本发明属于逆变器技术领域，具体地涉及一种高增益单相单级无变压器型光伏逆变器及其控制方法。
背景技术：
无变压器型光伏逆变器具有体积小，成本低和效率高的特点，具有很大市场潜力和竞争力。但是，由于光伏电池板和大地间存在寄生电容，光伏逆变器高频开关动作将导致较大的漏电流，引发并网电流畸变、电磁干扰，还可能对人身安全构成威胁。因此漏电流抑制问题是光伏逆变器并网运行中的关键问题，具有重要研究意义。实际中采用传统光伏逆变器拓扑及其调制方法将导致较大漏电流，同时开关器件过多，而且输出交流电压一般比输入直流电压低，因此亟需新型单级逆变器拓扑及其控制方法解决漏电流问题。
中国专利申请号为201210486581.5，名称为：一种光伏逆变器漏电流调节抑制方法及装置，提出一种光伏逆变器漏电流调节抑制方法及补偿装置，通过共模电压注入方式对光伏系统中的共模漏电流进行控制。将共模漏电流作为控制目标，实现闭环控制共模漏电流。但该方法需要额外装置，成本较高。中国专利申请号为201210594677.3，名称为：基于3D-SPWM的混合箝位式三电平三相四线制光伏系统，提出一种基于3D-SPWM混合箝位式三电平三相四线制光伏逆变器，采用多电平电路结构及控制方式有效降低系统漏电流，但该逆变器开关器件数量较多，且需要直流侧电容电压平衡控制，成本较高，实现较复杂。M.C.Cavalcanti等人2010年在IEEE Transactions on Industrial Electronics发表文章Modulation techniques to eliminate leakage currents in transformerless three-phasephotovoltaic systems中针对传统三相逆变器拓扑提出改进型调制方法实现高频共模电压抑制，从而解决漏电流问题。虽然高频共模电压和漏电流得到抑制，但三相光伏逆变器输出电压矢量受到限制，实用性不足。此外，该调制方法采用空间矢量调制，实现较为复杂。
技术实现要素：
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高频共模电压和漏电流，并且能够实现高增益电压输出的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器及其控制方法，具体技术方案如下：
高增益单相单级无变压器型光伏逆变器包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和负载电阻；所述第一电感的输出端分别连接所述第二电容的第一端和所述第二开关管的集电极；所述第四电感的输出端分别与所述第一开关管的集电极和所述第三电容的第一端连接；所述第二电容的第二端分别连接所述第二电感的输出端和所述第三开关管的发射极；所述第三电容的第二端分别与第一电感的输入端、所述第一电容的第一端以及所述第三电感的输入端连接；所述第二开关管的发射极分别连接所述第二电感的输入端和所述第一电容的第二端；所述第三开关管的集电极分别连接所述第四电容的第一端和所述负载电阻的第一端；直流电源的正端与第四电感Lf的输入端连接；所述直流电源的负端、所述第一开关管的发射极、所述第三电感的输出端、所述第四电容的第二端和所述负载电阻的第二端连接在同一导线上，所述导线接地。
优选的，所述第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第四电感Lf是相互耦合的。
优选的，所述第一开关管的基极输入第一开关驱动信号；所述第二开关管的基极输入第二开关驱动信号；所述第三开关管的基极输入第三开关驱动信号。
优选的，所述第一开关管的占空比为其中k为高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的最大增益系数；所述第二开关管的占空比为其中k为高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的最大增益系数，A为高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的峰值电压增益，sinωt是输出正弦波形的表达式，t为时间，ω是角速度；所述第三开关管的占空比为D3＝2-D1-D2。
优选的，所述高增益单相单级无变压器型光伏逆变器包括三种工作模式；当第一开关管驱动信号和第三开关管驱动信号是高电平，第二开关管驱动信号是低电平时，高增益单相单级无变压器型光伏逆变器处于第一工作模式，第一工作模式时第一开关管和第三开关管导通，第二开关管关断；当第一开关管驱动信号和第二开关管驱动信号是高电平，第三开关管驱动信号是低电平时，高增益单相单级无变压器型光伏逆变器处于第二工作模式，第二工作模式时第一开关管和第二开关管导通，第三开关管关断；当第二开关管驱动信号和第三开关管驱动信号是高电平，第一开关管驱动信号是低电平时，高增益单相单级无变压器型光伏逆变器处于第三工作模式，第三工作模式时第二开关管和第三开关管导通，第一开关管关断。
