一种单相非隔离型共地五电平光伏并网逆变器及其控制方法

1.本发明涉及电力电子应用技术领域，具体涉及一种单相非隔离型共地五电平光伏并网逆变器的控制方法，适用于光伏并网逆变器，属于直流/交流(dc/ac)变换器领域。


背景技术：

2.当今世界能源危机加剧，生态环境不断恶化，太阳能作为可再生能源，具有取之不尽、用之不竭的重要特点，越来越受到人们的重视，其中光伏发电是太阳能的主要应用方式，光伏并网逆变器是光伏发电的核心装置。
3.光伏并网逆变器分为隔离型和非隔离型两大类，其中隔离型光伏并网逆变器含有变压器，体积较大、成本高、效率低，且安装难度较大。非隔离型光伏并网逆变器不含变压器，体积小、重量轻、成本低、效率高，且安装难度较小，但是需要抑制共模电流，安全性较低。要优化光伏并网逆变器的性能，必须改进拓扑结构和控制方法，消除共模电流并节约成本。


技术实现要素：

4.本发明针对传统光伏并网逆变器中存在的体积大、安全性低、输出电流纹波大等问题，提出一种单相非隔离型共地五电平光伏并网逆变器的控制方法，它具有安全性高、体积小、输出电流纹波小等优点。
5.本发明采用的技术方案为：一种单相非隔离型共地五电平光伏并网逆变器，包括并联的直流电源u
dc
和输入滤波电容c1，输入滤波电容c1的两端和五电平输出逆变电路输入相连，五电平输出逆变电路输出依次连接滤波电感l1和电网grid。
6.进一步，所述五电平输出逆变电路由第一开关管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，第一电解电容c
fc1
和第二电解电容c
fc2
组成，所述第一开关管s1的发射极与所述第二开关管s2的集电极、所述第三开关管s3的集电极、所述第四开关管s4的发射极、所述第六开关管s6的集电极相连接，所述第六开关管s6的发射极与所述第五开关管s5的发射极相连接，所述第三开关管s3的发射极与所述第一电解电容c
fc1
的负极相连接，所述第二电解电容c
fc2
的负极与所述第一电解电容c
fc1
的负极相连接，所述第一电解电容c
fc1
的正极与所述第四开关管s4的发射极相连接，所述第二电解电容c
fc2
的正极与所述第五开关管s5的集电极相连接。
7.进一步，所述输入滤波电容c1为电解电容，它的正极连接直流电源的正极和第一开关管s1的集电极，它的负极连接直流电源的负极和第二开关管s2的发射极。
8.进一步，所述输出滤波电感l1的一端连接所述第一电解电容c
fc1
的负极，输出滤波电感l1的另一端连接所述电网grid。
9.进一步，所述直流电源u
dc
的负极接地，所述电网grid的一端接地。
10.本发明的一种单相非隔离型共地五电平光伏并网逆变器的控制方法，包括以下过程：
11.工作模态1：功率传输模态，所述第一开关管s1、第三开关管s3导通，第二开关管s2、第四开关管s4、第五开关管s5，第六开关管s6关断，第一电解电容c
fc1
和第二电解电容c
fc2
均处于悬浮状态；
12.工作模态2：功率传输模态，所述第一开关管s1、第五开关管s5，第六开关管s6导通，第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4关断，第一电解电容c
fc1
悬浮，第二电解电容c
fc2
充电；
13.工作模态3：续流模态，所述第二开关管s2、第三开关管s3导通，第一开关管s1、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6关断，第一电解电容c
fc1
和第二电解电容c
fc2
均处于悬浮状态；
14.工作模态4：续流模态，所述第一开关管s1、第四开关管s4导通，第二开关管s2、第三开关管s3、第五开关管s5、第六开关管s6关断，第一电解电容c
fc1
充电，第二电解电容c
fc2
悬浮；
15.工作模态5：功率传输模态，所述第二开关管s2、第五开关管s5、第六开关管s6导通，第一开关管s1、第三开关管s3、第四开关管s4关断，第一电解电容c
fc1
悬浮，第二电解电容c
fc2
放电；
16.工作模态6：功率传输模态，所述第二开关管s2、第四开关管s4导通，第一开关管s1、第三开关管s3、第五开关管s5、第六开关管s6关断，第一电解电容c
fc1
放电，第二电解电容c
fc2
悬浮。
17.进一步，第一电解电容c
fc1
和第二电解电容c
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均需要预充电，其中第一电解电容c
fc1
的电压充电至电压与直流电源u
dc
相同，第二电解电容c
fc2
的电压充电至电压与0.5倍的直流电源u
dc
相同。
18.进一步，通过基于dsp的模型预测控制，使得控制部分免于调制电路，同时加快了动态响应速度。模型预测控制将下一时刻每个模态下对应的电流预测值计算出来，然后选择与参考值最接近的工作模态作为最佳模态。
19.进一步，还包括，控制器采样并使用模型预测控制计算得到最佳模态，当得到的最佳模态为功率传输模态时，选择相对应的传输模态；当得到的最佳模态为续流模态时，判断第一电解电容c
fc1
和第二电解电容c
fc2
的电压是否低于预充电值，假如电容电压低于预充电值，则选择给电容充电的续流模态，假如电容电压大于或等于预充电值，则选择电容悬浮的工作模态。
20.进一步，通过共地结构将电网中性点和太阳能板负极直接相连，相当于把共模电容短路，完全地消除了共模电流。
21.进一步，在不同的工作模态中，串入不同的飞跨电容并选择是否接入直流电压，从而实现五电平输出，减小输出电流纹波；所有模态均可实现电流的双向流通，只需调整控制器中的参考电流相位，即可实现无功功率补偿。
