CN104158427A - 单相无变压器隔离型z源光伏并网逆变器及调制方法 - Google Patents

Abstract

单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器及调制方法，涉及光伏并网逆变器技术领域。本发明是为了解决传统的Z源逆变器应用到光伏并网***中，使并网效率低并且产生共模电流大的问题。本发明包括一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂、一号电解电容C_Z1、二号电解电容C_Z2、三号电解电容C_PV、一号开关管S₁、二号开关管S₂、三号开关管S₃、四号开关管S₄、五号开关管S₅、第三电感L_Z1和第四电感L_Z2，电网电压调制所述的单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器在正负半周期内均有三种开关模式。它可用在光伏并网***中。

Description

单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器及调制方法

技术领域

本发明涉及单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器。属于光伏并网逆变器技术领域。

背景技术

Z源逆变器应用到光伏并网***中，可以实现用类似于单级式***的结构同时完成升压和逆变两级***的功能，以适应光伏电池电压变化范围大的特点。目前，国内外专家学者对传统型和各种改进型Z源逆变器在光伏并网***中的应用进行了大量的研究，提升了传统Z源逆变器的工作性能，但它们的共同缺点是在实际并网应用中都需要利用额外的变压器作为光伏***与电网之间的电气隔离器件，这样会使***的成本、体积、重量和损耗增加，使***的效率降低，从而使Z源逆变器的优势没有发挥到极致。而非隔离型并网逆变器未使用隔离变压器，简化***并具有成本低、效率高等优点，有助于推动光伏并网发电技术的发展。所以，研究非隔离型Z源光伏并网逆变器，既可以利用Z源逆变器较传统逆变器的优势，又可以在一定程度上发挥非隔离型并网逆变器的优势。

在非隔离型并网逆变器中存在着对共模电流有影响的杂散元件，即光伏阵列与地之间的杂散电容、逆变器输出中点与地之间的杂散电容、逆变器与电网接地点之间串联电阻。这些杂散元件与滤波元件、电网阻抗一起组成共模谐振电路，谐振电路中光伏阵列与地之间的杂散电容两端的电压会因逆变器开关动作而变化，由此激励共模谐振电路产生共模电流。而共模电流的出现会增加***损耗、引起传导干扰和辐射干扰、增加并网电流谐波、影响电磁兼容能力和安全性问题。

传统Z源光伏并网逆变器有高频变化的共模电压，故由此产生了很大的共模电流，该拓扑结构不适用于非隔离型光伏并网逆变***。

发明内容

本发明是为了解决传统的Z源逆变器应用到光伏并网***中，并网效率低并且产生共模电流大的问题。现提供单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器及调制方法。

单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器，它包括光伏阵列模块U_PV、第一电感L_ac1、第二电感L_ac2和电网u_g，它还包括一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂、一号电解电容C_Z1、二号电解电容C_Z2、三号电解电容C_PV、一号开关管S₁、二号开关管S₂、三号开关管S₃、四号开关管S₄、五号开关管S₅、第三电感L_Z1和第四电感L_Z2，

所述光伏阵列模块U_PV的正极输出端同时连接一号快恢复二极管D₁的阳极和三号电解电容C_PV的正极，一号快恢复二极管D₁的阴极同时连接一号电解电容C_Z1的正极和第三电感L_Z1的一端，第三电感L_Z1的另一端同时连接二号电解电容C_Z2的正极和五号开关管S₅的集电极，五号开关管S₅的发射极同时连接一号开关管S₁的集电极和三号开关管S₃的集电极，一号开关管S₁的发射极同时连接二号开关管S₂的集电极和第一电感L_ac1的一端，三号开关管S₃的发射极同时连接四号开关管S₄的集电极和第二电感L_ac2的一端，第一电感L_ac1的另一端连接电网u_g的一端，电网u_g的另一端连接第二电感L_ac2的另一端，

一号电解电容C_Z1的负极同时连接第四电感L_Z2的一端、二号开关管S₂的发射极和四号开关管S₄的发射极，第四电感L_Z2的另一端同时连接二号电解电容C_Z2的负极和二号快恢复二极管D₂的阳极，二号快恢复二极管D₂的阴极同时连接三号电解电容C_PV的负极和光伏阵列模块U_PV的负极输出端。

