一种低漏电流的单相无变压器型光伏并网逆变器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种低漏电流的单相无变压器型光伏并网逆变器，将单相光伏并网逆变器输出端的共模电压为恒定值，在保证对地漏电流很小的同时，使得单相光伏并网逆变器对电网侧的谐波污染最小。本实用新型既解决了传统逆变器的不足，又可以在一定程度上发挥非隔离型光伏并网逆变器损耗低、性能好的优势。
【专利说明】
一种低漏电流的单相无变压器型光伏并网逆变器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及光伏并网逆变器技术领域，特别是一种低漏电流的单相无变压器 型光伏并网逆变器。
【背景技术】
[0002] 传统的逆变器一般包括在逆变器输出端接入一个工频变压器和在逆变器输入端 接一个高频变压器两种，虽然这两种结构都能实现电气隔离，但是工频变压器的加入会增 加逆变器的体积、重量、成本，且不便于运输安装;而高频变压器的加入会引起由多级结构 造成的效率低下问题，还会引发高频电磁干扰。为了克服这些缺陷，国外一些专家提出了一 些无变压器光伏并网逆变器的系统。由于没有变压器的存在，大大提高了系统效率、降低了 体积，但同时也带来了其他安全问题。所以，一种低漏电流的单相无变压器型光伏并网逆变 器，既解决了传统逆变器的不足，又可以在一定程度上发挥非隔离型光伏并网逆变器的优 势。
[0003] 光伏阵列与电网之间缺少电气隔离，而光伏阵列和地之间存在寄生电容，因此在 寄生电容上会产生很大的工频与高频电压波动，这种电压波动会在由寄生电容、光伏阵列、 逆变器、滤波元件和电网组成的共模谐振回路中产生漏电流，接地漏电流增大了电网电流 谐波和系统损耗，并产生了较强的辐射电磁干扰，更严重的是会对人身安全构成重大威胁。
[0004] 传统的非隔离型光伏并网逆变器有高频变化的共模电压，因此会产生很大的漏电 流，该拓扑结构不适用于非隔离型光伏并网逆变系统。
【发明内容】
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种低漏电流的单相无变压器型光伏并 网逆变器，能够解决无变压器型光伏并网逆变器在电路拓扑结构和开关管调制方式选择不 当而引起的共模电压不能恒定，进而导致漏电流过大危及人身安全的问题，为了解决这个 问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是:一种低漏电流的单相无 变压器型光伏并网逆变器，包括光伏阵列模块和电网，所述光伏阵列模块的正极输出端同 时连接第一电解电容的正极、第一开关管的漏极、第四快恢复二极管的阴极、第三快恢复二 极管的阴极、第二开关管的漏极，第一开关管的源极同时连接第一快恢复二极管的阴极、第 五快恢复二极管的阴极、第一互耦电感的上电感的同名端，第四快恢复二极管的阳极同时 连接第四开关管的漏极、第六开关管的漏极、第二互耦电感的上电感的同名端，第三快恢复 二极管的阳极同时连接第三开关管的漏极、第一互耦电感的下电感的异名端，第五开关管 的源极连接第五快恢复二极管的阳极、漏极连接第一互耦电感的下电感的异名端和第三快 恢复二极管的阳极，第六快恢复二极管的阳极连接第六开关管的源极，第六快恢复二极管 的阴极连接第二快恢复二极管的阴极和第二开关管的源极以及第二互耦电感的下电感的 异名端，第一互耦电感上电感的异名端同时连接第二互耦电感的上电感的异名端、第二电 解电容的正极以及电网电压的一端，第一互耦电感的下电感的同名端同时连接第二互耦电 感的下电感的同名端、第二电解电容的负极以及电网的另一端，光伏阵列模块的负极输出 端同时连接第一电解电容的负极、第一快恢复二极管的阳极、第四开关管的源极、第三开关 管的源极、第二快恢复二极管的阳极。
[0007] 优选的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第 六开关管为电力场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。
