一种可抑制漏电流的单相非隔离光伏并网系统

1.本发明涉及一种单相非隔离光伏并网系统，具体涉及一种可抑制漏电流的单相非隔离光伏并网系统。


背景技术：

2.非隔离型光伏并网逆变器使得光伏电池板与大电网之间存在电气连接，当功率器件高频工作产生高频共模电压时，将在逆变器、光伏板寄生电容及电网组成的回路中形成高频共模电流。由于光伏板的面积较大，导致其对地寄生电容很大，通常晶体硅电池对地电容约为150nf/kw。为了提高逆变器的效率，其本身阻抗较低，电网本身阻抗也较低，从而导致共模回路的漏电流有可能超过允许的范围。高频漏电流的存在，不仅会带来传导干扰和辐射干扰，增加进网电流的谐波含量和系统损耗，而且会危及到相关设备和人员的安全。因此，非隔离并网系统的漏电流抑制成为研究的热点。
3.研究表明，为了抑制共模电流，可以考虑改进并网逆变器的拓扑结构或者采用适当的控制策略，对于采用双极性调制的全桥逆变器，在抑制漏电流的同时，系统会产生更多的损耗，使其最高的效率在95％左右；在普通全桥的基础上，提出了一系列抑制漏电流的拓扑，比如h5拓扑、h6拓扑、heric拓扑等，但是这些拓扑都要承受很高的导通损耗，增加散热器的设计难度，不利于系统效率的提高；半桥电路天然具有抑制漏电流的作用，但是由于其电压利用率较低，直流侧需要的输入电压较高，还要考虑两级逆变下逆变器输入电容电压均衡的问题；图1中提出了一种非隔离两级逆变系统，后级采用t型逆变器，然而其前级dc-dc的增益只有增益较为有限。
4.因此，对于目前非隔离并网系统的漏电流抑制方案中，尚存在着抑制效果不彻底、效率有待提高、前级增益有限等问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种可抑制漏电流的单相非隔离光伏并网系统，前级dc-dc变换器在实现升压比可以灵活调整的同时，还保证了输出电容电压的自动均衡，既保证了漏电流的有效抑制，又大大降低了输出交流量的谐波含量和滤波电感的尺寸，提高了系统效率。
6.本发明采取的技术方案为：
7.一种可抑制漏电流的单相非隔离光伏并网系统，该系统包括：
8.光伏电源模块、前级变换电路、后级逆变电路、lcl滤波器、交流电网；
9.光伏电源模块连接前级变换电路，前级变换电路连接后级逆变电路，后级逆变电路连接lcl滤波器，lcl滤波器连接交流电网。
10.所述前级变换电路包括基本cuk变换器、一个正极性拓展单元、两个反极性扩展单元；
11.所述基本cuk变换器包括电感l、l
p1
，电容c
p11
、c
p12
，功率开关s1，二极管d
p1
；
12.电感l一端连接光伏电源模块正极，电感l另一端分别连接功率开关s1漏极、电容cp11
一端，电容c
p11
另一端分别连接二极管d
p1
阳极、电感l
p1
一端，电感l
p1
另一端连接电容c
p12
一端，电容c
p12
另一端、二极管d
p1
阴极、功率开关s1源极均连接光伏电源模块负极；
13.正极性拓展单元包括电容c
p21
，c
p22
，二极管d
p2
，电感l
p2
；
14.电容c
p21
一端连接基本cuk变换器中的电容c
p11
一端，电容c
p21
另一端分别连接二极管d
p2
阳极、电感l
p2
一端，电感l
p2
另一端连接电容c
p22
一端，电容c
p22
另一端、二极管d
p2
阴极均连接基本cuk变换器中的电容c
p12
一端；
15.两个反极性扩展单元中，第一个反极性扩展单元包括电容c
n11
、c
n12
，电感l
n1
，二极管d
n1
；
16.电容c
n11
一端连接基本cuk变换器中的电容c
p11
一端，电容c
n11
另一端分别连接电感l
n1
一端、二极管d
n1
阳极，电感l
n1
另一端分别连接基本cuk变换器中的电容c
p12
另一端、电容c
n12
一端，电容c
n12
另一端连接二极管d
n1
阴极；
17.第一个反极性扩展单元包括电容c
n21
、c
n22
，电感l
n2
，二极管d
n2
；
18.电容c
n21
一端连接基本cuk变换器中的电容c
p11
一端，电容c
n21
另一端分别连接电感l
n2
一端、二极管d
n2
阳极，电感l
n2
另一端分别连接第一个反极性扩展单元中的电容c
n12
另一端、电容c
n22
一端，电容c
n22
另一端连接二极管d
n2
阴极。
19.所述后级逆变电路包括开关管s2～s7、二极管d1、d2；开关管s5漏极连接电容c
p22
一端，开关管s5源极连接开关管s4漏极，开关管s4源极连接开关管s3漏极，开关管s3源极连接开关管s2漏极，开关管s2源极连接电容c
n22
另一端；
20.开关管s5源极连接二极管d2阳极，二极管d2阴极连接二极管d1阳极，二极管d1阴极连接开关管s3源极；
