CN110649832A - 一种三相四开关并网逆变器拓扑结构及其共模电压计算方法 - Google Patents

一种三相四开关并网逆变器拓扑结构及其共模电压计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三相四开关并网逆变器拓扑结构，包括直流电源、直流侧两个串联的储能电容、分布电容、全桥逆变桥、2个电感；所述的直流电源正极连接直流侧上边储能电容C1的正极、全桥逆变桥IGBT集电极或者MOSFET漏极；直流电源负极连接直流侧下边储能电容C2的负极、全桥逆变桥IGBT发射极或者MOSFET源极，Cp为光伏板对地分布电容；全桥逆变桥的输出端接入电感L后接三相电中性点，两个串联的储能电容中点引出ia接三相电中性点，三相电中性点接地。本发明提供的一种三相四开关并网逆变器拓扑结构，通过去掉连接电容桥臂中点的并网滤波电感，降低成本的同时大大降低了并网逆变器共模电压变化率，有效的抑制了漏电流的产生。

Description

一种三相四开关并网逆变器拓扑结构及其共模电压计算方法
技术领域
本发明涉及到光伏发电技术领域，更具体的，涉及一种三相四开关并网逆变器拓扑结构及其共模电压计算方法。
背景技术
在非隔离型光伏并网逆变器中，光伏阵列与大地之间存在较大的对地分布电容，形成了由分布电容、滤波元件和电网阻抗组成的共模谐振回路；在逆变器高频开关作用下，共模电压的变化会产生共模电流。当共模电流流过谐振回路时，光伏阵列的对地分布电容会产生漏电流，漏电流的产生不仅会降低并网电流的质量，引起电流畸变，增加谐波及损耗，还会带来电磁干扰问题，降低***的安全性和可靠性，甚至危及设备及人身安全。因此降低光伏***的共模电压从而抑制对地漏电流是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术中光伏阵列的对地分布电容会产生漏电流，漏电流的产生不仅会降低并网电流的质量，引起电流畸变，增加谐波及损耗，还会带来电磁干扰问题，降低***的安全性和可靠性的技术缺陷，
本发明第一方面提供一种三相四开关并网逆变器拓扑结构，本发明采用的技术方案是：
一种三相四开关并网逆变器拓扑结构，包括以下步骤：
直流电源、直流侧两个串联的储能电容、分布电容、全桥逆变桥、2个电感；
所述的直流电源正极连接直流侧上边储能电容C1的正极、全桥逆变桥IGBT集电极；直流电源负极连接直流侧下边储能电容C2的负极、全桥逆变桥IGBT发射极或者MOSFET源极，Cp为光伏板对地分布电容，其一端连接储能电容C2的负极；全桥逆变桥的输出端接入电感L后接三相电中性点，两个串联的储能电容中点引出ia接三相电中性点，三相电中性点接地。
在一种优选方案中，所述的全桥逆变桥的全部开关器件均为IGBT或MOSFET。
在一种优选方案中，所述的逆变回路单元包括IGBT/Sb和IGBT/Sc，其中IGBT/Sb包括串联的IGBT/Sb1和IGBT/Sb2，其中IGBT/Sc包括串联的IGBT/Sc1和IGBT/Sc2；IGBT/Sb1的集电极与电容C1的一端、直流电晕的正极电连接，IGBT/Sb2的发射极与电容C2一端、直流电源的负极电连接；IGBT/Sc1的集电极与电容C1的一端、直流电源的正极电连接，IGBT/Sc2的发射极与电容C2一端、直流电源的负极电连接；四个IGBT的基极与电源驱动进行电连接，所述的电感的输入端分别在连接IGBT/Sb1与IGBT/Sb2之间、IGBT/Sc1与IGBT/Sc2之间。
本发明第二发明提供一种三相四开关并网逆变器拓扑结构共模电压计算方法，应用于上述的三相四开关并网逆变器拓扑结构，包括以下步骤：
S1.对三相四开关并网逆变器拓扑结构进行简化；
S2.对S1所得的简化模型进行等效；
S3.计算逆变器的共模电压。
在一种优选方案中，在步骤S1所得的简化模型中：
Figure BDA0002196301470000021
所述的VBO为B桥臂中点(B)对电容桥臂中点(O)之间电压，VCO为C桥臂中点(C)对电容桥臂中点(O)之间电压，udc为电容C1和电容C2两端电压之和(即直流侧电压)，udc1为电容C1上的电压，udc2为电容C2上的电压。
在一种优选方案中，根据步骤S2所得的等效模型计算逆变器的共模电压：
VP＝ea-udc2；
其中VP为拓扑模型的共模电压、udc2为等效模型中电容C2的电压、ea为a相交流电。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种三相四开关并网逆变器拓扑结构，通过去掉并网滤波电感，大大降低了并网逆变器共模电压变化率，有效的抑制了漏电流的产生。
附图说明
图1为本发明提出的一种三相四开关并网逆变器拓扑结构的结构示意图；
图2为本发明提出的一种三相四开关并网逆变器拓扑结构的简化模型示意图；
图3为本发明提出的一种三相四开关并网逆变器拓扑结构中的简化模型等效示意图；
