共正极DC/DC变换器及其共正族组建的光伏逆变系统的制作方法

本发明涉及光伏电路技术领域，特别是涉及一种共正极dc/dc变换器及其共正族组建的光伏逆变系统。

背景技术：

随着光伏行业的不断发展，逆变器的功率等级不断增大，降低系统成本、减小系统损耗已经成为研究逆变器健康可持续发展的重要研究方向。截至目前，市场上现有的集中式、集散式及组串式等逆变器多采用提升系统电压的方式降低系统电流，减小损耗，降低成本。同时，随着提升光伏逆变器系统电压等级，抑制光伏板pid效应(potentialinduceddegradation)又称电势诱导衰减效应方案成为重点关注的对象。

传统的光伏逆变器系统为了降低现有功率线缆的成本及系统硬件成本，采用母线中点(bus_m)接地的方式降低直流侧对地的安规等级。如果采用传统dc/dc变换器的方式，其负极对地形成负高压，电压值为半母线电压，其问题在于此系统正负极(bus+bus-)不允许接地，一旦出现接地故障此时直流侧对地的电压为全母线电压，将会超出传统安规设计。因此，无法采取传统负极接地的方式抑制光伏板的pid效应。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种共正极dc/dc变换器及其共正族组建的光伏逆变系统，可在有效抑制光伏板的pid效应的基础上，进一步降低系统成本兼具可靠性，可应用于集散式、组串式等光伏逆变器系统中。

为实现上述目的，本发明提供了一种共正极dc/dc变换器，用于光伏逆变器系统，包括光伏连接单元、开关控制单元、储能单元、极性输出控制单元和逆变连接单元；所述开关控制单元的一端和所述逆变连接单元的母线正极端均与所述光伏连接单元的光伏正极端电性连接，所述光伏连接单元的光伏负极端与所述储能单元的一端电性连接，所述储能单元的另一端和所述极性输出控制单元的负极端均与所述开关控制单元的另一端电性连接，所述极性输出控制单元的正极端与所述逆变连接单元的母线负极端电性连接，所述逆变连接单元的母线正极端和母线负极端的中点接地。

优选地，所述光伏连接单元包括光伏电容，所述开关控制单元包括开关管，所述储能单元包括电感线圈，所述极性输出控制单元包括二极管，所述逆变连接单元包括至少一个逆变电容；所述光伏电容一端与所述光伏正极端电性连接，所述逆变电容的一端与所述母线正极端电性连接，所述光伏正极端和母线正极端都与所述开关管的集电极端电性连接；所述光伏电容的另一端与所述光伏负极端电性连接，所述电感线圈的一端与所述光伏负极端电性连接；所述电感线圈的另一端和所述开关管的发射极端都与所述二极管的负极端电性连接；所述逆变电容的另一端与所述母线负极端电性连接，所述二极管的正极端与所述母线负极端电性连接；所述逆变电容的中点接地。

优选地，所述逆变电容包括至少两个第一电容和第二电容，所述第一电容和所述第二电容串联连接后中点接地。

为实现上述目的，本发明提还提供了一种共正族dc/dc变换器组建的光伏逆变系统，包括光伏组串和逆变单元以及至少一个共正极dc/dc变换器，所述光伏组串的两端分别与所述共正族dc/dc变换器的光伏正极端和光伏负极端电性连接，所述逆变单元的两端分别与所述共正族dc/dc变换器的母线正极端和母线负极端电性连接，所述逆变单元的两端母线中点接地。

优选地，所述逆变单元的两端母线中点进一步设置第一可控电路单元和漏电流检测单元，所述第一可控电路单元一端与所述母线中点电性连接，所述第一可控电路单元的另一端接地之间设置所述漏电流检测单元。

优选地，所述第一可控电路单元包括第一直流接地开关和第一直流电阻，所述第一直流接地开关的一端与母线中点电性连接，所述第一直流接地开关的另一端与所述第一直流电阻的一端电性连接，所述第一直流电阻的另一端接地之间进一步电性连接所述漏电流检测单元。

优选地，所述逆变单元侧进一步并网变压器，所述变压器的中性点和所述逆变单元的母线中点电性连接后，进一步设置第二可控电路单元，所述第一可控电路单元一端与所述变压器的中性点和所述逆变单元的母线中点电性连接，所述第二可控电路单元的另一端接地。