采用单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器实现的调制方法，该调制方法为：

电网电压调制所述的单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器在正负半周期内均有三种开关模式，

在电网电压为正半周期时，控制逆变器循环工作在有效状态、直通状态、零状态、直通状态和有效状态，所述有效状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 0 0 1 1}，零状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 0 1 0 0}，直通状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 0 1 1 1}；

在电网电压为负半周期时，控制逆变器循环工作在有效状态、直通状态、零状态、直通状态和有效状态，所述有效状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{0 1 1 0 1}，零状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 0 1 0 0}，直通状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 1 1 0 1}。

本发明的有益效果为：本发明所述的五个开关管在电网电压为正负半周期内均能产生3种开关模式，3种开关模式的换流回路均为有效状态、零状态和直通状态且每个半周内有两个开关管分别处于恒导通或恒关断状态，开关状态减少，***的开关损耗降低，并网效率高。在有效状态和零状态时，一号电解电容C_Z1和二号电解电容C_Z2充电，第三电感L_Z1和第四电感L_Z2释放能量，电感电流i_L1和i_L2下降；

在直通状态时，一号电解电容C_Z1和二号电解电容C_Z2放电，第三电感L_Z1和第四电感L_Z2从一号电解电容C_Z1和二号电解电容C_Z2获得能量，在逆变器换流过程中，直通状态处于传统零状态和有效状态之间，并且只有一号开关管S₁和三号开关管S₃续流导通的传统零状态，不存在二号开关管S₂和四号开关管S₄续流导通的零状态，共模电容电压保持恒定；在直通状态下，一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂能够阻断光伏阵列与Z源逆变器，共模电容电压无放电通路。因此，该逆变器拓扑结构共模电流很小。

为了验证本发明方法的实用性，采用所提出的新型单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器拓扑结构，设计了一台额定功率1kW的实验样机。电网电压220VAC，工频50Hz，开关频率为10kHz。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器的原理示意图，

图2为具体实施方式二所述的单相非隔离型Z源逆变器正半周期PWM调制策略原理示意图，附图标记1表示直通状态，T_s表示开关周期，T表示直通时间，

图3为具体实施方式二所述的单相非隔离型Z源逆变器负半周期PWM调制策略原理示意图，附图标记1表示直通状态，

图4为本发明所述的电网电压为正半周期时零状态的电流流向，

图5为本发明所述的电网电压为正半周期时直通状态的电流流向，

图6为本发明所述的电网电压为正半周期时有效状态的电流流向，

图7为本发明所述的电网电压为负半周期时零状态的电流流向，

图8为本发明所述的电网电压为负半周期时直通状态的电流流向，

图9为本发明所述的电网电压为负半周期时有效状态的电流流向，

图10为本发明所述的并网电流和电网电压波形图，附图标记2表示并网电流波形，附图标记3表示电网电压波形，

图11为单相非隔离型Z源光伏并网逆变器非直通状态的等效电路，

图12为单相非隔离型Z源光伏并网逆变器直通状态的等效电路。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器，它包括光伏阵列模块U_PV、第一电感L_ac1、第二电感L_ac2和电网u_g，它还包括一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂、一号电解电容C_Z1、二号电解电容C_Z2、三号电解电容C_PV、一号开关管S₁、二号开关管S₂、三号开关管S₃、四号开关管S₄、五号开关管S₅、第三电感L_Z1和第四电感L_Z2，

所述光伏阵列模块U_PV的正极输出端同时连接一号快恢复二极管D₁的阳极和三号电解电容C_PV的正极，一号快恢复二极管D₁的阴极同时连接一号电解电容C_Z1的正极和第三电感L_Z1的一端，第三电感L_Z1的另一端同时连接二号电解电容C_Z2的正极和五号开关管S₅的集电极，五号开关管S₅的发射极同时连接一号开关管S₁的集电极和三号开关管S₃的集电极，一号开关管S₁的发射极同时连接二号开关管S₂的集电极和第一电感L_ac1的一端，三号开关管S₃的发射极同时连接四号开关管S₄的集电极和第二电感L_ac2的一端，第一电感L_ac1的另一端连接电网u_g的一端，电网u_g的另一端连接第二电感L_ac2的另一端，

