CN104410310A - 用于抑制共模漏电流的中点箝位型h桥光伏逆变器及方法 - Google Patents

用于抑制共模漏电流的中点箝位型h桥光伏逆变器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器及方法，包括：依次串联连接的光伏电池板、直流侧滤波电路、单相全桥逆变电路以及交流侧滤波电路；在所述直流侧滤波电路与单相全桥逆变电路之间串接共模漏电流抑制电路；在电网电压的整个周期内，通过控制单相全桥逆变电路以及共模漏电流抑制电路中开关的动作，使得光伏逆变器的共模电压在开关高频动作下始终保持为Udc/2不变，从而抑制共模漏电流的大小，而且该逆变器的开关调制策略能够避免因电网功率波动影响或工作于非单位功率因数而导致的电流波形畸变。

Description

用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器及方法
技术领域
本发明涉及一种非隔离型光伏并网逆变器，尤其涉及一种用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器及其工作方法。
背景技术
近几年来，随着世界范围内化石燃料的不断消耗，能源紧张的问题日益严重，因此，可再生能源的研究受到世界各国越来越多的关注。太阳能光伏发电技术是可再生能源应用的一个重要领域，光伏逆变器是并网光伏发电***的关键部分，它的主要作用是将光伏电池板发出来的直流电转换成与电网同步的交流电。在太阳能光伏并网***中传统的光伏并网逆变器在输出端一般会安装工频变压器，以实现对电压的调整以及对电网的隔离，但是工频变压器体积大、成本高、损耗大，不利于逆变器整体效率的改善，因此对于无工频变压器的非隔离型光伏并网逆变器的研究成为热点。在非隔离型光伏并网逆变***中，由于逆变器和电网之间没有电气隔离，在逆变器高频开关的作用下，会产生共模电流，共模电流流经***的共模回路，在光伏板的对地寄生电容中会产生共模漏电流。
传统单相H全桥逆变器中共模电压及共模电流的模型。如图1所示为传统非隔离型单相光伏并网***的结构图。在图1中，H4电路的四个开关动作在高频状态下，在工频周期内会激发一个共模电压Ucm，由于光伏电池板对地存在一个杂散电容Cpv，因此共模电压在电路中会产生流经杂散电容、大地以及电路部分的共模漏电流Icm。共模电流的谐振回路在图1中用虚线和箭头表示。共模电压公式为：
Ucm-AB＝(UAO+UBO)/2
共模电流的公式可以表示为：
Icm＝CpdUcm/dt
非隔离型光伏逆变***产生的共模漏电流严重时会对人身安全造成危害,尤其是在传统的单相全桥逆变器中，如果采用单极性开关调制策略，则会使共模电压产生较大的波动，进而带来严重的共模漏电流问题。
发明内容
本发明的目的是解决以上问题，提出了一种用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器及方法。该单相逆变器保证***的共模电压在开关动作的过程中保持恒定，从而使共模漏电流的大小得到抑制，同时在续流状态下电路的的拓扑结构可以将光伏模块和电网隔离，避免功率交换，从而提高了效率，此外这种新型的拓扑结构采用的开关调制方式还能保证逆变器在单位功率因数运行时不受电流过零点畸变的影响。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器,包括：
依次串联连接的光伏电池板、直流侧滤波电路、单相全桥逆变电路以及交流侧滤波电路；在所述直流侧滤波电路与单相全桥逆变电路之间串接共模漏电流抑制电路；
在电网电压的整个周期内，通过控制单相全桥逆变电路以及共模漏电流抑制电路中开关的动作，使得光伏逆变器的共模电压在开关高频动作下始终保持为Udc/2不变，其中Udc为直流侧电压。
所述共模漏电流抑制电路包括：
依次串联连接在单相全桥逆变电路开关S1和开关S2之间的开关S5和开关S6；
二极管D1和二极管D2同向串联连接组成串联支路一，所述串联支路一的正向输入端连接在开关S2和开关S6之间、串联支路一的正向输出端连接在开关S1和开关S5之间；
二极管D3和二极管D4同向串联连接组成串联支路二，所述串联支路二的正向输入端连接在开关S2和开关S6之间、串联支路一的正向输出端连接在开关S1和开关S5之间。
所述共模漏电流抑制电路还允许为：
依次串联连接在单相全桥逆变电路开关S1和开关S2之间的开关S5和开关S6；
依次串联连接的开关S8和开关S7的一端与直流侧滤波电路连接、另一端连接在开关S5和开关S6之间；
二极管D1和二极管D2同向串联连接组成串联支路三，所述串联支路三的正向输入端连接在开关S2和开关S6之间、串联支路三的正向输出端连接在开关S1和开关S5之间。
所述开关S5、S6、S7和S8分别为开关管MOSFET或者IGBT中的一种。
所述直流侧滤波电路为串联连接的滤波电容C1和C2。
所述交流侧滤波电路为滤波电感。