优选地，所述第二可控电路单元包括第二交流接地开关和第二直流电阻，所述第二交流接地开关的一端与所述变压器的中性点电性连接，所述第二交流接地开关的另一端与所述第二直流电阻的一端电性连接，所述第二直流电阻的另一端接地。

优选地，所述第二直流电阻的另一端与地之间进一步电性连接所述漏电流检测单元。

优选地，所述漏电流检测单元包括霍尔传感器，以迅速检测系统漏电流故障。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、一种共正极dc/dc变换器，对于1000v系统、1200v系统、1500v系统、2000v系统、3000v系统以及更高等级的光伏逆变器系统均具备保护能力，并且还能有效抑制光伏板pid效应。

2、第一可控电路单元配合母线中点接地的方式既降低直流侧的安规等级，又能通过漏电流检测单元降低出现接地故障引发的光伏逆变系统损坏的风险。

3、共正族dc/dc变换器配合第一直流电阻可控接地的光伏逆变系统既可以抑制光伏板的pid效应，又可通过第一直流电阻接地的方式，防止系统出现接地故障时，直流侧对地产生长时间的持续高压损坏系统的情况，并且该光伏逆变系统通过霍尔传感器迅速检测接地故障并对故障进行处理。

4、共正族dc/dc变换器组建的光伏逆变系统同样适用于1000v-3000v以及更高电压等级的光伏逆变器系统，对于1000v系统、1200v系统、1500v系统、2000v系统、3000v系统以及更高等级的光伏逆变器系统均具备保护能力，并且还能有效抑制光伏板pid效应。

5、通过控制第二可控电路单元控制交流中性点经过电阻接地间接保证直流正负极对地电势相等。在逆变单元启动前直流侧可控接地，当逆变单元并网后直流侧接地，断开交流侧可控接地，确保整个光伏系统在并网过程和离网过程中，整个系统的正负对地电压为整个母线电压的一半，可以降低直流侧的安规等级，降低设计成本。

6、当出现接地故障时，霍尔传感器能够有效检测接地故障并且通过第一直流电阻r1接地，释放直流侧对地的高压。且在逆变单元启动前直流侧可控接地，通过直流侧霍尔检测直流侧接地故障；当逆变单元并网后，直流侧接地断开，交流侧可控接地，通过交流侧霍尔检测整个系统的接地故障。交直流可控接地的方式确保光伏系统在并网过程和离网过程中都可对接地故障进行检测并处理。

7、共正族dc/dc变换器配合交直流接地光伏逆变器系统，同样适用于1000v-3000v以及更高电压等级的光伏逆变器系统，对于1000v系统、1200v系统、1500v系统、2000v系统、3000v系统以及更高等级的光伏逆变器系统均具备保护能力，并且还能有效抑制光伏板pid效应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例的结构示意图；

图2是本发明第二实施例的单个共正极dc/dc变换器组建的光伏逆变系统结构应用示意图；

图3是本发明第二实施例的若干共正极dc/dc变换器构成的共正族dc/dc变换器组建的光伏逆变系统结构示意图；

图4是本发明第二实施例基于图4的进一步结构示意图；

图5是本发明第三实施例基于图5的交直流并网系统结构示意图。

附图标记说明：

1、光伏连接单元；2、开关控制单元；3、储能单元；4、极性输出控制单元；5、逆变连接单元；6、光伏组串；7、逆变单元；8、第一可控电路单元；9、漏电流检测单元；10、第二可控电路单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的“上”“下”“左”“右”“前”“后”“侧”等方位词是针对提供的附图作相对的位置说明，并不是用于描述实际产品特定顺序。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种共正极dc/dc变换器，用于光伏逆变器系统，该dc/dc变换器包括光伏连接单元1、开关控制单元2、储能单元3、极性输出控制单元4和逆变连接单元5。开关控制单元2的一端和逆变连接单元5的母线正极端bus+均与光伏连接单元1的光伏正极端pv+电性连接，光伏连接单元1的光伏负极端pv-与储能单元3的一端电性连接，储能单元3的另一端和极性输出控制单元4的负极端均与开关控制单元2的另一端电性连接，极性输出控制单元4的正极端与逆变连接单元5的母线负极端bus-电性连接，逆变连接单元5的母线正极端bus+和母线负极端bus-的中点bus_m接地，该共正极dc/dc变换器应用于1000v-3000v以及更高电压等级的光伏逆变器系统，具体可为1000v、1200v、1500v、2000v、2500v以及3000v。对于1000v系统、1200v系统、1500v系统、2000v系统、3000v系统以及更高等级的光伏逆变器系统均具备保护能力，并且还能有效抑制光伏板pid效应。