21.二极管d1阳极连接开关管s6源极，开关管s6漏极连接开关管s7漏极，开关管s7源极连接开关管s4源极。
22.开关管s2～s5串联组成一个桥臂，开关管s6的源极与中点a相连，开关管s6的漏极与开关管s7的漏极相连，开关管s7的源极与逆变器输出端相连，二极管d1和d2相互串联，二极管d2的阳极连接开关管s4和开关管s5的交点，二极管的阴极连接开关管s2和s3的交点，电容c
p12
和c
p22
可串联等效为一个输入电容，电容c
n12
和c
n22
也可串联等效为一个输入电容。
23.输出电容(中间电容)电压u
cp12
、u
cp22
、u
cn12
、u
cn22
都等于实现了输出电容电压的自均衡，可得后级逆变器的两个等效输入电容电压都等于输入电容的中点a的电位保持稳定；
24.所述lcl滤波器包括电感l1、l2，电容c1；电感l1一端连接开关管s7源极，电感l1另一端分别连接电容c1一端、电感l2一端，电感l2另一端连接交流电网一端，交流电网另一端、电容c1另一端均连接光伏电源模块负极。
25.本发明系统的共模电流(漏电流)i
cm
为0a。
26.本发明一种可抑制漏电流的单相非隔离光伏并网系统，技术效果如下：
27.1)本发明的后级逆变器采用3l-snpc拓扑，相比传统单相h桥拓扑，降低了开关损耗，减小了电感的使用量，具有更高的效率；相比于传统3l-npc逆变器，3l-snpc拓扑损耗分布均匀，避免了3l-npc逆变器在大功率下由于损耗分布不均带来的散热器设计难度大的问
题；可以适用在大功率场合；相比于传统两电平逆变器，3l-snpc拓扑输出波形谐波含量小，所需滤波器体积、重量小。
28.2)本发明系统采用两级结构，前级的dc-dc变换器起到升压的作用，且其升压比可以通过扩展单元进行调整，其输出电容(中间电容)电压u
cp12
、u
cp22
、u
cn12
、u
cn22
也可以实现自动均衡，保证了后级逆变器等效输入电容电压的自均衡，使得逆变器两输入电容的中点a的电位保持稳定，避免了3l-snpc三电平逆变器因中点电位不平衡导致输出交流量的畸变，同时也省略了后级逆变器对中点电位平衡的控制，从而简化了后级逆变的控制策略。
29.另一方面，后级采用的3l-snpc半桥结构，通过将共模支路短路，既保证了漏电流的有效抑制，又大大降低了输出交流量的谐波含量和滤波电感的尺寸,除此之外，相比于传统3l-npc结构，3l-snpc通过采用合适的控制策略，避免了器件损耗分布不均的问题，同时也提升了开关频率，更适合用于大功率场合。
30.3)3l-snpc三电平逆变器可实现三电平输出，大大降低了输出交流量的谐波含量以及滤波器的体积。相比于单l滤波器结构，本发明采用的三阶lcl滤波器的高频衰减特性更好，其体积、重量、成本以及损耗都得到了大幅降低。
附图说明
31.图1是现有的两级逆变电路图
32.图2是本发明电路图。
33.图3是本发明前级可扩展dc-dc变换器
34.图4(1)是本发明中间总电容电压波形图；
35.图4(2)是本发明后级逆变等效电容电压波形图。
36.图5是本发明并网电压电流波形图。
37.图6是本发明共模电流波形图。
38.图7(1)是传统前级为boost的两级电路图；
39.图7(2)是传统前级为boost方案的漏电流波形图。
具体实施方式
40.如图2所示，一种可抑制漏电流的单相非隔离光伏并网系统，该系统包括：光伏电源模块、前级变换电路、后级逆变电路、lcl滤波器、交流电网。光伏电源模块连接前级变换电路，前级变换电路连接后级逆变电路，后级逆变电路连接lcl滤波器，lcl滤波器连接交流电网。c
pv
为光伏板寄生电容，zg为电网接地点与逆变器机壳接地点间的地阻抗。
41.系统采用两级结构，前一级为反极性输出的dc-dc变换器，起到升压的作用,同时其升压比可以通过扩展模块来进行调整，其输出电压可以也实现自均衡；前级变换器在电感l的电流连续导通时，其占空比可以在0至1之间变化，根据功率开关状态的不同，可以将电路分为2种工作状态：
42.1：功率开关s1导通，二极管d
p1
、d
p2
、d
n1
、d
n2
均关断，此时电感l、l
p1
、l
p2
、l
n1
、l
n2
、电容c
p12
、c
p22
、c
n12
、c
n22
充电，电容c
p11
、c
p21
、c
n11
、c
n21
放电；电感l、l
p1
、l
p2
、l
n1
、l
n2
端电压如下式所示：
[0043][0044]
2：功率开关s1关断，二极管d
p1
、d
p2
、d
n1
、d
n2
均导通，此时电感l、l
p1
、l
p2
、l
n1
、l
n2
、电容c
p12
、c
p22
、c
n12
、c
n22
放电，电容c
p11
、c
p21
、c
n11
