一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器及其控制方法，该逆变器由光伏电池阵列模块、五个功率开关管、两个功率二极管、两个相同的直流储能电感、两个相同的滤波电感和一个滤波电容组成。本发明逆变器拓扑无需电解电容，使用寿命较长，可以实现单级逆变并网；在五个功率开关管中，四个功率开关管处于工频模式，一个功率开关管处于高频模式，且任意时刻只有一个功率开关管处于高频模式，大大降低了功率开关管的损耗，系统效率较高；该并网逆变器采用基于面积等效原理的PWM调制策略，在保证并网电流质量的前提下，有效降低了直流储能电感感值，减小了系统的体积与成本；该拓扑及其控制方法可以保证共模电压恒定，从而有效减小漏电流。
【专利说明】
-种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于光伏并网发电领域，尤其设及一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆 变器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 光伏并网发电大都采用低频变压器隔离的方式实现，隔离型并网可W实现电网和 光伏电池电气隔离，保障人身安全，同时可W提供电压匹配、抑制进网电流直流分量和简单 有效地消除漏电流。但是，低频变压器增加了系统的体积、重量和成本，降低了变换效率。因 此，不含有变压器的非隔离式并网发电方式凭借自身变化效率高、体积小、重量轻和成本低 的绝对优势，迅速得到各国科研人员的重视和工业界的关注。但是，变压器的消除使得光伏 电池和电网之间有了电气连接，运很可能导致漏电流的大幅增加，其产生的根源在于光伏 系统和大地之间存在寄生电容，高频的漏电流会对周围设备造成严重的传导和福射干扰、 增加并网电流谐波W及系统损耗，甚至危及设备和人身安全。因此，漏电流的消除是非隔离 式并网逆变器得W广泛应用而必须要解决的问题，研究消除漏电流的方法对光伏并网发电 的发展将有重要的意义。
[0003] 目前，市场上的逆变器主要采用电压型逆变拓扑结构，运种逆变器是一种降压性 逆变器，即直流侧电压一定要大于交流侧输出电压的峰值，然而光伏电池板输出的电压等 级较低，不能直接进行并网发电，因此往往在前级加入boost升压电路，得到一个较高的直 流侧电压后再进行并网，运样就增加了一级的功率变换，使系统结构变得复杂，控制困难， 转换效率低。
[0004] 电流型逆变器与电压型逆变器是互为对偶的逆变器，电流型逆变器在光伏并网系 统中的应用与电压型逆变器相比，其主要优点在于：（1)电流型逆变器本身具有升压特性， 可实现单级升压逆变；（2)电流型并网逆变器中，CL滤波器是滤除开关谐波的最佳结构，相 比于电压型的LCL滤波器，CL滤波器本身就是一个稳定的二阶系统，参数和结构选取简单， 滤波效果好；（3)电流型逆变器采用电感作为储能元件，使用寿命更长；（5)电流型光伏并网 逆变器中在发生过流和短路保护时更容易得到及时的保护，可靠性较高。
[0005] 单相电流型逆变器的缺点在于直流电流波动较大，其波动频率为电网频率的两 倍，运直接导致并网电流中含有较高的Ξ次谐波，严重影响了电网电流质量，为了使直流电 流尽可能的平滑，往往在直流侧串入较大感值的直流电感，导致系统体积增大，成本升高， 效率降低。
[0006] 因此，寻求一种可W有效抑制漏电流并且有着较高并网电流质量的无变压器单相 电流型逆变器十分重要，对于建设节约型社会具有重要的意义。
【发明内容】
[0007] 本发明克服了现有技术中的缺点，提供一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变 器，同时提出一种基于面积等效原理的PWM控制方法。
[000引为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过w下技术方案实现的：
[0009] -种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器，该逆变器的拓扑结构包括光伏电池 阵列模块、五个功率开关管、两个功率二极管、两个相同的直流储能电感、两个相同的滤波 电感和一个滤波电容组成;第一直流储能电感的一端与光伏电池阵列模块的端相接，其 另一端分别与第五功率开关管的阳极和第一功率二极管的阳极连接;第二直流储能电感的 一端与光伏电池阵列模块的端相接，其另一端分别与第五功率开关管的阴极和第二功 率二极管的阴极连接;第一功率二极管的阴极分别与第一功率开关管的阳极和第Ξ功率开 关管的阳极连接;第二功率二极管的阳极分别与第二功率开关管的阴极和第四功率开关管 的阴极连接;滤波电容的V'端与第一功率开关管的阴极和第二功率开关管的阳极连接，滤 波电容的端与第Ξ功率开关管的阴极和第四功率开关管的阳极连接，第一滤波电感的 一端与滤波电容的端相接，其另一端与电网的V'端连接;第二滤波电感的一端与滤波 电容的端相接，其另一端与电网的端连接。