[0008] 本实用新型提供一种低漏电流的单相无变压器型光伏并网逆变器，将单相光伏并 网逆变器输出端的共模电压为恒定值，在保证对地漏电流很小的同时，使得单相光伏并网 逆变器对电网侧的谐波污染最小。本实用新型既解决了传统逆变器的不足，又可以在一定 程度上发挥非隔离型光伏并网逆变器损耗低、性能好的优势。
【附图说明】
[0009] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
[00?0]图1为本实用新型的结构不意图；
[0011] 图2为本实用新型开关管的控制原理图；
[0012] 图3A为本实用新型电网电压为正半周期时功率传输阶段的电流流向示意图；
[0013] 图3B为本实用新型电网电压为正半周期时续流阶段的电流流向示意图；
[0014] 图3C为本实用新型电网电压为负半周期时功率传输阶段的电流流向示意图；
[0015] 图3D为本实用新型所述的电网电压为负半周期时续流阶段的电流流向示意图；
[0016] 图4为本实用新型并网电流、并网电压、输出电压、共模电压和漏电流的波形图；
[0017] 图5为本实用新型并网谐波分析波形图；
[0018] 图6为本实用新型使用时的光伏系统结构图。
【具体实施方式】
[0019] 如图1所示，一种低漏电流的单相无变压器型光伏并网逆变器，包括光伏阵列模块 Vpv和电网Vgrid，所述光伏阵列模块Vpv的正极输出端同时连接第一电解电容Cdc的正极、 第一开关管Sl的漏极、第四快恢复二极管D4的阴极、第三快恢复二极管D3的阴极、第二开关 管S2的漏极，第一开关管Sl的源极同时连接第一快恢复二极管Dl的阴极、第五快恢复二极 管D5的阴极、第一互耦电感Ll的上电感的同名端，第四快恢复二极管D4的阳极同时连接第 四开关管S4的漏极、第六开关管S6的漏极、第二互耦电感L2的上电感的同名端，第三快恢复 二极管D3的阳极同时连接第三开关管S3的漏极、第一互耦电感Ll的下电感的异名端，第五 开关管S5的源极连接第五快恢复二极管D5的阳极、漏极连接第一互耦电感Ll的下电感的异 名端和第三快恢复二极管D3的阳极，第六快恢复二极管D6的阳极连接第六开关管S6的源 极，第六快恢复二极管D6的阴极连接第二快恢复二极管D2的阴极和第二开关管S2的源极以 及第二互耦电感L2的下电感的异名端，第一互耦电感Ll上电感的异名端同时连接第二互耦 电感L2的上电感的异名端、第二电解电容Co的正极以及电网电压Vgrid的一端，第一互耦电 感Ll的下电感的同名端同时连接第二互耦电感L2的下电感的同名端、第二电解电容Co的负 极以及电网Vgrid的另一端，光伏阵列模块Vpv的负极输出端同时连接第一电解电容Cdc的 负极、第一快恢复二极管Dl的阳极、第四开关管S4的源极、第三开关管S3的源极、第二快恢 复二极管D2的阳极。
[0020]本实用新型的调制方法如图2所示，在电网电压为正半周期时，控制逆变器工作在 功率传输模态和续流状态，所述的功率传输模态的控制信号为5(1，2,3,4,5,6) = {10 10 1 〇}，续流状态的控制信号为S(l，2,3,4,5,6) = {0 0 0 0 1 0};
[0021 ]在电网电压为负半周期时，控制逆变器工作在功率传输模态和续流状态，所述的 功率传输模态的控制信号为3(1，2,3,4,5,6) = {0 10 10 1}，续流状态的控制信号为3 (1，2,3,4,5,6) = {0 0 0 0 0 1}〇
[0022]本实施方式的调制方法，是在电网电压的正半周期，第一开关管Sl和第三开关管 S3的开关状态由调制比为M的正弦参考信号与三角载波调制信号相比较产生的PWM信号进 行控制，第五开关管S5的开关状态由同一正弦参考信号与零信号比较后进行控制。在电网 电压的负半周期，第二开关管S2和第四开关管S4的开关状态由调制比为M的正弦参考信号 与三角载波调制信号相比较产生的PWM信号进行控制，第六开关管S6的开关状态由同一正 弦参考信号与零信号比较后进行控制。
[0023] 本实施方式中，调制度M的范围为0<M〈1。
[0024] 在电网电压为正半周期的功率传输阶段S(1，2,3,4,5,6) = {1 0 1 0 1 0}，所述 第一开关管S1、第三开关管S3、第五开关管S5导通，第二开关管S2、第四开关管S4、第六开关 管S6关断，第一电感LU第二电感L2和第二电容Co均吸收能量，如图3A所示。
