一种新型高效光伏逆变器的拓扑结构及其调制方法与流程

本发明涉及一种新型高效光伏逆变器的拓扑结构及其调制方法，属于新能源
技术领域：
，特别涉及并网发电领域中的集中逆变技术。
背景技术：
：能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础。随着经济全球化进程的不断加速和工业经济的迅猛发展，世界范围内的能源短缺和环境污染已成为制约人类社会可持续发展的两大重要因素，大力发展新的可替代能源已成为当务之急。太阳能作为一种巨量的可再生能源，以其分布广泛、安全清洁、取之不尽、用之不竭等优势，被全球能源专家们一致认定为21世纪最重要的能源之一。太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电利用和光化学利用三种形式。当前，电能是人类能源的最主要利用形式，而光伏发电利用正是以电能作为最终表现形式，因此光伏发电利用成为了人类最希望的利用形式。由于电网是交流电，而光伏电池的输出为直流电。因此，光伏发电的利用需要有将光伏电池所输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输送到电网的设备。光伏并网逆变器作为该电能变换装置，是光伏并网发电系统中的核心部件，对整个系统的成本、效率、进网电流质量、安全性和可靠性等方面都有重要影响。提高光伏逆变器的效率对推动光伏发电的大规模利用有重要意义。技术实现要素：本发明的目的是为提高光伏逆变器的效率，提出了一种新型高效光伏逆变器的拓扑结构及其调制方法。技术方案，本发明公开了一种新型高效光伏逆变器的拓扑结构，在h桥拓扑的交流侧加入双向开关构成的双向续流回路，在逆变器直流输入电容的中点加入一个箝位二极管，使逆变器输出中点电压的平均值为输入电压的二分之一。进一步的，本发明的拓扑结构包括：一单相全桥逆变器、一钳位电容组、一续流钳位开关、一lcl滤波电路和一电阻，其中：所述单相全桥逆变器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；所述钳位电容组包括第一输入电容和第二输入电容；所述续流钳位开关由一单相不控整流桥、钳位二极管和第五开关管组成；所述单相不控整流桥由第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管和第四整流二极管组成，第一整流二极管和第二整流二极管共阴极,第三整流二极管和第四整流二极管共阳极,第一整流二极管的阳极与第三整流二极管的阴极相连,第二整流二极管的阳极与第四整流二极管的阴极相连；所述lcl滤波电路由第一滤波电感和第二滤波电感以及滤波电容组成；所述单相全桥逆变器、钳位电容组、续流钳位开关、lcl滤波电路和电阻之间的连接如下：所述第一输入电容的正极、第一开关管、第三开关管的漏极分别与一太阳能电池的正极相连；所述第二输入电容的负极、第二开关管、第四开关管的源极分别与一太阳能电池的负极相连；所述第一输入电容的负极与第二输入电容的正极相连；所述第一输入电容与第二输入电容的连接点与钳位二极管的阴极相连；所述第一开关管的源极与第二开关管的漏极相连第三开关管的源极与第四开关管的漏极相连；逆变器交流侧采用所述单相不控整流桥；第一开关管的源极和第二开关管的漏极的连接点与第一滤波电感的一端相连，第一滤波电感的另一端与滤波电容的一端相连，所述电阻与滤波电容并联；第三开关管的源极和第四开关管的漏极的连接点与第二滤波电感的一端相连，第二滤波电感的另一端与滤波电容的另一端相连；第五开关管的漏极与单相不控整流桥的共阴极相连,其源极与单相不控整流桥的共阳极、钳位二极管的阳极相连。本发明还公开了一种基于上述拓扑结构的调制方法，采用电压电流双闭环的单极性pwm调制方法，通过对寄生参数的设置，使hb-zvr的共模电压保持不变。进一步的，该调制方法包括电压外环和电流内环，所述电压外环包括依次连接的电压控制器和pi调制器，逆变器输出电压uo的反馈电压uof与基准信号ur的瞬时值经过电压控制器，将两者误差放大，而后经过pi调制器得到电压外环的输出uo*；该电压外环的输出uo*作为电流内环的基准信号；所述电流内环包括依次连接的i/v变换电路、电流控制器和p调节器；逆变器的滤波电感上的电流il经过i/v变换电路后与电流内环的基准信号经过电流控制器，而后经过p控制器得到电流内环的输出，为调制信号。有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明结合多种光伏逆变器中高效实用的拓扑，在h桥拓扑的交流侧加入一个双向开关构成的双向续流回路，在逆变器直流输入电容的中点加入一个箝位二极管，hb-zvr能始终保持逆变器输出中点电压的平均值为输入电压的二分之一，从而完全消除共模漏电流。同时，hb-zvr拓扑在续流阶段时，电流仅流过一个开关管，降低了器件损耗，从而提高了逆变器的效率。附图说明图1是本发明的一种新型高效光伏逆变器的拓扑结构图；图2是hb-zvr开关模态图；图3是电压电流双闭环控制框图；图4是非隔离光伏并网逆变器的共模电路原理图；图5是非隔离光伏并网逆变器的共模等效电路；图6是非隔离光伏并网逆变器最简共模等效电路。具体实施方式下面结合附图进一步阐述本发明。图1是本发明的一种新型高效光伏逆变器的拓扑结构图。该拓扑在h桥拓扑的交流侧加入一个双向开关(由开关管和二极管组成)构成的双向续流回路，从而使得续流阶段太阳能电池输出端与电网断开。