一種可抑制漏電流無電解電容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無電解電容型光伏逆變器及其控制方法，該逆變器由光伏電池陣列模塊、五個功率開關管、兩個功率二極管、兩個相同的直流儲能電感、兩個相同的濾波電感和一個濾波電容組成。本發明逆變器拓撲無需電解電容，使用壽命較長，可以實現單級逆變并網；在五個功率開關管中，四個功率開關管處于工頻模式，一個功率開關管處于高頻模式，且任意時刻只有一個功率開關管處于高頻模式，大大降低了功率開關管的損耗，系統效率較高；該并網逆變器采用基于面積等效原理的PWM調制策略，在保證并網電流質量的前提下，有效降低了直流儲能電感感值，減小了系統的體積與成本；該拓撲及其控制方法可以保證共模電壓恒定，從而有效減小漏電流。
【專利說明】
-種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器及其控制方法
技術領域
[0001] 本發明屬于光伏并網發電領域，尤其設及一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆 變器及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 光伏并網發電大都采用低頻變壓器隔離的方式實現，隔離型并網可W實現電網和 光伏電池電氣隔離，保障人身安全，同時可W提供電壓匹配、抑制進網電流直流分量和簡單 有效地消除漏電流。但是，低頻變壓器增加了系統的體積、重量和成本，降低了變換效率。因 此，不含有變壓器的非隔離式并網發電方式憑借自身變化效率高、體積小、重量輕和成本低 的絕對優勢，迅速得到各國科研人員的重視和工業界的關注。但是，變壓器的消除使得光伏 電池和電網之間有了電氣連接，運很可能導致漏電流的大幅增加，其產生的根源在于光伏 系統和大地之間存在寄生電容，高頻的漏電流會對周圍設備造成嚴重的傳導和福射干擾、 增加并網電流諧波W及系統損耗，甚至危及設備和人身安全。因此，漏電流的消除是非隔離 式并網逆變器得W廣泛應用而必須要解決的問題，研究消除漏電流的方法對光伏并網發電 的發展將有重要的意義。
[0003] 目前，市場上的逆變器主要采用電壓型逆變拓撲結構，運種逆變器是一種降壓性 逆變器，即直流側電壓一定要大于交流側輸出電壓的峰值，然而光伏電池板輸出的電壓等 級較低，不能直接進行并網發電，因此往往在前級加入boost升壓電路，得到一個較高的直 流側電壓后再進行并網，運樣就增加了一級的功率變換，使系統結構變得復雜，控制困難， 轉換效率低。
[0004] 電流型逆變器與電壓型逆變器是互為對偶的逆變器，電流型逆變器在光伏并網系 統中的應用與電壓型逆變器相比，其主要優點在于：（1)電流型逆變器本身具有升壓特性， 可實現單級升壓逆變；（2)電流型并網逆變器中，CL濾波器是濾除開關諧波的最佳結構，相 比于電壓型的LCL濾波器，CL濾波器本身就是一個穩定的二階系統，參數和結構選取簡單， 濾波效果好；（3)電流型逆變器采用電感作為儲能元件，使用壽命更長；（5)電流型光伏并網 逆變器中在發生過流和短路保護時更容易得到及時的保護，可靠性較高。
[0005] 單相電流型逆變器的缺點在于直流電流波動較大，其波動頻率為電網頻率的兩 倍，運直接導致并網電流中含有較高的Ξ次諧波，嚴重影響了電網電流質量，為了使直流電 流盡可能的平滑，往往在直流側串入較大感值的直流電感，導致系統體積增大，成本升高， 效率降低。
[0006] 因此，尋求一種可W有效抑制漏電流并且有著較高并網電流質量的無變壓器單相 電流型逆變器十分重要，對于建設節約型社會具有重要的意義。
【發明內容】
[0007] 本發明克服了現有技術中的缺點，提供一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變 器，同時提出一種基于面積等效原理的PWM控制方法。
[000引為了解決上述存在的技術問題，本發明是通過w下技術方案實現的：
[0009] -種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器，該逆變器的拓撲結構包括光伏電池 陣列模塊、五個功率開關管、兩個功率二極管、兩個相同的直流儲能電感、兩個相同的濾波 電感和一個濾波電容組成;第一直流儲能電感的一端與光伏電池陣列模塊的端相接，其 另一端分別與第五功率開關管的陽極和第一功率二極管的陽極連接;第二直流儲能電感的 一端與光伏電池陣列模塊的端相接，其另一端分別與第五功率開關管的陰極和第二功 率二極管的陰極連接;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V'端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，其另一端與電網的V'端連接;第二濾波電感的一端與濾波 電容的端相接，其另一端與電網的端連接。
