一种基于电荷泵电路的PV并网逆变器的制作方法

本实用新型涉及分布式光伏并网系统领域，特别是一种基于电荷泵电路的PV并网逆变器。

背景技术：

近几年来，光伏发电以其清洁无排放、安装维护简单、无噪声等特点受到专家们的广泛关注。然而，由于在光伏板与大地之间大的寄生电容的存在，将会降低系统的效率并且可能导致电击事故，严重影响人身安全。

为了消除漏电流，通常在系统中加入变压器以提供电气隔离，然而，变压器的存在将会衍生出一些列不利条件，如体积重量大、成本高、损耗多。因此，消除变压器的存在将会是未来的研究方向。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于电荷泵电路的PV并网逆变器，能够解决由于光伏板与大地之间寄生电容的存在而导致漏电流产生的问题，并且综合成本、体积、效率等因素，提供一种优化方案，且具有向电网传输无功功率的能力。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于电荷泵电路的 PV并网逆变器，包括光伏模块V_PV、电网V_g和中间逆变器环节，其特征在于，所述逆变器环节包含boost升压电路，直流纹波电容C₀，直流母线电压V_dc、由四个电力开关管、两个二极管、两个电容器组成的电荷泵电路，逆变器侧滤波电感L_f、电网侧滤波电感L_g、输出侧滤波电容C_f，其中，光伏阵列与boost升压电路相连，直流纹波电容C₀与boost升压电路并联，所述电荷泵电路的一个端口与直流纹波电容C₀并联、另一个端口与所述逆变器侧滤波电感L_f连接，所述逆变器侧滤波电感L_f与所述电网侧滤波电感L_g、所述输出侧滤波电容C_f连接，所述电网侧滤波电感L_g连接到电网上。

优选的，所述四个电力开关管包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管 S3及第四开关管S4，第一开关管S1的漏极与直流母线电压V_dc的正极连接，所述第一开关管S1的源极分别与第二开关管S2的漏极、第三开关管S3的漏极、第一电力电容C1的正极相连，所述第二开关管S2的源极分别与逆变器侧滤波电感L_f、第四开关管S4的漏极连接，所述第三开关管S3的源极分别与直流母线电压V_dc的负极、第二二极管D2的阴极、第二电力电容C2的正极连接，所述第一电力电容C1的负极分别与第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极连接，所述第四开关管S4的源极分别与第一二极管D1的阳极、第二电力电容C2的负极连接。

优选的，所述第一电力电容C1及第二电力电容C2均选择铝电解电容。

优选的，所述四个电力开关管均采用并联有二极管的mosfet管。

优选的，所述开关管调制策略采用单极性SPWM技术。

本实用新型提供一种基于电荷泵电路的PV并网逆变器，将电网中性点直接与电荷泵电路的负极接线端子相连，使通过寄生电容上的电压直接与零电位并联，从而达到消除漏电流的目的。本实用新型既解决了传统逆变器的不足，又有如下优点：电路结构从根本上消除了漏电流，因此开关管的调制策略不受限制；仅采用四个开关管，降低了安装成本；输出电压为三电平，从而减小了输出电流纹波，提高了电能质量；运行状态下，电流仅流过两个开关管，故减小了开关管导通损耗；可向电网传输无功功率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为基于电荷泵电路的结构示意图。

图2为本实用新型的结构示意图。

图3a为区域Ⅰ逆变器的输出电压为V_Bo为+V_dc的情况。

图3b为区域Ⅰ逆变器的输出电压V_Bo将为0的情况。

图4c为区域Ⅱ逆变器的输出电压为V_Bo为-V_dc的情况。

图4d为区域Ⅱ逆变器的输出电压为V_Bo为0的情况。

图5e为区域Ⅲ逆变器的输出电压为V_Bo为-V_dc的情况。

图5f区域Ⅲ逆变器的输出电压为V_Bo为0的情况。

图6g为区域Ⅳ逆变器的输出电压V_Bo为+V_dc的情况。

图6h为区域Ⅳ逆变器的输出电压V_Bo为0的情况。

具体实施方式

如图1-2所示，一种基于电荷泵电路的PV并网逆变器，包括光伏模块V_PV、电网 V_g和中间逆变器环节，其特征在于，所述逆变器环节包括boost升压电路，直流纹波电容C₀，直流母线电压V_dc、由四个电力开关管、两个二极管、两个电容器组成的电荷泵电路，逆变器侧滤波电感L_f、电网侧滤波电感L_g、输出侧滤波电容C_f，其中，光伏阵列与boost升压电路相连，直流纹波电容C₀与boost升压电路并联，所述电荷泵电路的一个端口与直流纹波电容C₀并联、另一个端口与所述逆变器侧滤波电感 L_f连接，所述逆变器侧滤波电感L_f与所述电网侧滤波电感L_g、所述输出侧滤波电容 C_f连接，所述电网侧滤波电感L_g连接到电网上。