[0010] 所述一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器的控制方法，该控制方法具体包 括如下内容：
[0011] 在并网电流正半周期内，第一功率开关管和第四功率开关管一直导通，第二功率 开关管和第Ξ功率开关管一直关断，第五功率开关管采用基于面积等效原理的PWM调制控 制其导通或关断；当第五功率开关管关断时，并网电流的路径为:光伏电池阵列模块V'端 ^第一直流储能电感^第一功率二极管^第一功率开关管^第一滤波电感^电网^第二 滤波电感^第四功率开关管^第二功率二极管^第二直流储能电感^光伏电池阵列模块 端^光伏电池阵列模块V'端；当第五功率开关管导通时，并网电流的路径为:第一滤波 电容的V'端^第一滤波电感^电网^第二滤波电感^第一滤波电容的端^第一滤波 电容的V'端；
[0012] 在并网电流负半周期内，第一功率开关管和第四功率开关管一直关断，第二功率 开关管和第Ξ功率开关管一直导通，第五功率开关管采用基于面积等效原理的PWM调制控 制其导通或关断；当第五功率开关管关断时，并网电流的路径为:光伏电池阵列模块V'端 ^第一直流储能电感^第一功率二极管^第Ξ功率开关管^第二滤波电感^电网^第一 滤波电感^第二功率开关管^第二功率二极管^第二直流储能电感^光伏电池阵列模块 端^光伏电池阵列模块V'端；当第五功率开关管导通时，并网电流的路径为:第一滤波 电容的端^第二滤波电感^电网^第一滤波电感^第一滤波电容的端^第一滤波 电容的端。
[0013] 第五功率开关管采用基于面积等效原理的PWM控制策略，其调制机制如下：
[0014] 载波采用高频的Ξ角载波，调制波信号为
[0015]
[0016] 其中IV为光伏电池板输出的直流电压，Ug为电网电压峰值，ω为电网基波角频率， L为直流侧储能电感感值，Cf为滤波电容容值，I。为直流侧电感电流的直流分量。
[0017] 本发明的一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器，属于电流型逆变器，具有 升压特性，即光伏电池阵列模块的输出电压IV无需经过升压变换后再接到逆变器输入端， 它可在低于交流电压峰值情况下实现并网逆变。
[0018] 由于采用上述技术方案，本发明提出的一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变 器及其控制方法，与现有技术相比，具有运样的有益效果：
[0019] (1)该拓扑无需电解电容，使用寿命较长，可W实现单级逆变并网；
[0020] (2)五个功率开关管中，四个功率开关管处于工频模式，一个功率开关管处于高频 模式，且任意时刻只有一个功率开关管处于高频模式，大大降低了功率开关管的损耗，系统 效率较高；
[0021] (3)该并网逆变器采用基于面积等效原理的PWM调制策略，在保证并网电流质量的 前提下，有效降低了直流储能电感感值，减小了系统的体积与成本；
[0022] (4)该拓扑及其控制方法可W保证共模电压恒定，从而有效减小漏电流。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器拓扑结构；
[0024] 图2为本发明的一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器一个周期中功率开关 管的驱动波形；
[0025] 图3为本发明工作模式1;
[0026] 图4为本发明工作模式2;
[0027] 图5为本发明工作模式3;
[002引图6为本发明工作模式4;
[0029] 图7为直流电感电流波动较大时，逆变器采用基于面积等效原理的调制策略，输出 电流滤波前与滤波后波形；
[0030] 图8为本发明的一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器闭环系统控制框图；
[0031] 图9为本发明的一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器直流电感电流与并网 电流仿真图；