一号电解电容C_Z1的负极同时连接第四电感L_Z2的一端、二号开关管S₂的发射极和四号开关管S₄的发射极，第四电感L_Z2的另一端同时连接二号电解电容C_Z2的负极和二号快恢复二极管D₂的阳极，二号快恢复二极管D₂的阴极同时连接三号电解电容C_PV的负极和光伏阵列模块U_PV的负极输出端。

具体实施方式二：参照图2和图3具体说明本实施方式，采用具体实施方式一所述的单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器实现的调制方法，该调制方法为：

在电网电压为正半周期时，控制逆变器循环工作在有效状态、直通状态、零状态、直通状态和有效状态，所述有效状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 0 0 1 1}，零状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 0 1 0 0}，直通状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 0 1 1 1}；

在电网电压为负半周期时，控制逆变器循环工作在有效状态、直通状态、零状态、直通状态和有效状态，所述有效状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{0 1 1 0 1}，零状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 0 1 0 0}，直通状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 1 1 0 1}。

本实施方式的调制方法，是在零状态转换成有效状态之间增加一个T`/2的直通状态，在有效状态转换到零状态之间也增加了一个T`/2的直通状态，该直通状态，处于传统零状态和有效状态之间，一号快恢复二极管D1和二号快恢复二极管D2能够阻断光伏阵列与Z源逆变器，使得共模电容电压无放电通路，因此，使得逆变器拓扑结构的共模电流很小。

具体实施方式三：参照图4、图5和图6具体说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的采用单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器实现的调制方法的不同点在于，在电网电压为正半周期时，三号开关管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产生的信号进行控制，四号开关管S₄的开关状态在与三号开关管S₃互补导通的基础上增加了直通时间，五号开关管S₅的开关状态与四号开关管S₄同步。

本实施方式中，调制比为M的范围为0<M≤1。

本实施方式中，电网电压为正半周期时在零状态S_1,2,3,4,5＝{1 0 1 0 0}，所述一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂和一号开关管S₁导通，二号开关管S₂、四号开关管S₄和五号开关管S₅关断，其中，三号二极管S₃反并联二极管导通，一号电解电容C_Z1和二号电解电容C_Z2充电，第三电感L_Z1和第四电感L_Z2释放能量，电感电流i_L1和i_L2下降；如图4所示，

电网电压为正半周期时在直通状态S_1,2,3,4,5＝{1 0 1 1 1}，所述一号开关管S₁、三号开关管S₃、四号开关管S₄和五号开关管S₅导通，一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂和二号开关管S₂关断，其中，三号开关管S₃反并联二极管导通，一号电解电容C_Z1和二号电解电容C_Z2放电，第三电感L_Z1和第四电感L_Z2从一号电解电容C_Z1和二号电解电容C_Z2获得能量，如图5所示，

电网电压为正半周期时在有效状态S_1,2,3,4,5＝{1 0 0 1 1}，所述一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂、一号开关管S₁、四号开关管S₄和五号开关管S₅导通，二号开关管S₂和三号开关管S₃关断，一号电解电容C_Z1和二号电解电容C_Z2充电，第三电感L_Z1和第四电感L_Z2释放能量，电感电流i_L1和i_L2下降；如图6所示。

具体实施方式四：参照图7、图8和图9具体说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的采用单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器实现的调制方法的不同点在于，在电网电压为负半周期时，一号开关管S₁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产生的信号进行控制，二号开关管S₂的开关状态在与一号开关管S₁互补导通的基础上增加了直通时间，五号开关管S₅的开关状态与二号开关管S₂同步。

电网电压为负半周期时在零状态S_1,2,3,4,5＝{1 0 1 0 0}，所述一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂和三号开关管S₃导通，二号开关管S₂、四号开关管S₄和五号开关管S₅关断，其中，一号开关管S₁反并联的二极管导通，一号电解电容C_Z1和二号电解电容C_Z2充电，第三电感L_Z1和第四电感L_Z2释放能量，电感电流i_L1和i_L2下降；如图7所示，