具体的，所述第一开关管S1的漏极与直流母线电压V_dc的正极连接，所述第一开关管S1的源极分别与第二开关管S2的漏极、第三开关管S3的漏极、第一电力电容 C1的正极相连，所述第二开关管S2的源极分别与逆变器侧滤波电感L_f、第四开关管 S4的漏极连接，所述第三开关管S3的源极分别与直流母线电压V_dc的负极、第二二极管D2的阴极、第二电力电容C2的正极连接，所述第一电力电容C1的负极分别与第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极连接，所述第四开关管S4的源极分别与第一二极管D1的阳极、第二电力电容C2的负极连接。

具体的，根据逆变器输出电压和电流的方向，提出的逆变器的运行状态可划分为四个区域，这四个区域可描述为：

区域Ⅰ：逆变器输出电压和输出电流均为正，能量从直流母线侧传输到电网侧。

区域Ⅱ：逆变器输出电压为负，输出电流为正，能量从电网侧传输到直流母线侧。

区域Ⅲ：逆变器输出电压和输出电流均为负，能量从直流母线侧传输到电网侧。

区域Ⅳ：逆变器输出电压为正，输出电流均为负，能量从电网侧传输到直流母线侧。

本实施方式的调制方法是：在区域Ⅰ和区域Ⅳ中，开关管S1和开关管S3以开关频率fs交替开通和关断，从而输出正电压和零电压，S2在整个正半周期中始终保持打开状态。当开关管S1和开关管S2开通时，逆变器的输出电压V_Bn将为+V_dc，如图 3a)和图6g)，在此区间内，第一二极管D1承受反偏电压而截至，第二二极管D2 正向导通，因此第一电力电容C1通过第二二极管D2充电，且第二电力电容C2的电压保持一常数不变；当开关管S2和开关管S3开通时，逆变器的输出电压V_Bn将为0，如图3b)和图6h)，此时零电压输出状态下，第一电力电容C1通过第一二极管D1 与第二电力电容C2并联，因此通过电荷泵电路，第一电力电容C1对第二电力电容 C2放电，最终为第二电力电容C2提供一个负电平电压。

在区域Ⅱ和区域Ⅲ中，将输出负电压和零电压。如图4c)和图5e)均为开关管 S1和开关管S4均打开时的等效电路，当开关管S4打开时，通过第二电力电容C2的电压即为逆变器的输出电压，此时，V_Bn＝-V_dc,逆变器输出负电压通过第二电力电容 C2产生，在此状态下，开关管S1和开关管S4同时开通与关断，另外，为了保持第一电力电容C1的电压为常数，使直流纹波电容C₀通过开关管S1对第一电力电容C1 充电。在这个阶段中，零电压输出状态的情况与电网电压正半周期时类似，如图4d) 和图5f)。

基于以上分析，根据输出电压和电流的关系，本实用新型提出的一种基于电荷泵电路的PV并网逆变器，其存在三种运行顺序:如果运行顺序为：Ⅰ→Ⅲ，则逆变器运行在单位功率因数状态下(PF＝1)。

如果运行顺序为：Ⅳ→Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ，则逆变器运行在电流滞后状态。

如果运行顺序为：Ⅰ→Ⅳ→Ⅲ→Ⅱ，则逆变器运行在电流超前状态。

由电荷泵电路的工作方式可知，第二电力电容C2的充电时间常数可表示为：

τ_C2＝R_C2C_C2 (1)

R_C2和C_C2分别为：

R_C2＝R_D1+R_S3+R_C1+R_C2

R_C1和R_C2为分别为第一电力电容C1、第二电力电容C2的等效串联电阻，R_S3为第三开关管S3导通状态时的等效电阻值，R_D1为第一二极管D1的电阻值。

因此，通过电容器的电流可表示为：

根据式(1)，C2的充电时间常数比自然放电时间常数大，并且在稳定状态下 V_C1-V_C2的值很小，根据式(3)可知，流过电容器的冲击电流值很小，因此，本实用新型可以提高电容器的使用寿命，故选择比设计值稍大的铝电解电容即可。