CN104300822A - 带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法 - Google Patents

带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法 Download PDF

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CN104300822A CN201410501343.6A CN201410501343A CN104300822A CN 104300822 A CN104300822 A CN 104300822A CN 201410501343 A CN201410501343 A CN 201410501343A CN 104300822 A CN104300822 A CN 104300822A
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叶海云
袁颖
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Abstract

本发明提供一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法，对逆变器中的开关管采用两段式控制：使第一开关管的栅源控制波形和第四开关管的栅源控制波形相同，且栅源控制波形在逆变器输出电流正半周期为SPWM波形、负半周期为零；使第二开关管的栅源控制波形和第三开关管的栅源控制波形相同，且栅源控制波形在逆变器输出电流正半周期为零、负半周期为SPWM波形；使第五开关管和第六开关管的栅源控制波形在逆变器输出电流正半周期与第一开关管的栅源控制波形和第四开关管的栅源控制波形互补，在逆变器输出电流负半周期与第二开关管的栅源控制波形和第三开关管栅源控制波形互补。利用本方法可提高非隔离光伏逆变器的变换效率，改善共模特性。

Description

带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子直流-交流变换技术领域，具体而言涉及一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法，适用于光伏发电场合。
背景技术
光伏并网逆变器要求效率高、成本低，能够承受光伏电池输出电压波动大的不良影响，而且其交流输出也要满足较高的电能质量。
按照逆变器是否带有隔离变压器可以分为隔离型和非隔离型。隔离型光伏逆变器实现了电网和电池板的电气隔离，保障了人身和设备安全，但其体积大，价格高，***变换效率较低。非隔离光伏逆变器结构不含变压器，具有效率高、体积小、重量轻、成本低等诸多优势。
目前，非隔离光伏逆变器***的最高效率可以达到98%以上。但是，变压器的移除使得输入输出之间存在电气连接，由于电池板对地电容的存在，逆变器工作时会产生共模漏电流，增大***电磁干扰，影响逆变器电流的质量，危害人身和设备安全。
为了保证人身和设备安全，漏电流必须被抑制在一定的范围内。根据德国DIN VDE 0126-1-1标准，当对地漏电流瞬时值大于300mA时，光伏并网***必须在0.3s内与电网断开。因此，在确定无共模漏电流的前提下，尽可能地提高光伏逆变器的效率、降低器件成本成为了目前光伏逆变器的急需要解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法，旨在消除共模漏电流，改善逆变器共模特性，提高逆变器的变换效率。
本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。
为达成上述目的，本发明所采用的的技术方案如下：
一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法，该带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器包括：一单相全桥逆变器、一箝位电容组、一续流箝位开关、一LCL滤波电路和一电阻，其中：
所述续流箝位开关由一单相不控整流桥和两个开关管组成；
所述箝位电容组由两个输入电容组成；
所述单相全桥逆变器由四个开关管组成；
所述单相不控整流桥由四个整流二极管组成；
所述LCL滤波电路由第一滤波电感、第二滤波电感和滤波电容组成；
所述单相全桥逆变器、箝位电容组、续流箝位开关、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；