电网电压为负半周期时在直通状态S_1,2,3,4,5＝{1 1 1 0 1}，所述一号开关管S₁、二号开关管S₂、三号开关管S₃和五号开关管S₅导通，一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂和四号开关管S₄关断，其中，一号二极管S₁反并联的二极管导通，一号电解电容C_Z1和二号电解电容C_Z2放电，第三电感L_Z1和第四电感L_Z2从一号电解电容C_Z1和二号电解电容C_Z2获得能量，如图8所示，

电网电压为负半周期时在有效状态S_1,2,3,4,5＝{0 1 1 0 1}，所述一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂、二号开关管S₂、三号开关管S₃和五号开关管S₅导通，一号开关管S₁和四号开关管S₄关断，一号电解电容C_Z1和二号电解电容C_Z2充电，第三电感L_Z1和第四电感L_Z2释放能量，电感电流i_L1和i_L2下降；如图9所示。

本发明中，电网电压对单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器进行调制，在电网电压正负半周期内均有三种开关模式，在直通状态时，Z源电容放电，Z源电感从Z源电容获得能量。一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂能够阻断光伏阵列与Z源逆变器，共模电容电压无放电通路。

图10为并网电流和电网电压波形，两者频率相等、相位基本一致，满足并网要求。所产生的共模电压波形显示，在有效状态和零状态时，共模电压维持恒定。

本发明中单相非隔离型Z源逆变器的工作原理分析方法与传统Z源逆变器相类似，首先假设Z源网络是对称网络，则一号电解电容C_Z1、二号电解电容C_Z2和第三电感L_Z1和第四电感L_Z2满足：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{Z1}=L_{Z2}=L\\ C_{Z1}=C_{Z2}=C\end{array}\right.---\left(1\right)$

根据对称与等效原理，有

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{L1}=U_{L2}=U_L\\ U_{C1}=U_{C2}=U_C\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据在一个开关周期T_S内逆变桥是否工作在直通模式，单相非隔离型Z源逆变器与传统Z源逆变器一样，也存在两种工作状态：直通状态和非直通状态。直通状态下，Z源储能网络内部电感电容之间进行能量交换，避免了电压或电流的瞬间变化，这在有效保护功率开关器件的同时也为逆变器提供了独特的升降压特性。

(1)非直通状态根据非直通状态电路等效图11)，此时一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂正向导通，Z源网络储能电感通过负载放电，逆变桥可等效为一受控电流源i_i。假设在一个开关周期T_S内，逆变桥工作在非直通状态的时间是T₁，有

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{FB}}=U_C-U_L=2U_C-U_{\mathrm{PV}}\\ U_d=U_{\mathrm{PV}}=U_L+U_C\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，U_PV为光伏阵列模块；U_d为一号快恢复二极管D₁阴极与二号快恢复二极管D₂阳极之间的电压；U_FB为逆变桥母线电压。

(2)直通状态根据直通状态电路等效图12)，此时二极管D₁和D₂承受反压而关断，逆变桥短路。在一个开关周期T_S内，逆变桥直通状态工作时间与非直通状态工作时间互补，设直通状态的工作时间为T(T＝T_S-T₁)，有

$\left\{\begin{array}{c}{U}_L=U_C\\ U_{\mathrm{FB}}=0\\ U_d=2U_C>U_{\mathrm{PV}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

稳定条件下，由直流电感的伏秒平衡原则可知，在一个开关周期内，Z源储能电感两端的平均电压必然为零，由式(3)和式(4)得

U_CT+(U_PV-U_C)T₁＝0         (5)

整理得Z源电容电压为

$U_C=\frac{T_1}{T_1-T}{U}_{\mathrm{PV}}---\left(6\right)$

同理可知，逆变桥直流侧平均电压为

$U_{\mathrm{FB}}=\frac{T_1}{T_1-T}{U}_{\mathrm{PV}}=U_C---\left(7\right)$

在非直通状态下，逆变桥母线峰值电压对输入电压的增益B为

$B=\frac{{\hat{U}}_{\mathrm{FB}}}{U_{\mathrm{PV}}}=\frac{T_S}{T_1-T}=\frac{1}{1-2d_0}\&GreaterEqual;1---\left(8\right)$