[0025] 在电网电压为正半周期的电感续流阶段S(l，2,3,4,5,6) = {0 0 0 0 1 0}，所述 的第五开关管S5导通，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第六开 关管S6关断，第一电感LU第二电感L2释放能量，第二电容Co吸收能量，如图3B所示。
[0026] 在电网电压为负半周期的功率传输阶段S(l，2,3,4,5,6) = {0 1 0 I 0 1}，所述 第一开关管S1、第三开关管S3、第五开关管S5关断，第二开关管S2、第四开关管S4、第六开关 管S6导通，第一电感LU第二电感L2均吸收能量，第二电容Co释放能量，如图3C所示。
[0027] 在电网电压为负半周期的电感续流阶段S(l，2,3,4,5,6) = {0 0 0 0 0 1}，所述 第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5关断、第六开关 管S6导通，第一电感LU第二电感L2和第二电容Co均释放能量，如图3D所示。
[0028] 本实用新型中电网电压对一种低漏电流的单相无变压器型光伏并网逆变器进行 调制，在电网电压正负半周期内均有两种运行模式，在功率传输模态，光伏板Vpv向电网侧 提供能量，实现并网。在续流模态，第一电感Ll和第二电感L2分别续流，此时第一开关管S1、 第三开关管S3和第二开关管S2、第四开关管S4能够分别阻断光伏阵列与单相无变压器型光 伏并网逆变器，共模电压无放电通路。
[0029] 如图4所示，为本实用新型并网电流、并网电压、输出电压、共模电压和漏电流的波 形图，并网电流与并网电压频率相同、波形一致、仅幅值大小不同，满足并网要求;输出电压 为单极性调制方式，共模电压为恒定值，漏电流基本为零，满足无变压器型光伏并网逆变器 的要求。
[0030] 如图5所示，为本实用新型并网谐波分析波形图谐波电流中的谐波很小，对电网谐 波污染影响不大，能够满足并网要求。
[0031] 在电网电压正半周期，假设第一开关管Sl、第三开关管S3、第五开关管S5导通，第 二开关管S2、第四开关管S4、第六开关管S6关断，逆变器工作在功率传输模态，有
[0032] (I)
[0033]其中，Vcm为共模电压，ViN为第一条支路中点I对光伏板负极的电压，V3N为第三条支 路中点3对光伏板负极的电压，Vpv为光伏模块电压。
[0034]在电网电压正半周期，假设第一开关管Sl、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开 关管S4、第六开关管S6关断，第五开关管S5导通，逆变器工作在续流模态，有
[0035] (2)
[0036] 在电网电压负半周期，假设第一开关管SI、第三开关管S3、第五开关管S5关断，第 二开关管S2、第四开关管S4、第六开关管S6导通，逆变器工作在功率传输模态，有
[0037]
(3)
[0038] 其中，V4N为第四条支路中点4对光伏板负极的电压，V2n为第二条支路中点2对光伏 板负极的电压。
[0039]在电网电压负半周期，假设第一开关管Sl、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开 关管S4、第五开关管S5关断，第六开关管S6导通，逆变器工作在续流模态，有
[0040] //(、 (4)
[0041] 由式（1)、式(2)、式(3)、式(4)可知，当一种低漏电流的单相无变压器型光伏并网 逆变器应用于光伏并网系统中时，不需要体积庞大、费用高额的变压器，且少了中间变换 级，相比于传统的并网逆变器，效率得到提高。并且一种低漏电流的单相无变压器型光伏并 网逆变器输出端的共模电压为恒定值Vpv/2,保证了系统对地漏电流基本为零值。
[0042]所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、 第六开关管S6为电力场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。