、c
n21
充电；电感l、l
p1
、l
p2
、l
n1
、l
n2
端电压如下式所示：
[0045][0046]
由其工作模态可得，该dc-dc变换器可以实现四个输出电容(中间电容)上的电压u
cp12
、u
cp22
、u
cn12
、u
cn22
实现了自动均衡，且都等于如图4(1)、图4(2)所示，可得后级3l-snpc的两个等效输入电压均等于使得后级逆变输入电容中点电压稳定，避免了3l-snpc三电平逆变器因输入电容中点电位不平衡导致输出交流量的畸变，同时也省略了后级逆变器对中点电位平衡的控制，大大简化了后级逆变的控制策略。
[0047]
除此之外，如图3所示，所提dc-dc变换器还具有灵活扩展以改变增益的优点，以正极性拓展单元为例，它包括电容c
p21
、c
p22
，二极管d
p2
，电感l
p2
；
[0048]
各个同极性扩展单元之间的连接形式如下：
[0049]
1《i≤m-1，第i-1个同极性扩展单元中二极管d
pi
与第i个同极性扩展单元中电容c
p(i+1)1
的另一端相连，第i-1个同极性扩展单元中电容c
pi2
的一端与i个同极性扩展单元中电容c
p(i+1)1
的一端相连。
[0050]
各个反极性扩展单元之间的连接形式如下：
[0051]
1《j≤n，第j个扩展单元中电容c
nj1
的一端与第j-1个反极性扩展单元中二极管d
n(j-1)
的阴极和电容c
n(j-1)1
另一端的交点相连。电容c
n2
一端与第j-1个扩展单元中电容c
n(j-1)2
一端相连；进而得到，扩展到含有m-1个同极性扩展单元和n个反极性扩展单元时，同极性输出增益为：反极性输出增益为：后级逆变器包含4个电容c
p12
、c
p22
、c
n12
、c
n22
，2个二极管d1和d2，6个开关管s2～s7，s2～s5串联组成一个桥臂，s6的源极与中点a相连，漏极与s7的漏极相连，s7的源极与逆变器输出端相连，二极管d1和d2相互串联，d2的阳极连接s4和s5的交点，d1的阴极连接s2和s3的交点，电容c
p12
和c
p22
可串联等效为一个输入电容，电容c
n12
和c
n22
也可串联等效为一个输入电容；逆变器输出后连接lcl滤波器，
电感l2与电网相连，电网另一端与光伏板负极相连，如图5所示，得到并网电流和电网电压同相位，可实现单位功率因数运行。
[0052]
3l-snpc三电平逆变共有三种模态，其中“0”状态有四种实现路径：
[0053]
a)“1”状态：
[0054]
s2、s3、s7导通，s4、s5、s6关断，二极管d1、d2均关断，逆变器输出正电平；
[0055]
b)“0”状态：
[0056]“01‑”路径：
[0057]
s4、s7导通，s2、s4、s5、s6关断，二极管d2导通，d1关断，逆变器输出零电平；
[0058]“02‑”路径：
[0059]
s3、s5、s6导通，s2、s4、s7关断，二极管d1导通，d2关断，逆变器输出零电平；
[0060]“0
3+”路径：
[0061]
s3、s6导通，s2、s4、s5、s7关断，二极管d1导通，d2关断，逆变器输出零电平；
[0062]“0
4+”路径：
[0063]
s2、s4、s7导通，s3、s5、s6关断，二极管d2导通，d1关断，逆变器输出零电平；
[0064]
c)
“‑
1”状态：
[0065]
s4、s5、s6导通，s2、s3、s7关断，二极管d1、d2均关断，逆变器输出负电平。
[0066]
在图2中红色导线的作用下，绿色的共模支路被短路，如图6所示共模电流i
cm
为0a，从而达到了有效抑制共模电流的目的。
[0067]
图7(1)是传统方案，前级为boost、后级为3l-snpc三电平逆变结构，从图7(2)的漏电流波形可以看到，基于传统boost方案下的两级系统，对漏电流的抑制效果并没有本发明所提出的方案有效。
[0068]
如图3所示，本发明前级dc-dc变换器可以通过扩展单元来灵活改变增益的特点，其中，各个同极性扩展单元之间的连接形式如下：
[0069]
1《i≤m-1，第i-1个同极性扩展单元中二极管d
pi
与第i个同极性扩展单元中电容c
p(i+1)1
的另一端相连，第i-1个同极性扩展单元中电容c
pi2
的一端与i个同极性扩展单元中电容c
p(i+1)1
的一端相连。
[0070]
各个反极性扩展单元之间的连接形式如下：1《j≤n，第j个扩展单元中电容c
nj1
的一端与第j-1个反极性扩展单元中二极管d
n(j-1)
的阴极和电容c
n(j-1)1
另一端的交点相连。电容c
n2
一端与第j-1个扩展单元中电容c
n(j-1)2
一端相连；进而得到，扩展到含有m-1个同极性扩展单元和n个反极性扩展单元时，同极性输出增益为：反极性输出增益为：