逆变器交流侧采用前述的四个整流二极管组成单相不控整流桥，其中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；
第一开关管的源极和第二开关管的漏极的连接点分别与第一整流二极管的阳极、第三整流二极管的阴极和第一滤波电感的一端相连；第一滤波电感的另一端分别与滤波电容的一端和电阻的一端相连；
第三开关管的源极和第四开关管的漏极的连接点分别与第二整流二极管的阳极、第四整流二极管的阴极和第二滤波电感的一端相连；第二滤波电感的另一端分别与滤波电容的另一端和电阻的另一端相连；
第五开关管的漏极与单相不控整流桥的共阴极相连，其源极与第一输入电容的负极、第二输入电容的正极相连；
第六开关管的漏极与第一输入电容的负极、第二输入电容的正极相连，其源极与单相不控整流桥的共阳极相连；
对所述带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法，其包括：
1）使前述第一开关管的栅源控制波形和第四开关管的栅源控制波形相同，且栅源控制波形在逆变器输出电流正半周期为SPWM波形、逆变器输出电流负半周期为零；
2）使第二开关管的栅源控制波形和第三开关管的栅源控制波形相同，且栅源控制波形在逆变器输出电流正半周期为零、逆变器输出电流负半周期为SPWM波形；以及
3）使第五开关管和第六开关管的栅源控制波形在逆变器输出电流正半周期与第一开关管的栅源控制波形和第四开关管的栅源控制波形互补，在逆变器输出电流负半周期与第二开关管的栅源控制波形和第三开关管栅源控制波形互补。
由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明的控制方法结合了带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的电路拓扑结构，提出的控制方法实现对逆变器的控制，解决了非隔离光伏逆变器不能完全消除共模漏电流、变换效率低等技术问题，可有效提高非隔离光伏逆变器的变换效率，改善非隔离光伏逆变器的共模特性，具有显著的现实应用和工程应用价值。
附图说明
图1为本发明一实施方式带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的电路结构示意图。
图2为图1实施例带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法中控制波形的产生示意图。
图3a-3d为图1实施例带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的模态示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
如图1所示，根据本发明的较优实施例，一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器，包括：一单相全桥逆变器、一箝位电容组、一续流箝位开关、一LCL滤波电路和一电阻，其中续流箝位开关由一单相不控整流桥和两个开关管（S 5 、S 6）组成，箝位电容组由两个输入电容（C dc1、C dc2）组成，其中：
所述单相全桥逆变器由四个开关管（S 1 、S 2 、S 3 、S 4）组成；
所述单相不控整流桥由四个整流二极管（D 1，D 2，D 3，D 4）组成；
所述LCL滤波电路由第一滤波电感L f1、第二滤波电感L f2和滤波电容C f 组成；
所述单相全桥逆变器、箝位电容组、续流箝位开关、LCL滤波电路和电阻之间的连接如下：
所述第一输入电容C dc1的正极、第一开关管S 1、第三开关管S 3的漏极分别与一太阳能电池U PV的正极相连；
所述第二输入电容C dc2的负极、第二开关管S 2、第四开关管S 4的源极分别与一太阳能电池U PV的负极相连；
所述第一开关管S 1的源极与第二开关管S 2的漏极相连；第三开关管S 3的源极与第四开关管S 4的漏极相连；
逆变器交流侧采用前述的四个整流二极管（D 1，D 2，D 3，D 4）组成单相不控整流桥，其中第一整流二极管D 1和第二整流二极管D 2共阴极，第三整流二极管D 3和第四整流二极管D 4共阳极，第一整流二极管D 1的阳极与第三整流二极管D 3的阴极相连，第二整流二极管D 2的阳极与第四整流二极管D 4的阴极相连；
第一开关管S 1的源极和第二开关管S 2的漏极的连接点A分别与第一整流二极管D 1的阳极、第三整流二极管D 3的阴极和第一滤波电感L f1的一端相连；第一滤波电感L f1的另一端分别与滤波电容C f 的一端和电阻R的一端相连；