优选的，所述第一开关管，第二开关管以及第三开关管均为全控型器件。
对高增益单相单级无变压器型光伏逆变器进行的控制方法包括以下步骤：
步骤1：根据表示式获得第一开关管的占空比D1的值，其中k为高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的最大增益系数，获得的第一开关管的占空比D1的值为常数K，将第一开关管的占空比值K输入到第一PWM产生模块；
步骤2：第一PWM产生模块将幅值为1且频率为1/T的锯齿波与常数K进行比较，其中T为高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的开关周期，当常数K的值大于锯齿波的值时，输出高电平，当常数K的值小于锯齿波的值时，输出低电平，由此第一PWM产生模块生成占空比为K的第一开关管驱动信号；
步骤3：将1减去第二开关管的占空比得到的差值信号输入到第二PWM产生模块，其中第二开关管的占空比k为高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的最大增益系数，A为高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的峰值电压增益，sinωt是输出正弦波形的表达式，t为时间，ω是角速度；所述第二PWM产生模块将1减去第二开关管的占空比获得的差值信号与锯齿波进行比较，所述锯齿波与步骤2中的相同，当1减去第二开关管的占空比获得的差值信号的值大于锯齿波的值时，输出高电平，当1减去第二开关管的占空比获得的差值信号的值小于锯齿波的值时，输出低电平，所述第二PWM产生模块产生占空比为1减去第二开关管的占空比并且先高电平后低电平的驱动信号，对所述第二PWM产生模块产生的驱动信号取反即可得到先是低电平后是高电平的第二开关管驱动信号；
步骤4：将第一开关管驱动信号与第二开关管驱动信号通过异或门即可得到第三开关管驱动信号；
步骤5，将第一开关管驱动信号、第二开关管驱动信号和第三开关管驱动信号分别连接到第一开关管的基极、第二开关管的基极和第三开关管的基极；
步骤6，所述高增益单相单级无变压器型光伏逆变器根据第一开关管驱动信号、第二开关管驱动信号和第三开关管驱动信号的控制在每个开关周期内依次经历第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式；以及
步骤7，重复步骤6获得目标交流电。
优选的，步骤6具体包括：
步骤61，当第一开关管驱动信号和第三开关管驱动信号是高电平，第二开关管驱动信号是低电平时，高增益单相单级无变压器型光伏逆变器处于第一工作模式，第一工作模式时第一开关管和第三开关管导通，第二开关管关断；
步骤62，当第一开关管驱动信号和第二开关管驱动信号是高电平，第三开关管驱动信号是低电平时，高增益单相单级无变压器型光伏逆变器处于第二工作模式，第二工作模式时第一开关管和第二开关管导通，第三开关管关断；
步骤63，当第二开关管驱动信号和第三开关管驱动信号是高电平，第一开关管驱动信号是低电平时，高增益单相单级无变压器型光伏逆变器处于第三工作模式，第三工作模式时第二开关管和第三开关管导通，第一开关管关断。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
①该拓扑结构具有开关器件少，电压增益高，以及双接地消除漏电流的能力，同时采用耦合电感减小电感量。
②开关信号生成电路结构简单，可采用模拟电路实现。
附图说明
图1本发明的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的电路拓扑结构；
图2本发明的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的控制方法原理图；
图3本发明的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的电路拓扑的第一工作模式的工作过程示意图；
图4本发明的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的电路拓扑的第二工作模式的工作过程示意图；
图5本发明的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的电路拓扑的第三种工作模式的工作过程示意图；