[0043] 在控制方案中采用的是PffM跟踪控制法。把期望的电流波形作为参考信号，把实际 电流波形作为反馈信号，通过比较将得出的误差信号经过比例谐振控制后与零信号或三角 载波信号分别相比较，以决定逆变电路开关器件的开通与关断，使实际输出跟踪期望信号 的变化。
[0044] 如图6所示，为本实用新型使用时的光伏系统结构图将一种低漏电流的单相无变 压器型光伏并网逆变器应用于整个光伏并网系统中，由于没有变压器的存在，大大提高了 系统效率、降低了体积。续流时电网与直流侧断开，避免了直流侧的高频电压波动，从而提 高系统的抗干扰性能。其运行过程为：
[0045] 此处的DC/DC直流变换器采用Boost电路，用于将光伏板产生的低压电经过稳压后 升压到一定的高度，其开关管采用MPPT跟踪控制，用于跟踪光伏板的最大功率，实现最大效 率的将太阳能转换为电能；
[0046] DC/AC电压变换器将一定的电压转换为交流电，经过滤波环节后，将交流电能送入 电网，此DC/AC电压变换器为一种低漏电流的单相无变压器型光伏并网逆变器，滤波环节采 用LC滤波。
[0047] 控制电路中，经电网输出电压电流采样电路，误差信号送入比例谐振控制器、PWM 脉冲发生电路后产生开关管脉冲信号，依次送入DC/AC电压变换器的开关管中，及时的对电 网侧信号跟踪控制。
[0048]上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限 制，本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案 中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种低漏电流的单相无变压器型光伏并网逆变器，包括光伏阵列模块(Vpv)和电网 (Vgrid)，其特征在于:所述光伏阵列模块(Vpv)的正极输出端同时连接第一电解电容(Cdc) 的正极、第一开关管(SI)的漏极、第四快恢复二极管(D4)的阴极、第三快恢复二极管(D3)的 阴极、第二开关管（S2)的漏极，第一开关管（SI)的源极同时连接第一快恢复二极管(Dl)的 阴极、第五快恢复二极管(D5)的阴极、第一互耦电感(LI)的上电感的同名端，第四快恢复二 极管(D4)的阳极同时连接第四开关管(S4)的漏极、第六开关管(S6)的漏极、第二互耦电感 (L2)的上电感的同名端，第三快恢复二极管(D3)的阳极同时连接第三开关管（S3)的漏极、 第一互耦电感(LI)的下电感的异名端，第五开关管(S5)的源极连接第五快恢复二极管(D5) 的阳极、漏极连接第一互耦电感(LI)的下电感的异名端和第三快恢复二极管(D3)的阳极， 第六快恢复二极管(D6)的阳极连接第六开关管(S6)的源极，第六快恢复二极管(D6)的阴极 连接第二快恢复二极管(D2)的阴极和第二开关管（S2)的源极以及第二互耦电感(L2)的下 电感的异名端，第一互耦电感(LI)的上电感的异名端同时连接第二互耦电感(L2)的上电感 的异名端、第二电解电容(Co)的正极以及电网电压(Vgrid)的一端，第一互耦电感(LI)的下 电感的同名端同时连接第二互耦电感(L2)的下电感的同名端、第二电解电容(Co)的负极以 及电网(Vgrid)的另一端，光伏阵列模块(Vpv)的负极输出端同时连接第一电解电容(Cdc) 的负极、第一快恢复二极管(Dl)的阳极、第四开关管(S4)的源极、第三开关管(S3)的源极、 第二快恢复二极管(D2 )的阳极。2. 根据权利要求1所述一种低漏电流的单相无变压器型光伏并网逆变器，其特征在于： 所述第一开关管（SI)、第二开关管（S2)、第三开关管（S3)、第四开关管（S4)、第五开关管 (S5)、第六开关管(S6)为电力场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。
【文档编号】H02J3/38GK205544995SQ201620271338
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】陈小艳, 司新放, 叶青峰, 晋贞贞, 胡康, 冯晓裕
【申请人】三峡大学