一种用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器的工作方法,包括：
在电网电压的正半周期，逆变器处于功率输出状态时，开关S1、S4和S5导通，其它开关关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2；
在电网电压的正半周期，逆变器处于零电压续流状态时，开关S5保持导通状态，S6导通，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
在电网电压的负半周期，逆变器处于功率输出状态时，开关S2、S3和S6导通，其它开关关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2；
在电网电压的负半周期，逆变器处于零电压续流状态时，开关S6保持导通状态，S5导通，此时逆变器共模电压保持为Ucm＝Udc/2。
一种用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器的工作方法,还允许为：
在电网电压的正半周期，逆变器处于功率输出状态时，开关S1、S4和S5导通，其它开关关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2；
在电网电压的正半周期，逆变器处于零电压续流状态时，开关S5保持导通状态，S6、S7和S8导通，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
在电网电压的负半周期，逆变器处于功率输出状态时，开关S2、S3和S6导通，其它开关关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2；
在电网电压的负半周期，逆变器处于零电压续流状态时，开关S6保持导通状态，S5、S7和S8导通，此时逆变器共模电压保持为Ucm＝Udc/2。
本发明有益效果：
本发明拓扑结构在开关的高频动作下，使逆变器的共模电压保持为直流电压的一半，保证***的共模电压在开关动作的过程中保持恒定，从而使共模漏电流的大小得到抑制，同时在续流状态下电路的的拓扑结构可以将光伏模块和电网隔离，避免功率交换，从而提高了效率。
本发明拓扑结构与传统H全桥逆变器相比，有效的解决了目前非隔离型单相光伏并网逆变器共模漏电流的问题，采用的开关调制方式还能保证逆变器在单位功率因数运行时不受电流过零点畸变的影响，并且可以充分利用元器件性能，提高逆变器安全系数，实现对输出电能质量的改善。
附图说明
图1为传统H4桥光伏并网逆变器共模回路等效电路图；
图2为本发明实施例一中光伏逆变器电路结构示意图；
图3为本发明实施例二中光伏逆变器电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
一种应用于抑制共模漏电流的非隔离型单相全桥光伏并网逆变器结构如图2和图3所示。包括：依次串联连接的光伏电池板、直流侧滤波电路、单相全桥逆变电路以及交流侧滤波电路；在所述直流侧滤波电路与单相全桥逆变电路之间串接共模漏电流抑制电路；
在电网电压的整个周期内，通过控制单相全桥逆变电路以及共模漏电流抑制电路中开关的动作，使得光伏逆变器的共模电压在开关高频动作下始终保持为Udc/2不变，其中Udc为直流侧电压。直流侧滤波电路为串联连接的滤波电容C1和C2。交流侧滤波电路为滤波电感。
实施例一：
图2所示的逆变器结构中的共模漏电流抑制电路为在传统单相全桥逆变电路的基础上增加了两个开关管S5、S6和四个二极管D1到D4，增加的两个开关管S5、S6的作用是在开关高频动作的过程中为电流提供续流回路，保证在高频开关的动作过程中***共模电压恒定，增加的四个二极管中的其中两个用于提供续流会路，另外两个二极管用于在续流过程中将共模电压钳位至直流电压的一半，从而进一步抑制共模漏电流的大小。
开关的调制方式在电网电压的一个周期内分为四个阶段，分别为模式一到模式四：
在电网电压的正半周期的模式一中，逆变器处于功率输出状态，开关S1和S4、S5导通，其它开关关断，此时的共模电压Ucm＝Udc/2，在电网正半周期的模式二中，逆变器处于零电压续流状态，开关S5保持导通状态，S6导通，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2。
在电网电压的负半周期内，同理，在模式三中，逆变器处于功率输出状态，开关S2和S3、S6导通，其它开关关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2，在电网负半周期的模式四中，逆变器处于零电压续流状态，开关S6保持导通状态，S5导通，此时逆变器共模电压保持为Ucm＝Udc/2。
实施例二：