[0032] 图10为本发明的一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器寄生电容两端电压 与共模电流仿真图。
【具体实施方式】
[0033] 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。
[0034] 图1所示为本发明的一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器拓扑结构，它主 要由光伏电池阵列模块、五个功率开关管、两个功率二极管、两个相同的直流储能电感、两 个相同的滤波电感和一个滤波电容组成;第一直流储能电感^的一端与光伏电池阵列模块 的端相接，其另一端分别与第五功率开关管S5的阳极和第一功率二极管化的阳极连接； 第二直流储能电感L2的一端与光伏电池阵列模块的端相接，其另一端分别与第五功率 开关管S5的阴极和第二功率二极管化的阴极连接;第一功率二极管化的阴极分别与第一功 率开关管Si的阳极和第Ξ功率开关管S3的阳极连接;第二功率二极管化的阳极分别与第二 功率开关管S2的阴极和第四功率开关管S4的阴极连接;滤波电容Cf的V'端与第一功率开关 管Si的阴极和第二功率开关管S2的阳极连接，滤波电容Cf的端与第Ξ功率开关管S3的阴 极和第四功率开关管S4的阳极连接，第一滤波电感Lfi的一端与滤波电容的V'端相接，其另 一端与电网的V'端连接;第二滤波电感Lf2的一端与滤波电容Cf的端相接，其另一端与 电网的端连接。
[0035] 通过适当控制，保证并网电流和并网电压同频同相，实现单位功率因数并网运行。 Cpv为光伏和地之间的寄生电容，其容值与外部环境条件、光伏电池板尺寸结构等因素有关， 一般在50~150nF/kW左右。
[0036] 所述一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器的控制方法，该控制方法具体包 括如下内容：
[0037] 在图2中，当本发明的光伏并网逆变器工作在并网电流正半周期内，第一功率开关 管Si和第四功率开关管S4-直导通，第二功率开关管S2和第Ξ功率开关管S3-直关断，第五 功率开关管S5采用基于面积等效原理的nm调制控制其导通或关断;在图3中，当第五功率 开关管S 5关断时，L'V= i/2 sin(W +疗)]，即光伏系统寄生电容CP V两端电压为 ]/2[(y,,". sin(M + i/W，此时共模电压Ucm=Upv/2;在图4中，当第五功率开关管S5导通时， 仁、,(放/ +的]，:即光伏系统寄生电容Cpv两端电压为l/2p7p,/-i/,"sin(城+钩]，： 此时共模电压U?=Upv/2;
[0038] 当本发明的光伏并网逆变器工作在并网电流负半周期内，第二功率开关管S2和第 Ξ功率开关管S3-直导通，第一功率开关管Si和第四功率开关管S4-直关断，第五功率开关 管S5采用基于面积等效原理的PWM调制控制其导通或关断;在图5中，当第五功率开关管S5关 断时，L'V二1/2仪-L/,,,sin(w/ +如]，即光伏系统寄生电容C P V两端电压为 1/2的v-{JwSm(wM-口)]，化时共模电压Ucm = Upv/2;在图帥，当第五功率开关管S5导通时， 巧1.。二V2[[V-凸轉+ 口)]，即光伏系统寄生电容Cpv两端电压为1/2[^,。.-^?1.加(减+础， 此时共模电压U?=Upv/2。
[0039] 表1中列出了 4个工作模式的开关状态和对应的Cpv两端电压W及共模电压。其中 Um、梦和ω分别为电网电压的幅值，相位和频率，ON代表开关导通，OFF代表开关关断。
[0040] 表1不同工作模式下共模电压对照表
[0041]
[0042] 由表1可知，共模电压恒定，寄生电容Cpv两端电压不含高频分量，由于系统漏电流 ileak = CpV(加 CpvMt)，根据上述分析可知，该拓扑可W有效减小漏电流。
[0043] 对于单相电流型逆变器，直流电感电流带有一定的波动，其波动频率为电网频率 的二倍，即1加）=1。+1(3111(2〇*+(1))化为交流分量幅值），运时如果采用8?￥1调制策略，电 感电流中的交流分量会馈送到电网中，使并网电流含有大量的Ξ次谐波，严重影响了并网 电流质量。
[0044]本发明中的第五功率开关管S5采用基于面积等效原理的pmi调制策略，在直流电 感电流存在较大波动的情况下，使逆变器输出的脉冲电流面积与所希望输出的正弦波在相 应区间内的面积仍保持相等，运样就消除了电感电流的二倍频脉动对并网电流的影响，保 证了并网电流质量，此时第五功率开关管S5采用的调制波不为正弦波，而是