图6本发明的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的第一开关管S1的驱动信号产生示意图；
图7本发明的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的第二开关管S2的驱动信号产生示意图；
图8本发明的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的开关管驱动信号示意图。
具体实施方式
本申请提出了一种具有新的电路拓扑结构的逆变器，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。
根据图1所示，本申请的一种高增益单相单级无变压器型光伏逆变器包括：第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感Lf、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C0和负载电阻R。
直流电源Vin的正端与第四电感Lf的输入端连接，第四电感Lf的输出端分别与第一开关管S1的集电极和第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端分别与第一电感L1的输入端、第一电容C1的第一端以及第三电感L3的输入端连接，第一电感L1的输出端分别连接第二电容C2的第一端和第二开关管S2的集电极，第二电容C2的第二端分别连接第二电感L2的输出端和第三开关管S3的发射极，第二开关管S2的发射极分别连接第二电感L2的输入端和第一电容C1的第二端，第三开关管S3的集电极分别连接第四电容C0的第一端和负载电阻R的第一端，直流电源Vin的负端、第一开关管S1的发射极、第三电感L3的输出端、第四电容C0的第二端和负载电阻R的第二端相连接并接地。第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第四电感Lf是相互耦合的。此外，每个开关管对应的驱动信号与每个开关管的基极相连接。
具体地，本申请中，第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2构成阻抗网络，能够实现高升压的特点。同时，第四电感Lf、第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3是相互耦合的，能够减小电感量。此外，本申请中的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器具有输入输出共地的特点，能够消除漏电流。
此外，在高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的电路拓扑中，第四电感Lf、第一开关管S1、第三电容C3、以及第三电感L3组成了具有升压能力的升压部分，第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第二开关管S2以及第三开关管S3组成了具有逆变能力的逆变部分，第四电容C0组成了输出部分，同时输入输出是共地的。从电路结构上来看，只有三个开关实现了高增益输出正弦电压的逆变，提高了系统的稳定性，电感是相互耦合的，减小了电感量，并且输入输出是共地的，消除了漏电流；从工作原理上来看，控制三个开关管的占空比就能够实现高增益的逆变输出正弦电压，控制简单，易于实现。
综上，本发明提供了一种高增益单相单级无变压器型光伏逆变器，包括第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感Lf、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C0，本申请提供的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器，具有输入输出共地，能够消除漏电流，另外本申请中，第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2构成了阻抗网络，大大提高电压增益，并且所有电感是相互耦合的，减小了电感量。另外，控制三个开关管的占空比就能够实现逆变以及高增益的输出，电路结构简单且控制简单。
在上述实施例的基础上：
第一开关管S1，第二开关管S2以及第三开关管S3都是全控型器件，可以是IGBT，也可以是MOSFET等，电路中的电容以及电感的取值保证系统运行稳定即可。
为了减小高增益单相逆变器的输出波形的谐波分量，选取电感时优选，第一电感L1等于第二电感L2，选取电容时优选，第一电容C1等于第二电容C2，阻抗网络为对称网络。当然本申请不仅限与上述电感值和电容值，根据实际需要来定。