22.与现有技术相比，本发明具有的特点和优点是：1)实现五电平输出，输出电流纹波小；2)使用共地接法，彻底消除了共模电流；3)仅使用6个开关管，成本较低；4)使用模型预测控制，使控制部分免于调制电路，同时加快了动态响应速度；5)可以实现无功功率补偿。
附图说明
23.图1为本发明的一种单相非隔离型共地五电平光伏并网逆变器拓扑结构图；
24.图2为本发明的一种单相非隔离型共地五电平光伏并网逆变器的模态选择流程图；
25.图3为本发明的一种单相非隔离型共地五电平光伏并网逆变器在一个开关周期内各开关模态等效电路。(a)为模态1等效电路；1(b)为模态2等效电路；(c)为模态3等效电路；(d)为模态4等效电路；(e)为模态5等效电路；(f)为模态6等效电路。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步描述。
27.如图1所示，一种单相非隔离型共地五电平光伏并网逆变器，包括直流电源u
dc
，输入滤波电容c1，五电平输出逆变电路，输出滤波电感l1和电网grid，所述输出滤波电感l1的一端连接所述第一电解电容c
fc1
的负极，输出滤波电感l1的另一端连接所述电网grid。
28.所述五电平输出逆变电路由第一开关管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，第一电解电容c
fc1
和第二电解电容c
fc2
组成，所述第一开关管s1的发射极与所述第二开关管s2的集电极、所述第三开关管s3的集电极、所述第四开关管s4的发射极、所述第六开关管s6的集电极相连接，所述第六开关管s6的发射极与所述第五开关管s5的发射极相连接，所述第三开关管s3的发射极与所述第一电解电容c
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的负极相连接，所述第二电解电容c
fc2
的负极与所述第一电解电容c
fc1
的负极相连接，所述第一电解电容c
fc1
的正极与所述第四开关管s4的发射极相连接，所述第二电解电容c
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的正极与所述第五开关管s5的集电极相连接。进一步，所述boost电路由第一开关管q1，第一电感l1，储能电容c1，第一二极管d1和第二二极管d2组成。第一电感l1一端连接第一二极管dr1的阴极，第一电感l1另一端连接第一二极管d1和第二二极管d2的阳极，第一开关管q1的漏极连接第二二极管d2的阴极，第一开关管q1的源极连接储能电容c1的负极，储能电容c1的正极连接第一二极管d1的阴极。
29.所述输入滤波电容c1为电解电容，它的正极连接直流电源的正极和第一开关管s1的集电极，它的负极连接直流电源的负极和第二开关管s2的发射极。
30.如图2所示，本发明提出的拓扑结构通过模型预测控制和对电容电压值大小的判定来决定拓扑所选择的工作模态，它的工作模式如下：
31.工作模态1：所述第一开关管s1、第三开关管s3导通，第二开关管s2、第四开关管s4、第五开关管s5，第六开关管s6关断，第一电解电容c
fc1
和第二电解电容c
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均处于悬浮状态。此模态下，电网电压ug》0，拓扑输出电压u
out
＝u
dc
，实现了功率的传输。
32.工作模态2：所述第一开关管s1、第五开关管s5，第六开关管s6导通，第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4关断，第一电解电容c
fc1
悬浮，第二电解电容c
fc2
充电。此模态下，电网电压ug》0，拓扑输出电压u
out
＝0.5u
dc
，实现了功率的传输。
33.工作模态3：所述第二开关管s2、第三开关管s3导通，第一开关管s1、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6关断，第一电解电容c
fc1
和第二电解电容c
fc2
均处于悬浮状态。当飞跨电容电压大于或等于设定值时选用此模态，在此模态下拓扑输出电压u
out
＝0，实现了续流过模态。
34.工作模态4：所述第一开关管s1、第四开关管s4导通，第二开关管s2、第三开关管s3、第五开关管s5、第六开关管s6关断，第一电解电容c
fc1
充电，第二电解电容c
fc2
悬浮。当飞跨电容电压小于设定值时选用此模态，在此模态下拓扑输出电压u
out
＝0，实现了续流过模态。
35.工作模态5：所述第二开关管s2、第五开关管s5、第六开关管s6导通，第一开关管s1、第三开关管s3、第四开关管s4关断，第一电解电容c
fc1
悬浮，第二电解电容c
fc2
放电。此模态下，电网电压ug《0，拓扑输出电压u
out
＝-0.5u
dc
，实现了功率的传输。
36.工作模态6：所述第二开关管s2、第四开关管s4导通，第一开关管s1、第三开关管s3、第五开关管s5、第六开关管s6关断，第一电解电容c
fc1
放电，第二电解电容c
fc2
悬浮。此模态下，电网电压ug《0，拓扑输出电压u
out
＝-u
dc
，实现了功率的传输。
37.本发明在传统三电平光伏并网逆变器的基础上，改进拓扑实现五电平输出，降低了输出纹波；通过共地结构，彻底消除了非隔离并网逆变器的共模电流，大大提高了安全性；使用模型预测控制，使控制部分免于调制电路，同时加快了动态响应速度。
38.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
39.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。