[0048] 由W上可W看出，采用本发明后，在保证并网电流质量的前提下，允许直流电感电 流存在一定的波动，因而可W有效地降低直流电感感值。
[0049] 图8所示为本发明提供的系统闭环控制框图，但不作为本发明的限定，首先采集光 伏电池板输出电压IV与输出电流Ipv，经过MPPT后给出参考电流I。，经过反馈调节后与调制 波r(t)相乘得到并网给定电流，与并网反馈电流做调节后再与Ξ角波做比较得到PWM脉冲， 然后将得到的脉冲分配给各个开关管，调制波信号为
[(K)加 ]
[0051 ]其中化V为光伏电池板输出的直流电压，Ug为电网电压峰值，ω为电网基波角频率， L为直流侧电感感值，Cf为滤波电容容值，I。为直流侧电感电流的直流分量，即ΜΡΡΤ给定的直 流侧参考电流。
[0052] 图9所示为本发明的光伏逆变器直流电感电流与并网电流仿真图，可W看出直流 电感电流存在较大波动，但是并网电流依然保持较好的正弦。
[0053] 图10所示为本发明的光伏逆变器寄生电容两端电压与共模电流仿真图，可W看出 寄生电容两端电压不含高频分量，验证了表1的分析，漏电流很小。
【主权项】
1. 一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器，其特征在于：该逆变器的拓扑结构包 括光伏电池阵列模块、五个功率开关管、两个功率二极管、两个相同的直流储能电感、两个 相同的滤波电感和一个滤波电容组成；第一直流储能电感的一端与光伏电池阵列模块的 "+"端相接，其另一端分别与第五功率开关管的阳极和第一功率二极管的阳极连接;第二直 流储能电感的一端与光伏电池阵列模块的端相接，其另一端分别与第五功率开关管的 阴极和第二功率二极管的阴极连接;第一功率二极管的阴极分别与第一功率开关管的阳极 和第三功率开关管的阳极连接;第二功率二极管的阳极分别与第二功率开关管的阴极和第 四功率开关管的阴极连接;滤波电容的"+"端与第一功率开关管的阴极和第二功率开关管 的阳极连接，滤波电容的端与第三功率开关管的阴极和第四功率开关管的阳极连接，第 一滤波电感的一端与滤波电容的"+"端相接，其另一端与电网的"+"端连接;第二滤波电感 的一端与滤波电容的端相接，其另一端与电网的端连接。2. 根据权利要求1所述一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器的控制方法，其特 征在于:该控制方法具体包括如下内容： 在并网电流正半周期内，第一功率开关管和第四功率开关管一直导通，第二功率开关 管和第三功率开关管一直关断，第五功率开关管采用基于面积等效原理的PWM调制控制其 导通或关断；当第五功率开关管关断时，并网电流的路径为:光伏电池阵列模块"+"端-第 一直流储能电感-第一功率二极管-第一功率开关管-第一滤波电感-电网-第二滤波 电感-第四功率开关管-第二功率二极管-第二直流储能电感-光伏电池阵列模块端 -光伏电池阵列模块"+"端；当第五功率开关管导通时，并网电流的路径为:第一滤波电容 的"+"端-第一滤波电感-电网-第二滤波电感-第一滤波电容的端-第一滤波电容 的"+"端； 在并网电流负半周期内，第一功率开关管和第四功率开关管一直关断，第二功率开关 管和第三功率开关管一直导通，第五功率开关管采用基于面积等效原理的PWM调制控制其 导通或关断；当第五功率开关管关断时，并网电流的路径为:光伏电池阵列模块"+"端-第 一直流储能电感-第一功率二极管-第三功率开关管-第二滤波电感-电网-第一滤波 电感-第二功率开关管-第二功率二极管-第二直流储能电感-光伏电池阵列模块端 -光伏电池阵列模块"+"端；当第五功率开关管导通时，并网电流的路径为:第一滤波电容 的端-第二滤波电感-电网-第一滤波电感-第一滤波电容的"+"端-第一滤波电容 的端。3. 根据权利要求1所述的一种可抑制漏电流无电解电容型光伏逆变器，其特征在于，第 五功率开关管采用基于面积等效原理的PWM控制策略，其调制机制如下： 载波采用高频的三角载波，调制波信号为其中UPV为光伏电池板输出的直流电压，Ug为电网电压峰值，ω为电网基波角频率，L为 直流侧储能电感感值，Cf为滤波电容容值，I。为直流侧电感电流的直流分量。
【文档编号】H02M7/537GK106059356SQ201610390619
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】王立乔, 张晓飞, 董子亮
【申请人】燕山大学