其中，为逆变桥母线峰值电压；d₀为直通占空比，d₀＝T′/T_S。

逆变器的正弦调制因子M为

$M=\frac{{\hat{u}}_{\mathrm{ab}}}{{\hat{U}}_{\mathrm{FB}}}---\left(9\right)$

其中，为交流输出正弦电压基波峰值。

因此，整个单相非隔离型Z源逆变器输出电压为

${\hat{u}}_{\mathrm{ab}}={\hat{U}}_{\mathrm{FB}}M=\frac{T_S}{T_1-T}{U}_{\mathrm{PV}}M={\mathrm{BMU}}_{\mathrm{PV}}---\left(10\right)$

由式(10)可知，当非隔离型Z源逆变器应用于光伏并网***时，其交流侧电压被电网所钳制，故通过调制直通占空比和正弦调制因子即可实现任意大小的直流侧输入电压的并网。相比于传统电压源型逆变器，单相非隔离型Z源逆变器在不需要额外中间级变换电路的前提下，扩大了***的变换范围，提高了***的综合性能。

Claims (4)

1.单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器，它包括光伏阵列模块U_PV、第一电感L_ac1、第二电感L_ac2和电网u_g，其特征在于，它还包括一号快恢复二极管D₁、二号快恢复二极管D₂、一号电解电容C_Z1、二号电解电容C_Z2、三号电解电容C_PV、一号开关管S₁、二号开关管S₂、三号开关管S₃、四号开关管S₄、五号开关管S₅、第三电感L_Z1和第四电感L_Z2，

所述光伏阵列模块U_PV的正极输出端同时连接一号快恢复二极管D₁的阳极和三号电解电容C_PV的正极，一号快恢复二极管D₁的阴极同时连接一号电解电容C_Z1的正极和第三电感L_Z1的一端，第三电感L_Z1的另一端同时连接二号电解电容C_Z2的正极和五号开关管S₅的集电极，五号开关管S₅的发射极同时连接一号开关管S₁的集电极和三号开关管S₃的集电极，一号开关管S₁的发射极同时连接二号开关管S₂的集电极和第一电感L_ac1的一端，三号开关管S₃的发射极同时连接四号开关管S₄的集电极和第二电感L_ac2的一端，第一电感L_ac1的另一端连接电网u_g的一端，电网u_g的另一端连接第二电感L_ac2的另一端，

一号电解电容C_Z1的负极同时连接第四电感L_Z2的一端、二号开关管S₂的发射极和四号开关管S₄的发射极，第四电感L_Z2的另一端同时连接二号电解电容C_Z2的负极和二号快恢复二极管D₂的阳极，二号快恢复二极管D₂的阴极同时连接三号电解电容C_PV的负极和光伏阵列模块U_PV的负极输出端。

2.采用权利要求1所述的单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器实现的调制方法，其特征在于，该调制方法为：

电网电压调制所述的单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器在正负半周期内均有三种开关模式，

在电网电压为正半周期时，控制逆变器循环工作在有效状态、直通状态、零状态、直通状态和有效状态，所述有效状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 0 0 1 1}，零状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 0 1 0 0}，直通状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 0 1 1 1}；

在电网电压为负半周期时，控制逆变器循环工作在有效状态、直通状态、零状态、直通状态和有效状态，所述有效状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{0 1 1 0 1}，零状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 0 1 0 0}，直通状态的控制信号为S_1,2,3,4,5＝{1 1 1 0 1}。

3.根据权利要求2所述的采用单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器实现的调制方法，其特征在于，在电网电压为正半周期时，三号开关管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产生的信号进行控制，四号开关管S₄的开关状态在与三号开关管S₃互补导通的基础上增加了直通时间，五号开关管S₅的开关状态与四号开关管S₄同步。

4.根据权利要求2所述的采用单相无变压器隔离型Z源光伏并网逆变器实现的调制方法，其特征在于，在电网电压为负半周期时，一号开关管S₁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产生的信号进行控制，二号开关管S₂的开关状态在与一号开关管S₁互补导通的基础上增加了直通时间，五号开关管S₅的开关状态与二号开关管S₂同步。