第三开关管S 3的源极和第四开关管S 4的漏极的连接点B分别与第二整流二极管D 2的阳极、第四整流二极管D 4的阴极和第二滤波电感L f2的一端相连；第二滤波电感L f2的另一端分别与滤波电容C f 的另一端和电阻R的另一端相连；
第五开关管S 5的漏极与单相不控整流桥的共阴极相连，其源极与第一输入电容C dc1的负极、第二输入电容C dc2的正极相连；
第六开关管S 6的漏极与第一输入电容C dc1的负极、第二输入电容C dc2的正极相连，其源极与单相不控整流桥的共阳极相连。
根据本发明的公开，一种图1实施例的带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法，对前述六个开关管采用两段式控制方式，即：对带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器中的第一开关管S 1和第四开关管S 4采用两段式控制，即在逆变器输出电流正半周期采用SPWM双极性控制，在逆变器输出电流负半周期始终保持关断，开关管栅源控制波形分别为v gs1和v gs4；对第二开关管S 2和第三开关管S 3也采用两段式控制，即在逆变器输出电流正半周期始终保持关断，在逆变器输出电流负半周期采用SPWM双极性控制，开关管栅源控制波形分别为v gs2和v gs3；对第五开关管S 5和第六开关管S 6同样采用两段式控制，即在逆变器输出电流正半周期与第一开关管S 1和第四开关管S 4的控制信号互补导通，在逆变器输出电流负半周期与第二开关管S 2和第三开关管S 3的控制信号互补导通，开关管栅源控制波形分别为v gs5和v gs6。该控制方法可使开关管S 1和S 4只工作在正半周期，开关管S 2和S 3只工作在负半周期，减小了器件开关损耗。续流箝位开关（由整流桥和开关管S 5和S 6组成）可构成续流回路，使得续流阶段续流电流不流经电源，省去了能量回馈电源这个环节，提高了非隔离光伏逆变器的转换效率。
具体地，作为一个示例性实施方式，通过下述方式来实现：
1）使前述第一开关管S 1的栅源控制波形v gs1和第四开关管S 4的栅源控制波形v gs4相同，且前述两个栅源控制波形v gs1、v gs4在逆变器输出电流正半周期为SPWM波形、逆变器输出电流负半周期为零；
2）使第二开关管S 2的栅源控制波形v gs2和第三开关管S 3的栅源控制波形v gs3相同，且前述两个栅源控制波形v gs2、v gs3在逆变器输出电流正半周期为零、逆变器输出电流负半周期为SPWM波形；以及
3）使第五开关管S 5 的栅源控制波形v gs5和第六开关管S 6 的栅源控制波形v gs6在逆变器输出电流正半周期与第一开关管的栅源控制波形v gs1和第四开关管的栅源控制波形v gs4互补，在逆变器输出电流负半周期与第二开关管的栅源控制波形v gs2和第三开关管栅源控制波形v gs3互补。
结合图2所示，为控制波形的产生示意图，图中从上至下的波形分别为：调制波v r ，第一路三角载波v c1，第二路三角载波v c2，第一开关管S 1的栅源电压波形v gs1；第二开关管S 2的栅源电压波形v gs2；第三开关管S 3的栅源电压波形v gs3；第四开关管S 4的栅源电压波形v gs4；第五开关管S 5的栅源电压波形v gs5；第六开关管S 6的栅源电压波形v gs6。
结合图1和图2所示，本实施例中，作为优选的实施，通过下述方式来产生控制波形：
1）生成一路正弦调制波（图2所示的调制波v r ）和一路三角波，假设正弦调制波v r 的幅值为U r ，且三角波的幅值U c 大于等于U r /2；
2）对前述三角波进行处理，产生两路载波（v c1、v c2）；以及
3）将前述步骤的正弦调制波v r 分别与第一路三角载波v c1和第二路三角载波v c2进行交截，分别产生所述六个开关管（S1、S 2、S 3、S 4、S 5 、S 6 ）的栅极控制波形。
优选地，对前述三角波进行如下处理，产生两路载波v c1、v c2：
1）将三角波加入正向直流偏置，偏置值为U c ，产生第一路三角载波v c1；以及
2）将三角波先反向再加入负向直流偏置，偏置值为U c ，产生第二路三角载波v c2。
更优选地，前述六个开关管（S1、S 2、S 3、S 4、S 5 、S 6 ）的栅极控制波形的产生过程如下：
1）将前述步骤生成的正弦调制波与第一路三角载波v c1交截产生第一开关管S 1的栅源控制波形v gs1和第四开关管S 4的栅源控制波形v gs4；
