相連，直流電感的另一端 與第六功率開關管的陽極和第一功率二極管的陽極相連;第一功率二極管的陰極分別與第 一功率開關管的陽極和第=功率開關管的陽極連接;第二功率二極管的陽極分別與第二功 率開關管的陰極和第四功率開關管的陰極連接;濾波電容的端分別與第一功率開關管 的陰極和第二功率開關管的陽極連接，濾波電容的"-"端分別與第S功率開關管的陰極和 第四功率開關管的陽極連接;第一濾波電感的一端與濾波電容的V'端相接，第一濾波電感 的另一端與電網的端連接;第二濾波電感的一端與濾波電容的端相接，第二濾波電 感的另一端與電網的端連接。
[0009] 所述的一種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆變器的控制方法，該方法包括如下 具體步驟：
[0010] (1)首先，將給定的正弦調制波取絕對值，得到正弦全波X，再將正弦全波X經過X/ (1巧)的數學換算得到實際調制波r(t)，最后，將調制波r(t)和載波通過比較器比較后得到 開關邏輯信號Rs、R6,用W分別驅動第五功率開關管和第六功率開關管；
[0011] (2)用兩個互補的工頻方波分別作為第一功率開關管、第四功率開關管的驅動脈 沖和第二功率開關管、第=功率開關管的驅動脈沖；
[0012] 在并網電流正半周期內，第一功率開關管與第四功率開關管一直導通，第功二率 開關管和第=功率開關管一直關斷，第五功率開關管和第六功率開關管采用PWM調制控制 其導通或關斷；當第五功率開關管和第六功率開關管關斷時，并網電流的流通路徑為:第一 功率二極管的陽極^第一功率二極管^第一功率開關管^第一濾波電感^電網^第二濾 波電感^第四功率開關管^第二功率二極管^直流電感^第一功率二極管的陽極；當第五 功率開關管和第六功率開關管導通時，并網電流的流通路徑為:濾波電容的V'端^第一濾 波電感^電網^第二濾波電感^濾波電容的端^濾波電容的V'端；
[0013] 在并網電流負半周期內，第一功率開關管和第四功率開關管一直關斷，第二功率 開關管和第=功率開關管一直導通，第五功率開關管和第六功率開關管采用PWM調制控制 其導通或關斷；當第五功率開關管和第六功率開關管關斷時，并網電流的流通路徑為:第一 功率二極管的陽極^第一功率二極管^第立功率開關管^第二濾波電感^電網^第一濾 波電感^第二功率開關管^第二功率二極管^直流電感^第一功率二極管的陽極；當第五 功率開關管和第六功率開關管導通時，并網電流的流通路徑為:濾波電容的端^第二濾 波電感^電網^第一濾波電感^濾波電容的V'端^濾波電容的端。
[0014] 由于采用上述技術方案，本發明的有益效果是：
[0015] (1)本發明的逆變器功率開關管驅動脈沖無需設置死區，電路可靠性高；
[0016] (2)本發明的逆變器具有升降壓功能，直流側電壓有較寬的輸入電壓范圍；
[0017] (3)本發明的逆變器橋臂上的四個功率開關管都處于工頻工作狀態，只有第五功 率開關管和第六功率開關管工作在高頻狀態，開關損耗小；
[0018] (4)本發明的控制方法采用傳統載波調制，開關信號生成電路結構簡單，能夠使光 伏電池板對地寄生電容兩端電壓不含高頻分量，同時能夠保證系統共模電壓恒定，使漏電 流得到有效抑制。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明的一種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆變器拓撲結構；
[0020] 圖2為本發明的單相升降壓型光伏逆變器調制實現方式示意圖；
[0021] 圖3為本發明的單相升降壓型光伏逆變器開關控制驅動波形；
[0022] 圖4為本發明的單相升降壓型光伏逆變器直流電感的電流波形與并網電流仿真波 形；
[0023] 圖5為本發明的單相升降壓型光伏逆變器的共模電壓仿真波形圖；
[0024] 圖6為本發明的單相升降壓型光伏逆變器的漏電流仿真波形圖。
【具體實施方式】
[0025] 為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明的技術方案 進行詳細說明。
[0026] -種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆變器，其拓撲結構如圖1所示，該逆變器包 括六個功率開關管、兩個功率二極管、一個直流電感、兩個感值相同的濾波電感和一個濾波 電容組成;直流母線的V'端與第五功率開關管Ss的陽極相連，直流母線的端與第六功 率開關管S6的陰極相連;直流電感Ldc的一端與第五功率開關管Ss的陰極和第二功率二極管 S2的陰極相連，直流電感Ldc的另一端與第六功率開關管S6的陽極和第一功率二極管Si的陽 極相連;第一功率二極管VDi的陰極分別與第一功率開關管Si的陽極和第S功率開關管S3的 陽極連接;第二功率二極管VD2的陽極分別與第二功率開關管S2的陰極和第四功率開關管S4 的陰極連接;濾波電容Cl的V'端分別與第一功率開關管Si的陰極和第二功率開關管S2的陽 極連接，濾波電容Cl的端分別與第S功率開關管S3的陰極和第四功率開關管S4的陽極連 接;第一濾波電感b的一端與濾波電容Cl的V'端相接，第一濾波電感^的另一端與電網的 V'端連接;第二濾波電感L2的一端與濾波電容Cl的端相接，第二濾波電感L2的另一端與 電網的端連接。