[0010] 所述一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器的控制方法，該控制方法具體包 括如下內容：
[0011] 在并網電流正半周期內，第一功率開關管和第四功率開關管一直導通，第二功率 開關管和第Ξ功率開關管一直關斷，第五功率開關管采用基于面積等效原理的PWM調制控 制其導通或關斷；當第五功率開關管關斷時，并網電流的路徑為:光伏電池陣列模塊V'端 ^第一直流儲能電感^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^第二直流儲能電感^光伏電池陣列模塊 端^光伏電池陣列模塊V'端；當第五功率開關管導通時，并網電流的路徑為:第一濾波 電容的V'端^第一濾波電感^電網^第二濾波電感^第一濾波電容的端^第一濾波 電容的V'端；
[0012] 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，第五功率開關管采用基于面積等效原理的PWM調制控 制其導通或關斷；當第五功率開關管關斷時，并網電流的路徑為:光伏電池陣列模塊V'端 ^第一直流儲能電感^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^第二直流儲能電感^光伏電池陣列模塊 端^光伏電池陣列模塊V'端；當第五功率開關管導通時，并網電流的路徑為:第一濾波 電容的端^第二濾波電感^電網^第一濾波電感^第一濾波電容的端^第一濾波 電容的端。
[0013] 第五功率開關管采用基于面積等效原理的PWM控制策略，其調制機制如下：
[0014] 載波采用高頻的Ξ角載波，調制波信號為
[0015]
[0016] 其中IV為光伏電池板輸出的直流電壓，Ug為電網電壓峰值，ω為電網基波角頻率， L為直流側儲能電感感值，Cf為濾波電容容值，I。為直流側電感電流的直流分量。
[0017] 本發明的一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器，屬于電流型逆變器，具有 升壓特性，即光伏電池陣列模塊的輸出電壓IV無需經過升壓變換后再接到逆變器輸入端， 它可在低于交流電壓峰值情況下實現并網逆變。
[0018] 由于采用上述技術方案，本發明提出的一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變 器及其控制方法，與現有技術相比，具有運樣的有益效果：
[0019] (1)該拓撲無需電解電容，使用壽命較長，可W實現單級逆變并網；
[0020] (2)五個功率開關管中，四個功率開關管處于工頻模式，一個功率開關管處于高頻 模式，且任意時刻只有一個功率開關管處于高頻模式，大大降低了功率開關管的損耗，系統 效率較高；
[0021] (3)該并網逆變器采用基于面積等效原理的PWM調制策略，在保證并網電流質量的 前提下，有效降低了直流儲能電感感值，減小了系統的體積與成本；
[0022] (4)該拓撲及其控制方法可W保證共模電壓恒定，從而有效減小漏電流。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明的一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器拓撲結構；
[0024] 圖2為本發明的一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器一個周期中功率開關 管的驅動波形；
[0025] 圖3為本發明工作模式1;
[0026] 圖4為本發明工作模式2;
[0027] 圖5為本發明工作模式3;
[002引圖6為本發明工作模式4;
[0029] 圖7為直流電感電流波動較大時，逆變器采用基于面積等效原理的調制策略，輸出 電流濾波前與濾波后波形；
[0030] 圖8為本發明的一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器閉環系統控制框圖；
[0031] 圖9為本發明的一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器直流電感電流與并網 電流仿真圖；