图3所示逆变器结构中的共模漏电流抑制电路为在传统H4桥逆变电路的基础上增加了四个开关管S5至S8和两个二极管D1、D2，其中整个工频周期内图3所示逆变器在模式一到模式四的四个开关状态下S1至S6与实施例一中的S1至S6开关调制策略相同，图3所示逆变器中的S7和S8两个开关在电网电压正半周期内与S1、S4互补导通，负半周期内与S2、S3互补导通。
这样在电网电压的整个周期内，逆变器的共模电压保持为Udc/2,因此共模漏电流Icm＝CPVdUcm/dt将得到极大的抑制，从而消除了人身或设备受到漏电流的危害。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器,其特征是，包括：
依次串联连接的光伏电池板、直流侧滤波电路、单相全桥逆变电路以及交流侧滤波电路；在所述直流侧滤波电路与单相全桥逆变电路之间串接共模漏电流抑制电路；
在电网电压的整个周期内，通过控制单相全桥逆变电路以及共模漏电流抑制电路中开关的动作，使得光伏逆变器的共模电压在开关高频动作下始终保持为Udc/2不变，其中Udc为直流侧电压。
2.如权利要求1所述的一种用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器,其特征是，所述共模漏电流抑制电路包括：
依次串联连接在单相全桥逆变电路开关S1和开关S2之间的开关S5和开关S6；
二极管D1和二极管D2同向串联连接组成串联支路一，所述串联支路一的正向输入端连接在开关S2和开关S6之间、串联支路一的正向输出端连接在开关S1和开关S5之间；
二极管D3和二极管D4同向串联连接组成串联支路二，所述串联支路二的正向输入端连接在开关S2和开关S6之间、串联支路一的正向输出端连接在开关S1和开关S5之间。
3.如权利要求1所述的一种用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器,其特征是，所述共模漏电流抑制电路还允许为：
依次串联连接在单相全桥逆变电路开关S1和开关S2之间的开关S5和开关S6；
依次串联连接的开关S8和开关S7的一端与直流侧滤波电路连接、另一端连接在开关S5和开关S6之间；
二极管D1和二极管D2同向串联连接组成串联支路三，所述串联支路三的正向输入端连接在开关S2和开关S6之间、串联支路三的正向输出端连接在开关S1和开关S5之间。
4.如权利要求2或3所述的一种用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器，其特征是，所述开关S5、S6、S7和S8分别为开关管MOSFET或者IGBT中的一种。
5.如权利要求1所述的一种用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器，其特征是，所述直流侧电路为串联连接的两相等的电容C1和C2。
6.如权利要求1所述的一种用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器，其特征是，所述交流侧滤波电路为滤波电感。
7.一种如权利要求2所述的用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器的工作方法,其特征是，包括：
在电网电压的正半周期，逆变器处于功率输出状态时，开关S1、S4和S5导通，其它开关关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2；
在电网电压的正半周期，逆变器处于零电压续流状态时，开关S1、S4关断，S5保持导通状态，S6导通，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
在电网电压的负半周期，逆变器处于功率输出状态时，开关S2、S3和S6导通，其它开关关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2；
在电网电压的负半周期，逆变器处于零电压续流状态时，开关S2、S3关断，S6保持导通状态，S5导通，此时逆变器共模电压保持为Ucm＝Udc/2。
8.一种如权利要求3所述的用于抑制共模漏电流的中点箝位型H桥光伏逆变器的工作方法,其特征是，包括：
在电网电压的正半周期，逆变器处于功率输出状态时，开关S1、S4和S5导通，其它开关关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2；
在电网电压的正半周期，逆变器处于零电压续流状态时，开关S1、S4关断，S5保持导通状态，S6、S7和S8导通，此时共模电压保持为Ucm＝Udc/2；
在电网电压的负半周期，逆变器处于功率输出状态时，开关S2、S3和S6导通，其它开关关断，此时共模电压Ucm＝Udc/2；
在电网电压的负半周期，逆变器处于零电压续流状态时，开关S2、S3关断，S6保持导通状态，S5、S7和S8导通，此时逆变器共模电压保持为Ucm＝Udc/2。
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