[0027] 對本發明所提出的逆變器進行分析，可W參考buck-boost變換器的分析方式，首 先為簡化分析做如下假設：（1)電路中所有元件都為理想器件；（2)由于開關頻率遠大于基 波頻率，所W在幾個開關周期內可認為電感電流平均值和電容電壓平均值恒定；（3)逆變器 工作于穩定狀態。此時，電感電流和電容電壓在一個開關周期的變化量近似為零。令第五功 率開關管和第六功率開關管開通時電感儲能時間與開關周期的比為占空比d，則該逆變器 存在如下關系：
[00%]在0~肌時，第五功率開關管Ss和第六功率開關管S6開通：
[0029] (1)
[0030] 侶）
[0031] ^關管Ss與第六功率開關管S6關斷：
[00 創 （3)
[0033] (4)
[0034] 其中為直流電感1^〇油流，與為流過第一濾波電感^的電流，山。為直流輸入電壓， 聽,為濾波電容。兩端電壓。
[0035] 由式(1)和式(2)可得在0~dT時間段內流過直流電感Ldc的電流變化量為：
[0036] 巧）
[0040： (7)
[0037]
[00 測 （6)
[0039]由式(3)和式(4)可得在dT~T時間段內流過直流電感Ldc的電流變化量為：
[0041；
[0042： 貨）
[0043] 由于電感電流Ldc在一個開關周期的變化量為零，所W有：
[0044] (9)
[0045] (10)
[0046] 把式(5)和式(7)代入式(9)式，把式(6)和式(8)代入式(10)式得：
[0047] (11)
[004引 ；
[0049] (12)
[0050] 巧弟立巧準升巧菅Ss和第六功率開關管Ss在t時刻的占空比為d(t)，則輸出電壓與 輸入電壓滿足W下關系
[005。 （1 沒)
[0化 2] ；
[005；3] (14)
[0054] ;〇第六功率開關管S6占空比表達式為：
[00對 （巧）
[0化6]
[0057]第一功率開關管Si和第四功率開關管S4采用相同的工頻方波脈沖驅動，第二功率 開關管S2和第=功率開關管S3采用與第一功率開關管Si和第四功率開關管S4互補的工頻方 波脈沖驅動，第五功莖井羊管沾巧笛六功莖井羊管祐要巧PWM特制，其調制機制如下：
[005引調制波信j
(電網電壓峰值，Udc為直流電 壓，《為電網基波角頻率；Wr(t)為調制波，高頻S角波為載波，調制出所需的HVM波形，實 現對第五功率開關管和第六功率開關管的控制，當M> I時，本發明的逆變器為升壓輸出；當 M< 1時，本發明的逆變器為降壓輸出。
[0059] 如圖2所示，該逆變器控制方法的實現包括如下具體步驟：
[0060] (1)首先，將給定的正弦調制波取絕對值，得到正弦全波X，再將正弦全波X經過X/ (1巧)的數學換算得到實際調制波r(t)，最后，將調制波r(t)和載波通過比較器比較后得到 開關邏輯信號Rs、R6,用W分別驅動第五功率開關管Ss和第六功率開關管S6;
[0061] (2)用兩個互補的工頻方波分別作為第一功率開關管S1、第四功率開關管S4的驅動 脈沖和第二功率開關管S2、第=功率開關管S3的驅動脈沖；
[0062] 圖3所示為采用上述實現方式后得到的各個開關驅動脈沖波形。
[0063] 當本發明的光伏并網逆變器工作在并網電流正半周期內，第一功率開關管Si和第 四功率開關管S4-直導通，第二功率開關管S2和第=功率開關管S3-直關斷，當第五功率開 關管Ss與第六功率開關管S6關斷時，
，即光伏系統寄生電容 Cpv兩端電壓呆
，此時共模電壓11" =山。/2，當第五功率開關管55與第 六功率開關管S6導通時時，
，即光伏系統寄生電容Cpv兩端電壓 為]/2[0',sin(w/ + 例]，此時共模電壓Ucm=Udc/2。
[0064] 當本發明的光伏并網逆變器工作在并網電流負半周期內，第二功率開關管S2和第 =功率開關管S3-直導通，第一功率開關管Si和第四功率開關管S4-直關斷，當第五功率開 關管Ss和第六功率開關管S6關斷時
，即光伏系統寄生電容 Cpv兩端電壓為1/2L( '，-(人,sin(M + W]，此時共模電壓Ucm=Udc/2，當第五功率開關管Ss與第 六功率開關管Ss導通時