[0032] 圖10為本發明的一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器寄生電容兩端電壓 與共模電流仿真圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細具體的說明。
[0034] 圖1所示為本發明的一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器拓撲結構，它主 要由光伏電池陣列模塊、五個功率開關管、兩個功率二極管、兩個相同的直流儲能電感、兩 個相同的濾波電感和一個濾波電容組成;第一直流儲能電感^的一端與光伏電池陣列模塊 的端相接，其另一端分別與第五功率開關管S5的陽極和第一功率二極管化的陽極連接； 第二直流儲能電感L2的一端與光伏電池陣列模塊的端相接，其另一端分別與第五功率 開關管S5的陰極和第二功率二極管化的陰極連接;第一功率二極管化的陰極分別與第一功 率開關管Si的陽極和第Ξ功率開關管S3的陽極連接;第二功率二極管化的陽極分別與第二 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Cf的V'端與第一功率開關 管Si的陰極和第二功率開關管S2的陽極連接，濾波電容Cf的端與第Ξ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Lfi的一端與濾波電容的V'端相接，其另 一端與電網的V'端連接;第二濾波電感Lf2的一端與濾波電容Cf的端相接，其另一端與 電網的端連接。
[0035] 通過適當控制，保證并網電流和并網電壓同頻同相，實現單位功率因數并網運行。 Cpv為光伏和地之間的寄生電容，其容值與外部環境條件、光伏電池板尺寸結構等因素有關， 一般在50~150nF/kW左右。
[0036] 所述一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器的控制方法，該控制方法具體包 括如下內容：
[0037] 在圖2中，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Ξ功率開關管S3-直關斷，第五 功率開關管S5采用基于面積等效原理的nm調制控制其導通或關斷;在圖3中，當第五功率 開關管S 5關斷時，L'V= i/2 sin(W +療)]，即光伏系統寄生電容CP V兩端電壓為 ]/2[(y,,". sin(M + i/W，此時共模電壓Ucm=Upv/2;在圖4中，當第五功率開關管S5導通時， 仁、,(放/ +的]，:即光伏系統寄生電容Cpv兩端電壓為l/2p7p,/-i/,"sin(城+鉤]，： 此時共模電壓U?=Upv/2;
[0038] 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 Ξ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，第五功率開關 管S5采用基于面積等效原理的PWM調制控制其導通或關斷;在圖5中，當第五功率開關管S5關 斷時，L'V二1/2儀-L/,,,sin(w/ +如]，即光伏系統寄生電容C P V兩端電壓為 1/2的v-{JwSm(wM-口)]，化時共模電壓Ucm = Upv/2;在圖帥，當第五功率開關管S5導通時， 巧1.。二V2[[V-凸轉+ 口)]，即光伏系統寄生電容Cpv兩端電壓為1/2[^,。.-^?1.加(減+礎， 此時共模電壓U?=Upv/2。
[0039] 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、夢和ω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。
[0040] 表1不同工作模式下共模電壓對照表
[0041]
[0042] 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 ileak = CpV(加 CpvMt)，根據上述分析可知，該拓撲可W有效減小漏電流。
[0043] 對于單相電流型逆變器，直流電感電流帶有一定的波動，其波動頻率為電網頻率 的二倍，即1加）=1。+1(3111(2〇*+(1))化為交流分量幅值），運時如果采用8?￥1調制策略，電 感電流中的交流分量會饋送到電網中，使并網電流含有大量的Ξ次諧波，嚴重影響了并網 電流質量。
[0044]本發明中的第五功率開關管S5采用基于面積等效原理的pmi調制策略，在直流電 感電流存在較大波動的情況下，使逆變器輸出的脈沖電流面積與所希望輸出的正弦波在相 應區間內的面積仍保持相等，運樣就消除了電感電流的二倍頻脈動對并網電流的影響，保 證了并網電流質量，此時第五功率開關管S5采用的調制波不為正弦波，而是