为了保证上述电路拓扑的升压特性，同时保证输出电压与开关管的占空比是线性的关系，减小系统的复杂性，对开关管的驱动信号有着一定的限制，就是三个开关管的驱动信号在同一时刻必须保证只有两个开关管导通。因为本申请的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器电路拓扑只有三个开关管，而为了实现电路的升压以及逆变功能，每次只有两个开关管导通，因此本申请的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器在工作时有三种工作模式：
当第一开关管驱动信号CONT1和第三开关管驱动信号CONT3是高电平，第二开关管驱动信号是低电平时，高增益单相单级无变压器型光伏逆变器处于第一工作模式，第一工作模式为第一开关管S1和第三开关管S3导通，第二开关管S2关断。
当第一开关管驱动信号CONT1和第二开关管驱动信号CONT2是高电平，第三开关管驱动信号CONT3是低电平时，高增益单相单级无变压器型光伏逆变器处于第二工作模式，第二工作模式为第一开关管S1和第二开关管S2导通，第三开关管S3关断。
当第二开关管驱动信号CONT2和第三开关管驱动信号CONT3是高电平，第一开关管驱动信号CONT1是低电平，高增益单相单级无变压器型光伏逆变器处于第三工作模式，第三工作模式为第二开关管S2和第三开关管S3导通，第一开关管S1关断。
对于本发明的高增益单相单级无变压器型光伏逆变器电路，第一开关管S1的占空比其中k为高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的最大增益系数，由于k为常数，因此占空比D1为常数；高增益单相单级无变压器型光伏逆变器电路的正弦输出波形是由第二开关管S2的占空比D2产生的，因此为了产生正弦输出电压，第二开关管S2的占空比D2是随正弦变化的值，所以设置第二开关管S2的占空比其中k为高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的最大增益系数，A为高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的峰值电压增益，sinωt是输出正弦波形的表达式，t为时间，ω是角速度，其中ω＝2πf，f为输出正弦波频率。第三开关管S3的占空比为D3，D3＝2-D1-D2。
在图2所示中，本发明的一种高增益单相单级逆变器的控制步骤如下：
步骤1：第一开关管S1的占空比D1的值为常数K，K是根据计算出来的，其中k为高增益单相单级无变压器型光伏逆变器的最大增益系数，通过计算得到的第一开关管S1的占空比D1的值K，并且K一定小于1。将第一开关管S1的占空比D1的值K输入到第一PWM产生模块。
步骤2：第一PWM产生模块将常数K与幅值为1并且频率为1/T的锯齿波进行比较，其中T为开关周期。当常数K的值大于锯齿波的值时，输出高电平，当常数K的值小于锯齿波的值时，输出低电平，由此第一PWM产生模块生成占空比为K的第一开关管驱动信号CONT1。开关周期时长为T，其中锯齿波的频率为开关频率，第一开关管驱动信号CONT1控制第一开关管S1的导通与关断，当第一开关管驱动信号CONT1为高电平时第一开关管S1导通，当第一开关管驱动信号CONT1为低电平时第一开关管S1关断。
步骤3：将1减去第二开关管S2的占空比D2得到的差值信号输入到第二PWM产生模块，即将1-D2的差值信号输入到第二PWM产生模块，其中第二开关管S2的占空比因此第二开关管S2的占空比D2由常数(k+2)/2(k+1)和正弦波A/2(k+1)sinωt组成，本领域技术人员都知道其中正弦波A/2(k+1)sinωt可由sine模块产生，然后通过加法模块获得第二开关管S2的占空比D2,再通过减法模块获得1-D2的差值信号。将1-D2的差值信号输入到第二PWM产生模块。第二PWM产生模块将1-D2的差值信号与步骤2中相同的锯齿波进行比较。当1-D2的差值信号的值大于锯齿波的值时，输出高电平，当1-D2的差值信号的值小于锯齿波的值时，输出低电平，因此第二PWM产生模块即可产生占空比为1-D2先高电平后低电平的驱动信号，对第二PWM产生模块产生的驱动信号取反即可得到先是低电平后是高电平的第二开关管驱动信号CONT2，第二开关管驱动信号CONT2控制着第二开关管S2的导通与关断。第二PWM产生模块输出的驱动信号占空比为1-D2，取反后得到第二开关管驱动信号CONT2的占空比为D2。