即光伏系統寄生電容Cpv兩端電壓為 1/2片& -村" sin(似M-巧)]'此時共模電壓Ucm=Udc/2。
[0065] 表1中列出了 4個工作模式的開關狀態和對應的Cpv兩端電壓W及共模電壓。其中 Um、科和《分別為電網電壓的幅值，相位和頻率，ON代表開關導通，OFF代表開關關斷。
[0066] 表1不同工作模式下共模電壓對照表
[0067]
[0068] 由表1可知，共模電壓恒定，寄生電容Cpv兩端電壓不含高頻分量，由于系統漏電流 關
辰據上述分析可知，該拓撲可W有效減小漏電流。
[0069] 圖5所示為本發明的光伏逆變器直流電感電流與并網電流仿真圖，可W看出直流 電感電流呈現為正弦全波脈動形式，但是并網電流依然保持較好的正弦。
[0070]圖6所示為本發明的光伏逆變器寄生電容兩端電壓與共模電流仿真圖，可W看出 共模電壓恒定，驗證了表1的分析，漏電流非常小。
【主權項】
1. 一種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆變器，其特征在于：該逆變器包括六個功率 開關管、兩個功率二極管、一個直流電感、兩個感值相同的濾波電感和一個濾波電容組成； 直流母線的V'端與第五功率開關管的陽極相連，直流母線的端與第六功率開關管的陰 極相連;直流電感的一端與第五功率開關管的陰極和第二功率二極管的陰極相連，直流電 感的另一端與第六功率開關管的陽極和第一功率二極管的陽極相連;第一功率二極管的陰 極分別與第一功率開關管的陽極和第Ξ功率開關管的陽極連接;第二功率二極管的陽極分 別與第二功率開關管的陰極和第四功率開關管的陰極連接;濾波電容的端分別與第一 功率開關管的陰極和第二功率開關管的陽極連接，濾波電容的端分別與第Ξ功率開關 管的陰極和第四功率開關管的陽極連接;第一濾波電感的一端與濾波電容的端相接，第 一濾波電感的另一端與電網的端連接;第二濾波電感的一端與濾波電容的端相接， 第二濾波電感的另一端與電網的端連接。2. 根據權利要求1所述一種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆變器的控制方法，其特 征在于:該方法內容包括如下具體步驟： (1) 首先，將給定的正弦調制波取絕對值，得到正弦全波X，再將正弦全波X經過χ/α巧） 的數學換算得到實際調制波r(t)，最后，將調制波r(t)和載波通過比較器比較后得到開關 邏輯信號Rs、R6,用W分別驅動第五功率開關管和第六功率開關管； (2) 用兩個互補的工頻方波分別作為第一功率開關管、第四功率開關管的驅動脈沖和 第二功率開關管、第Ξ功率開關管的驅動脈沖； 在并網電流正半周期內，第一功率開關管與第四功率開關管一直導通，第功二率開關 管和第Ξ功率開關管一直關斷，第五功率開關管和第六功率開關管采用PWM調制控制其導 通或關斷；當第五功率開關管和第六功率開關管關斷時，并網電流的流通路徑為:第一功率 二極管的陽極^第一功率二極管^第一功率開關管^第一濾波電感^電網^第二濾波電 感^第四功率開關管^第二功率二極管^直流電感^第一功率二極管的陽極;當第五功率 開關管和第六功率開關管導通時，并網電流的流通路徑為:濾波電容的V'端^第一濾波電 感^電網^第二濾波電感^濾波電容的端^濾波電容的V'端； 在并網電流負半周期內，第一功率開關管和第四功率開關管一直關斷，第二功率開關 管和第Ξ功率開關管一直導通，第五功率開關管和第六功率開關管采用PWM調制控制其導 通或關斷；當第五功率開關管和第六功率開關管關斷時，并網電流的流通路徑為:第一功率 二極管的陽極^第一功率二極管^第Ξ功率開關管^第二濾波電感^電網^第一濾波電 感^第二功率開關管^第二功率二極管^直流電感^第一功率二極管的陽極;當第五功率 開關管和第六功率開關管導通時，并網電流的流通路徑為:濾波電容的端^第二濾波電 感^電網^第一濾波電感^濾波電容的V'端^濾波電容的端。3. 根據權利要求1所述的一種可抑制漏電流單相升降壓型光伏逆變器，其特征在于，第 一功率開關管和第四功率開關管采用相同的工頻方波脈沖驅動，第二功率開關管和第Ξ功 率開關管采用與第一功率開關管和第四功率開關管互補的工頻方波脈沖驅動，第五功率開 關管和第六功率開關管采用PWM控制，其調制機制如下： 調制波信^弓電網電壓峰值，山。為直流電壓，ω 為電網基波角頻率；Wr(t)為調制波，高頻Ξ角波為載波，調制出所需的PWM波形，實現對第 五功率開關管和第六功率開關管的控制，當M> 1時，本發明的逆變器為升壓輸出；當M< 1 時，本發明的逆變器為降壓輸出。
【文檔編號】H02J3/38GK105978388SQ201610390268
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月2日
【發明人】王立喬, 張曉飛, 董子亮
【申請人】燕山大學