2）将前述步骤生成的正弦调制波与第二路三角载波v c2交截产生第二开关管S 2的栅源控制波形v gs2和第三开关管S 3的栅源控制波形v gs3；以及
3）第五开关管S 5的栅源控制波形v gs5和第六开关管S 6的栅源控制波形v gs6由v gs1和v gs2做或非运算得到。
图3a-3d所示为根据图2所示的控制波形图1实施例的非隔离光伏逆变器的模态变化示意图，其中，该非隔离光伏逆变器在一个逆变周期内可分为4种工作模态，分别对应 [                                               ，]、[，]、[，]和[，]四个时间段。图3a-3d中，虚线部分标出表明在对应的模态图中，相应的部件不导通或处于关断状态。以下简要说明了各工作模态时逆变器的工作原理：
模态1：
如图3a所示，在[，]阶段，开关管、的栅源电压为高电平，、处于导通状态；开关管、、和的栅源电压为零，、、和处于关断状态。电流从电源正极流出，流经、、负载、、，最后流回电源负极。此时V AQ= V PV，V BQ= 0，故逆变器桥臂中点电压V AB= V PV，共模电压V cm=(V AQ+V BQ)/2=0.5V PV。
模态2：
如图3b所示，在[，]阶段，开关管、、和的栅源电压为零，、、和处于关断状态；开关管和的栅源电压为高电平，和处于导通状态。电感电流续流，电流依次流经L f1，负载，L f2，D 2，，，D 3；续流阶段，太阳能电池板输出端与电网断开。整个续流阶段，V AQ= 0.5V PV，V BQ= 0.5V PV，故逆变器桥臂中点电压V AB=0，共模电压V cm=(V AQ+V BQ)/2=0.5V PV。
模态3：
如图3c所示，在[，]阶段，开关管、的栅源电压为高电平，、处于导通状态；开关管、、和的栅源电压为零，、、和处于关断状态。电流从电源正极流出，流经、、负载、、，最后流回电源负极。此时V AQ=0，V BQ= V PV，故逆变器桥臂中点电压V AB=-V PV，共模电压V cm=(V AQ+V BQ)/2=0.5V PV。
模态4：
如图3d所示，在[，]阶段，开关管、、和的栅源电压为零，、、和处于关断状态；开关管和的栅源电压为高电平，和处于导通状态。电感电流续流，电流依次流经L f2，负载，L f1，D 1，，，D 4。续流阶段，太阳能电池板输出端与电网断开。整个续流阶段，V AQ= 0.5V PV，V BQ= 0.5V PV，故逆变器桥臂中点电压V AB=0，共模电压V cm=(V AQ+V BQ)/2=0.5V PV。
由以上分析说明可知，本发明的控制方法结合了带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的电路拓扑结构（在逆变器直流输入电容的中点和单相不控整流桥之间加入两个续流箝位开关管），提出的控制方法实现对逆变器的控制，解决了非隔离光伏逆变器不能完全消除共模漏电流、变换效率低等技术问题，可有效提高非隔离光伏逆变器的变换效率，改善非隔离光伏逆变器的共模特性，且可确保使用时的人身和设备安全，具有显著的现实应用和工程应用价值。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (4)

1.一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法，其特征在于，该带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器包括：一单相全桥逆变器、一箝位电容组、一续流箝位开关、一LCL滤波电路和一电阻，其中:
所述续流箝位开关由一单相不控整流桥和两个开关管（S 5、S 6）组成；
所述箝位电容组由两个输入电容（C dc1、C dc2）组成；
所述单相全桥逆变器由四个开关管（S 1 、S 2 、S 3 、S 4）组成；
所述单相不控整流桥由四个整流二极管（D 1，D 2，D 3，D 4）组成；
所述LCL滤波电路由第一滤波电感（L f1）、第二滤波电感（L f2）和滤波电容（C f ）组成；
所述单相全桥逆变器、箝位电容组、续流箝位开关、LCL滤波电路和电阻之间的连接如下：
所述第一输入电容（C dc1）的正极、以及所述单相全桥逆变器的第一开关管（S 1）、第三开关管（S 3）的漏极分别与一太阳能电池（U PV）的正极相连；
所述第二输入电容（C dc2）的负极、以及所述单相全桥逆变器的第二开关管（S 2）、第四开关管（S 4）的源极分别与所述太阳能电池（U PV）的负极相连；
所述第一开关管（S 1）的源极与第二开关管（S 2）的漏极相连；第三开关管（S 3）的源极与第四开关管（S 4）的漏极相连；