为了便于理解，请继续参阅图1，第一实施例提供一种具体的电路原理，光伏连接单元1包括光伏电容，开关控制单元2包括开关管，具体地，开关管为mos管，储能单元3包括电感线圈，极性输出控制单元4包括二极管，逆变连接单元5包括至少一个逆变电容。

光伏电容一端与光伏正极端pv+电性连接，逆变电容的一端与母线正极端bus+电性连接，光伏正极端pv+和母线正极端bus+都与开关管的集电极端电性连接；光伏电容的另一端与光伏负极端pv-电性连接，电感线圈的一端与光伏负极端pv-电性连接；电感线圈的另一端和开关管的发射极端都与二极管的负极端电性连接；逆变电容的另一端与母线负极端bus-电性连接，二极管的正极端与母线负极端bus-电性连接；逆变电容的电容值平均中点接地。

为了能够清晰说明上述电路原理，本发明对该dc/dc变换器进行数学剖析，则可以得出该共正极dc/dc变换器的pv-对地的电压差值为(式1.1)，在dc/dc变换器的输出电压大于2倍的输入电压时，其光伏负极端pv-对地为正压。因此，共正极dc/dc变换器组建的光伏逆变器系统具有抑制光伏板pid效应的自然优势。

其中，vpv-为光伏负极端pv-的电压，vpgnd为该变换器的接地电压，vbus+为母线正极端bus+的电压，vbus-为母线负极端bus-的电压，vpv+为光伏正极端pv+的电压。

进一步地，上述具体电路原理中的逆变电容包括至少两个第一电容和第二电容，第一电容和第二电容串联连接后中点接地。

请参阅图2-图3，根据第一实施例的一种共正极dc/dc变换器，本发明的第二实施例提供一种共正族dc/dc变换器组建的光伏逆变系统，其包括若干光伏组串6和逆变单元7以及至少一个共正极dc/dc变换器，光伏组串6的两端分别与共正族dc/dc变换器的光伏正极端pv+和光伏负极端pv-电性连接，逆变单元7的两端分别与共正族dc/dc变换器的母线正极端bus+和母线负极端bus-电性连接，逆变单元7的两端母线中点bus_m接地。

具体地，图2为使用单个共正极dc/dc变换器组建的光伏逆变系统，应用于母线电压1000v-3000v以及更高电压等级的光伏逆变系统；图3为使用若干共正极dc/dc变换器构成的共正族dc/dc变换器组建的光伏逆变系统。

请参阅图4，第二实施例提供的逆变单元7的两端母线中点bus_m进一步设置第一可控电路单元8和漏电流检测单元9，第一可控电路单元8一端与母线中点bus_m电性连接，第一可控电路单元8的另一端接地之间设置漏电流检测单元9。第一可控电路单元8配合母线中点bus_m接地的方式既降低直流侧的安规等级，又能通过漏电流检测单元9降低出现接地故障引发的光伏逆变系统损坏的风险。

具体地，第一可控电路单元8包括第一直流接地开关sw1和第一直流电阻r1，第一直流接地开关sw1的一端与母线中点bus_m电性连接，第一直流接地开关sw1的另一端与第一直流电阻r1的一端电性连接，第一直流电阻r1的另一端接地，通过控制第一直流接地开关sw1实现母线中点bus_m经过第一直流电阻r1接地，保证整个系统的正负对地电压为整个母线电压的一半，可以降低直流侧的安规等级。进一步地，第一直流电阻r1的另一端接地之间电性连接漏电流检测单元9，在发生接地故障时能通过漏电流检测单元9迅速检测到漏电流故障。具体地，该漏电流检测单元9包括霍尔传感器，以迅速检测系统直流侧漏电流故障。

共正族dc/dc变换器配合第一直流电阻r1可控接地的光伏逆变系统既可以抑制光伏板的pid效应，又可通过第一直流电阻r1接地的方式，防止系统出现接地故障时，直流侧对地产生长时间的持续高压损坏系统的情况，并且该光伏逆变系统通过霍尔传感器迅速检测接地故障并对故障进行处理。