在逆变器直流输入电容的中点加入一个箝位二极管，使得逆变器桥臂中点电压的平均值始终为直流输入电压的1/2。具体电路描述如下：拓扑结构包括：一单相全桥逆变器、一钳位电容组、一续流钳位开关、一lcl滤波电路和一电阻，其中：所述单相全桥逆变器包括第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4；所述钳位电容组包括第一输入电容cdc1和第二输入电容cdc2；所述续流钳位开关由一单相不控整流桥、钳位二极管d6和第五开关管s5组成；所述单相不控整流桥由第一整流二极管d1、第二整流二极管d2、第三整流二极管d3和第四整流二极管d4组成，第一整流二极管d1和第二整流二极管d2共阴极,第三整流二极管d3和第四整流二极管d4共阳极,第一整流二极管d1的阳极与第三整流二极管d3的阴极相连,第二整流二极管d2的阳极与第四整流二极管d4的阴极相连；所述lcl滤波电路由第一滤波电感lf1和第二滤波电感lf2以及滤波电容cf组成；所述单相全桥逆变器、钳位电容组、续流钳位开关、lcl滤波电路和电阻之间的连接如下：所述第一输入电容cdc1的正极、第一开关管s1、第三开关管s3的漏极分别与一太阳能电池的正极相连；所述第二输入电容cdc2的负极、第二开关管s2、第四开关管s4的源极分别与一太阳能电池的负极相连；所述第一输入电容cdc1的负极与第二输入电容cdc2的正极相连；所述第一输入电容cdc1与第二输入电容cdc1的连接点与钳位二极管d6的阴极相连；所述第一开关管s1的源极与第二开关管s2的漏极相连第三开关管s3的源极与第四开关管s4的漏极相连；逆变器交流侧采用所述单相不控整流桥；第一开关管s1的源极和第二开关管s2的漏极的连接点与第一滤波电感lf1的一端相连，第一滤波电感lf1的另一端与滤波电容cf的一端相连，所述电阻r与滤波电容cf并联；第三开关管s3的源极和第四开关管s4的漏极的连接点与第二滤波电感lf2的一端相连，第二滤波电感lf2的另一端与滤波电容cf的另一端相连；第五开关管s5的漏极与单相不控整流桥的共阴极相连,其源极与单相不控整流桥的共阳极、钳位二极管的阳极相连。该拓扑的工作原理为：在正半周，s1和s4导通，其余开关关断，如图2(a)所示。续流阶段，s1和s2、s3和s4均关断，s5导通，如图2(b)所示。负半周的工作原理与正半周类似，如图2(c)、(d)所示。开关动作如表1所示。其中，“1”表示开关处于导通状态，“0”表示开关处于关断状态。positive表示正半周，negative表示负半周，0+”与“0-”分别表示正、负半周续流状态。表1hb-zvr拓扑开关表回路状态s1s2s3s4s5positive100100+00001negative011000-00001根据分析结果，确定hb-zvr拓扑采用电压电流双闭环的单极性pwm调制方法。电压外环采用pi调节器，逆变器输出电压uo的反馈电压uof与基准信号ur(工频正弦波)的瞬时值经过电压控制器，将两者误差放大。电流内环采用p调节器，电压外环的输出uo*作为电流内环的基准信号，滤波电感上的电流il经过i/v变换后与基准信号经过电流控制器。电流内环的输出即为调制信号uk。电压电流双闭环的控制框图如图3所示。该拓扑在于hb-zvr能始终保持逆变器输出中点电压的平均值为输入电压的二分之一，从而完全消除共模漏电流。同时，hb-zvr拓扑在续流阶段时，电流仅流过一个开关管，降低了器件损耗，从而提高了逆变器的效率。图4是非隔离光伏并网逆变器的共模电路原理图，其中，upv表示输入电压，vg表示电网电压，cpv+和cpv-表示太阳能电池板对地的分布电容，ca和cb表示逆变电路桥臂中点对地的寄生电容，l1和l2表示并网滤波电感，zline1和zline2表示并网逆变器的线路阻抗，zg表示电网的接地点与逆变器机壳接地点之间的地阻抗。定义并网逆变器输出共模电压vcm和差模电压vdm为：vdm＝van-vbn(2)式中，van和vbn分别表示桥臂中点a和b对输入源负端n点的电位差。由式(1)和式(2)可以得van和vbn的表达式为：一般情况下，电网电压角频率远小于开关频率，所以在推导共模等效电路时，电网电压源可以短接。应用式(3)和式(4)，由图4可得非隔离光伏并网逆变器的共模等效电路，如图5所示。应用“戴维南定理”对图5所示的等效电路进行进一步的简化，从而得到非隔离光伏并网逆变器最简共模等效电路，如图6所示。其中而其中的z1、z2、v1和v2分别为zca和zcb分别表示ca和cb的阻抗；因此，非隔离光伏并网逆变器的共模漏电流由共模电压vcm、差模电压vdm和电路参数共同决定。根据电路及寄生参数的不同匹配，可以得到非隔离光伏并网逆变器无共模漏电流的条件为：1)电路及寄生参数对称，vdmc＝0，则只要在开关调制中，保证共模电压vcm为一常量，这种方式多用于全桥及其延伸拓扑结构；2)电路及寄生参数不对称，vdmc≠0，则可以通过参数匹配的方式保证vcm+vdmc为一常量，这种方式多用于半桥类等采用单电感的拓扑结构。在hb-zvr拓扑中，共模电压vcm为：正半周：vaq＝vpn；vbq＝0，则续流阶段：vaq＝vpn/2；vbq＝vpn/2，则负半周：vaq＝0；vbq＝vpn，则由式(12)、(13)和式(14)所示，hb-zvr的共模电压始终保持不变，所以不会产生共模漏电流。当前第1页12