[0048] 由W上可W看出，采用本發明后，在保證并網電流質量的前提下，允許直流電感電 流存在一定的波動，因而可W有效地降低直流電感感值。
[0049] 圖8所示為本發明提供的系統閉環控制框圖，但不作為本發明的限定，首先采集光 伏電池板輸出電壓IV與輸出電流Ipv，經過MPPT后給出參考電流I。，經過反饋調節后與調制 波r(t)相乘得到并網給定電流，與并網反饋電流做調節后再與Ξ角波做比較得到PWM脈沖， 然后將得到的脈沖分配給各個開關管，調制波信號為
[(K)加 ]
[0051 ]其中化V為光伏電池板輸出的直流電壓，Ug為電網電壓峰值，ω為電網基波角頻率， L為直流側電感感值，Cf為濾波電容容值，I。為直流側電感電流的直流分量，即ΜΡΡΤ給定的直 流側參考電流。
[0052] 圖9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 電感電流存在較大波動，但是并網電流依然保持較好的正弦。
[0053] 圖10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 寄生電容兩端電壓不含高頻分量，驗證了表1的分析，漏電流很小。
【主權項】
1. 一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器，其特征在于：該逆變器的拓撲結構包 括光伏電池陣列模塊、五個功率開關管、兩個功率二極管、兩個相同的直流儲能電感、兩個 相同的濾波電感和一個濾波電容組成；第一直流儲能電感的一端與光伏電池陣列模塊的 "+"端相接，其另一端分別與第五功率開關管的陽極和第一功率二極管的陽極連接;第二直 流儲能電感的一端與光伏電池陣列模塊的端相接，其另一端分別與第五功率開關管的 陰極和第二功率二極管的陰極連接;第一功率二極管的陰極分別與第一功率開關管的陽極 和第三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，濾波電容的端與第三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，其另一端與電網的"+"端連接;第二濾波電感 的一端與濾波電容的端相接，其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無電解電容型光伏逆變器的控制方法，其特 征在于:該控制方法具體包括如下內容： 在并網電流正半周期內，第一功率開關管和第四功率開關管一直導通，第二功率開關 管和第三功率開關管一直關斷，第五功率開關管采用基于面積等效原理的PWM調制控制其 導通或關斷；當第五功率開關管關斷時，并網電流的路徑為:光伏電池陣列模塊"+"端-第 一直流儲能電感-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-第二直流儲能電感-光伏電池陣列模塊端 -光伏電池陣列模塊"+"端；當第五功率開關管導通時，并網電流的路徑為:第一濾波電容 的"+"端-第一濾波電感-電網-第二濾波電感-第一濾波電容的端-第一濾波電容 的"+"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 管和第三功率開關管一直導通，第五功率開關管采用基于面積等效原理的PWM調制控制其 導通或關斷；當第五功率開關管關斷時，并網電流的路徑為:光伏電池陣列模塊"+"端-第 一直流儲能電感-第一功率二極管-第三功率開關管-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-第二直流儲能電感-光伏電池陣列模塊端 -光伏電池陣列模塊"+"端；當第五功率開關管導通時，并網電流的路徑為:第一濾波電容 的端-第二濾波電感-電網-第一濾波電感-第一濾波電容的"+"端-第一濾波電容 的端。3. 根據權利要求1所述的一種可抑制漏電流無電解電容型光伏逆變器，其特征在于，第 五功率開關管采用基于面積等效原理的PWM控制策略，其調制機制如下： 載波采用高頻的三角載波，調制波信號為其中UPV為光伏電池板輸出的直流電壓，Ug為電網電壓峰值，ω為電網基波角頻率，L為 直流側儲能電感感值，Cf為濾波電容容值，I。為直流側電感電流的直流分量。
【文檔編號】H02M7/537GK106059356SQ201610390619
【公開日】2016年10月26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