如图4所示，第二实施例提供的共正族dc/dc变换器组建的光伏逆变系统同样适用于1000v-3000v以及更高电压等级的光伏逆变器系统，具体可为1000v、1200v、1500v、2000v、2500v以及3000v。对于1000v系统、1200v系统、1500v系统、2000v系统、3000v系统以及更高等级的光伏逆变器系统均具备保护能力，并且还能有效抑制光伏板pid效应。

请参阅图5，根据第二实施例提供的共正族dc/dc变换器组建的光伏逆变系统，本发明第三实施例与第二实施例的区别在于，在该逆变单元7侧进一步并网变压器t1，利用光伏逆变系统正常并网后其交流中性点与逆变单元7直流母线中点bus_m等电位的原理。变压器t1的中性点和逆变单元7的母线中点bus_m电性连接后，进一步设置第二可控电路单元10，第一可控电路单元8一端与变压器t1的中性点和逆变单元7的母线中点bus_m电性连接，第二可控电路单元10的另一端接地。通过控制第二可控电路单元10控制交流中性点接地，间接保证直流正负极对地电势相等。

在逆变单元7启动前直流侧可控接地，当逆变单元7并网后直流侧接地，断开交流侧可控接地，确保整个光伏系统在并网过程和离网过程中，整个系统的正负对地电压为整个母线电压的一半，可以降低直流侧的安规等级，降低设计成本。

第二可控电路单元10包括第二交流接地开关sw2和第二直流电阻r2，第二交流接地开关sw2的一端与变压器t1的中性点电性连接，第二交流接地开关sw2的另一端与第二直流电阻r2的一端电性连接，第二直流电阻r2的另一端接地。

光伏系统并网前，dc/dc变换器启动过程中先闭合第一直流接地开关sw1，经过第一直流电阻r1接地，保证dc/dc变换器升压过程中直流正负对地均压，当dc/dc变换器升压到满足逆变单元7母线并网条件时，逆变单元7启动并网后，闭合第二交流接地开关sw2，断开第一直流接地开关sw1，通过逆变单元7母线中点bus_m与交流中性点等电位的原理，间接保证直流正负极对地电势相等。此光伏逆变系统通过交直流接地既可降低直流侧对地的安规等级，降低系统成本，并且配合共正族dc/dc变换器有效抑制了光伏板的pid效应。

第二直流电阻r2的另一端与地之间连接漏电流检测单元9，在发生接地故障时能通过漏电流检测单元9迅速检测到漏电流故障。具体地，该漏电流检测单元9包括霍尔传感器，以迅速检测系统交流侧漏电流故障。

当出现接地故障时，霍尔传感器能够有效检测接地故障并且通过第一直流电阻r1接地，释放直流侧对地的高压。且在逆变单元7启动前直流侧可控接地，通过直流侧霍尔检测直流侧接地故障；当逆变单元7并网后，直流侧接地断开，交流侧可控接地，通过交流侧霍尔检测整个系统的接地故障。交直流可控接地的方式确保光伏系统在并网过程和离网过程中都可对接地故障进行检测并处理。

两种霍尔传感器方案的结合可有效监测该系统的接地故障，并且在发生接地故障时，还可通过第一直流电阻r1接地的方案可以释放直流侧电压，防止直流侧对地出现长时间持续高压，降低了在发生接地故障损坏逆变单元7的风险。

如图5所示，共正族dc/dc变换器配合交直流接地光伏逆变器系统同样适用于1000v-3000v以及更高电压等级的光伏逆变器系统，具体可为1000v、1200v、1500v、2000v、2500v以及3000v。对于1000v系统、1200v系统、1500v系统、2000v系统、3000v系统以及更高等级的光伏逆变器系统均具备保护能力，并且还能有效抑制光伏板pid效应。

本发明的核心在于：共正族dcdc变换器组建的光伏逆变系统，在光伏逆变系统并网工作时，其光伏板负极输入电压(pv-)与bus_m(pgnd)的电势差为正，此特点可直接抑制光伏板的pid效应，且dc/dc变换器的升压能力越强，抑制pid的效果越显著。此种共正族dcdc变换器配合图3和图4组建的光伏逆变系统不仅可以抑制光伏板的pid效应还可以使直流侧对地电压为系统电压的一半，降低直流侧对地的安规等级，降低系统的设计成本，同时该系统配置漏电流检测单元，在系统发生接地故障时可以快速反应通过电阻释放直流侧对地的高压保证系统安全。

以上所述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；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，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。