步骤4：将第一开关管驱动信号CONT1与第二开关管驱动信号CONT2通过异或门即可得到第三开关管驱动信号CONT3，第三开关管驱动信号CONT3控制着第三开关管S3的导通与关断。
步骤5，将第一开关管驱动信号CONT1、第二开关管驱动信号CONT2和第三开关管驱动信号CONT3分别连接到第一开关管S1的基极、第二开关管S2的基极和第三开关管S3的基极。
步骤6，高增益单相单级无变压器型光伏逆变器根据第一开关管驱动信号CONT1、第二开关管驱动信号CONT2和第三开关管驱动信号CONT3的控制在每个开关周期内依次经历第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式，并循环开关周期。具体为在每个开关周期内，首先第一开关管驱动信号CONT1是高电平，第二开关管驱动信号CONT2是低电平，经过异或门得到第三开关管驱动信号CONT3为高电平，因此第一开关管S1导通、第二开关管S2关闭和第三开关管S3导通，此时高增益单相单级无变压器型光伏逆变器工作状态如图3所示；其次，第一开关管驱动信号CONT1是高电平，第二开关管驱动信号CONT2也是高电平，经过异或门得到第三开关管驱动信号CONT3为低电平，因此第一开关管S1导通、第二开关管S2导通和第三开关管S3关闭，此时高增益单相单级无变压器型光伏逆变器工作状态如图4所示；最后，第一开关管驱动信号CONT1是低电平，第二开关管驱动信号CONT2是高电平，经过异或门得到第三开关管驱动信号CONT3为高电平，因此第一开关管S1关闭、第二开关管S2导通和第三开关管S3导通，此时高增益单相单级无变压器型光伏逆变器工作状态如图5所示。
步骤7，根据第一开关管驱动信号CONT1、第二开关管驱动信号CONT2和第三开关管驱动信号CONT3的循环，使得步骤6得以重复，使得高增益单相单级无变压器型光伏逆变器循环处于第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式，高增益单相单级无变压器型光伏逆变器输出目标交流电。
下面以逆变器的最大增益系数为2，即k＝2,输出电压增益为1.75，即A＝1.75，为例，进行示例性说明。
步骤1，计算第一开关管S1的占空比第二开关管S2的占空比
步骤2，输入第一开关管S1的占空比D1,即常数0.667输入到第一PWM产生模块，其中对第一PWM产生模块设置频率为20kHZ，也即是开关频率，经过第一PWM产生模块得到第一开关管S1的驱动信号CONT1，第一开关管S1的驱动信号CONT1如图6所示。
步骤3，将常数0.667与幅值为0.2917频率为50HZ的正弦信号作差，其中正弦信号由sine模块产生，因为中国交流电的频率为50HZ，所以设置正弦波频率为50HZ。得到第二开关管S2的占空比D2，再将第二开关管S2的占空比D2与常数1作差得到1-D2的差值信号，将1-D2的差值信号输入到第二PWM产生模块并通过非门得到第二开关管驱动信号CONT2，第二开关管驱动信号CONT2如图7所示。
步骤4，将第一开关管驱动信号CONT1与第二开关管驱动信号CONT2通过异或门得到第三开关管驱动信号CONT3，第三开关管驱动信号CONT3如图8所示。
步骤5，将第一开关管驱动信号CONT1、第二开关管驱动信号CONT2和第三开关管驱动信号CONT3分别连接到第一开关管S1的基极、第二开关管S2的基极和第三开关管S3的基极；
步骤6，如图8所示，在第一时间段t1内第一开关管驱动信号CONT1是高电平，第二开关管驱动信号CONT2是低电平，第三开关管驱动信号CONT3为高电平，第一开关管S1导通、第二开关管S2关闭和第三开关管S3导通，此时高增益单相单级无变压器型光伏逆变器为第一工作模式；在第二时间段t2内第一开关管驱动信号CONT1是高电平，第二开关管驱动信号CONT2也是高电平，第三开关管驱动信号CONT3为低电平，因此第一开关管S1导通、第二开关管S2导通和第三开关管S3关闭，此时高增益单相单级无变压器型光伏逆变器工作状态如图4所示；在第三时间段内t3内第一开关管驱动信号CONT1是低电平，第二开关管驱动信号CONT2是高电平，经过异或门得到第三开关管驱动信号CONT3为高电平，因此第一开关管S1关闭、第二开关管S2导通和第三开关管S3导通，此时高增益单相单级无变压器型光伏逆变器工作状态如图5所示。第一时间段t1、第二时间段t2和第三时间段t3的时长相加等于开关周期T。
步骤7，随着第一开关管驱动信号，第二开关管驱动信号和第三开关管驱动信号的循环，步骤6得以循环，高增益单相单级无变压器型光伏逆变器出50HZ的交流电。
本发明的高增益单相单级光伏逆变器输出正弦波，可以实现高增益逆变。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。