逆变器交流侧采用前述的四个整流二极管（D 1，D 2，D 3，D 4）组成单相不控整流桥，其中第一整流二极管（D 1）和第二整流二极管（D 2）共阴极，第三整流二极管（D 3）和第四整流二极管（D 4）共阳极，第一整流二极管（D 1）的阳极与第三整流二极管（D 3）的阴极相连，第二整流二极管（D 2）的阳极与第四整流二极管（D 4）的阴极相连；
第一开关管（S 1）的源极和第二开关管（S 2）的漏极的连接点（A）分别与第一整流二极管（D 1）的阳极、第三整流二极管（D 3）的阴极和第一滤波电感（L f1）的一端相连；第一滤波电感（L f1）的另一端分别与滤波电容（C f ）的一端和电阻（R）的一端相连；
第三开关管（S 3）的源极和第四开关管（S 4）的漏极的连接点（B）分别与第二整流二极管（D 2）的阳极、第四整流二极管（D 4）的阴极和第二滤波电感（L f2）的一端相连；第二滤波电感（L f2）的另一端分别与滤波电容（C f ）的另一端和电阻（R）的另一端相连；
第五开关管（S 5）的漏极与单相不控整流桥的共阴极相连，其源极与第一输入电容（C dc1）的负极、第二输入电容（C dc2）的正极相连；
第六开关管（S 6）的漏极与第一输入电容（C dc1）的负极、第二输入电容（C dc2）的正极相连，其源极与单相不控整流桥的共阳极相连；
对所述带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法，其包括：
1）使前述第一开关管（S 1）的栅源控制波形（v gs1）和第四开关管（S 4）的栅源控制波形（v gs4）相同，且前述两个栅源控制波形（v gs1、v gs4）在逆变器输出电流正半周期为SPWM波形、逆变器输出电流负半周期为零；
2）使第二开关管（S 2）的栅源控制波形（v gs2）和第三开关管（S 3）的栅源控制波形（v gs3）相同，且前述两个栅源控制波形（v gs2、v gs3）在逆变器输出电流正半周期为零、逆变器输出电流负半周期为SPWM波形；以及
3）使第五开关管（S 5）和第六开关管（S 6）的栅源控制波形（v gs5、v gs6）在逆变器输出电流正半周期与第一开关管的栅源控制波形（v gs1）和第四开关管的栅源控制波形（v gs4）互补，在逆变器输出电流负半周期与第二开关管的栅源控制波形（v gs2）和第三开关管栅源控制波形（v gs3）互补。
2.根据权利要求1所述的带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法，其特征在于，前述控制方法中，通过下述方式来产生控制波形：
1）生成一路正弦调制波和一路三角波，假设正弦调制波（v r ）的幅值为U r ，且三角波的幅值U c 大于等于U r /2；
2）对前述三角波进行处理，产生两路载波（v c1、v c2）；以及
3）将前述步骤的正弦调制波（v r ）分别与第一路三角载波（v c1）和第二路三角载波（v c2）进行交截，分别产生所述六个开关管（S1、S 2、S 3、S 4、S 5 、S 6）的栅极控制波形。
3.根据权利要求2所述的带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法，其特征在于，前述步骤中，对前述三角波进行如下处理，产生两路载波（v c1、v c2）：
1）将三角波加入正向直流偏置，偏置值为U c ，产生第一路三角载波（v c1）；以及
2）将三角波先反向再加入负向直流偏置，偏置值为U c ，产生第二路三角载波（v c2）。
4.根据权利要求2所述的带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制方法，其特征在于，前述步骤中，六个开关管（S1、S 2、S 3、S 4、S 5 、S 6）的栅极控制波形的产生过程如下：
1）将前述步骤生成的正弦调制波与第一路三角载波（v c1）交截产生第一开关管（S 1）的栅源控制波形（v gs1）和第四开关管（S 4）的栅源控制波形（v gs4）；
2）将前述步骤生成的正弦调制波与第二路三角载波（v c2）交截产生第二开关管（S 2）的栅源控制波形（v gs2）和第三开关管（S 3）的栅源控制波形（v gs3）； 
3）以及，第五开关管（S 5）和第六开关管（S 6）的栅源控制波形（v gs5、v gs6）由（v gs1）和（v gs2）做或非运算得到。
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