图4为实施例2中传统三相四开关共模电压仿真示意图；
图5为实施例2中传统三相四开关共模电压仿真(漏电流)示意图；
图6为实施例2中传统三相四开关逆变器网侧输入电流和A相电压(功率因数为0.9992)示意图；
图7为实施例2提出的三相四开关并网逆变器拓扑结构的共模电压的仿真示意图；
图8为实施例2提出的三相四开关并网逆变器拓扑结构网侧输入电流和A相电压(功率因数0.9984)的仿真示意图；
图9为实施例2提出的三相四开关并网逆变器拓扑结构直流侧电压的仿真示意图。
图10为实施例2中提供的传统三相四开关并网逆变器拓扑结构的结构示意图；
图11为实施例2中提供的传统三相四开关并网逆变器拓扑结构的简化模型示意图；
图12为实施例2中提供的传统三相四开关并网逆变器拓扑结构中的进一步简化模型示意图；
图13为实施例2中提供的传统三相四开关并网逆变器拓扑结构中的简化模型等效示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本发明第一方面提供一种三相四开关并网逆变器拓扑结构，本发明采用的技术方案是：
一种三相四开关并网逆变器拓扑结构，如图1所示，包括直流电源、直流侧两个串联的储能电容、分布电容、全桥逆变桥、N个电感，N为大于或等于2的正整数；
所述的直流电源正极连接直流侧上边储能电容C1的正极、全桥逆变桥IGBT集电极；直流电源负极连接直流侧下边储能电容C2的负极、全桥逆变桥IGBT发射极或者MOSFET源极，Cp为光伏板对地分布电容，其一端连接储能电容C2的负极；全桥逆变桥的输出端接入电感L后接三相电中性点，两个串联的储能电容中点引出ia接三相电中性点，三相电中性点接地。
在一种优选方案中，所述的全桥逆变桥的全部开关器件均为IGBT或MOSFET。
在一种优选方案中，所述的逆变回路单元包括IGBT/Sb和IGBT/Sc，其中IGBT/Sb包括串联的IGBT/Sb1和IGBT/Sb2，其中IGBT/Sc包括串联的IGBT/Sc1和IGBT/Sc2；IGBT/Sb1的集电极与电容C1的一端、直流电晕的正极电连接，IGBT/Sb2的发射极与电容C2一端、直流电源的负极电连接；IGBT/Sc1的集电极与电容C1的一端、直流电源的正极电连接，IGBT/Sc2的发射极与电容C2一端、直流电源的负极电连接；四个IGBT的基极与电源驱动进行电连接，所述的电感的输入端分别在连接IGBT/Sb1与IGBT/Sb2之间、IGBT/Sc1与IGBT/Sc2之间。
本发明第二发明提供一种三相四开关并网逆变器拓扑结构共模电压计算方法，应用于上述的三相四开关并网逆变器拓扑结构，包括以下步骤：
S1.对三相四开关并网逆变器拓扑结构进行简化，简化模型如图2所示；
S2.对S1所得的简化模型进行等效，等效后的拓扑模型如图3所示；
S3.计算逆变器的共模电压。
在一种优选方案中，在步骤S1所得的简化模型中：
Figure BDA0002196301470000051
所述的VBO为B桥臂中点(B)对电容桥臂中点(O)之间电压，VCO为C桥臂中点(C)对电容桥臂中点(O)之间电压，udc为电容C1和电容C2两端电压之和，udc1为电容C1上的电压，udc2为电容C2上的电压。
在一种优选方案中，根据步骤S2所得的等效模型计算逆变器的共模电压：
VP＝ea-udc2；
其中VP为拓扑模型的共模电压、udc2为等效模型中电容C2的电压、ea为a相交流电。
实施例2
本实施例使用实施例提供的一种三相四开关并网逆变器拓扑结构及其共模电压计算方法，进行仿真实验。仿真参数如表1所示。
表1
直流侧电压 700V
滤波电感 1mH
网侧电阻 0.1Ω
电容C<sub>1</sub>,C<sub>2</sub> 2000μF
网侧电压(有效值) 110V/50HZ
输出功率 7KW
开关频率 10KHZ
分布电容C<sub>P</sub> 10nF
将表1所述的各项参数使用与实施例1所述的三相四开关并网逆变器拓扑结构，仿真结果如图4、5、6所示。
根据《光伏发电并网逆变器技术要求》GB/T 37408-2019，对于额定输出小于或等于30KVA的逆变器，漏电漏最大为300mA.可以看到传统拓扑此时的漏电流已经远远超出了标准。
表1参数应用于本发明提出的三相四开关并网逆变器拓扑结构进行仿真，仿真结果如图7、8、9所示。
本专利提出三相四开关逆变器共模电流的漏电流最大不超过1.7mA对比传统三相四开关拓扑测得的漏电流，本专利提出的拓扑，显著的抑制了逆变器漏电流的产生。
本实施例中同时提供传统拓扑中共模电压计算作参考对比。
共模电压计算流程如下：
传统的三相四开关拓扑如图10，直流侧电压为udc,直流侧电容C1和C2的值相等为C，C1和C2的电压为udc1＝udc2＝udc/2，ABC相滤波电感值为L，CP为分布电容，VP为共模电压，网侧中性点接地。
图10为传统三相四开关并网逆变器拓扑结构示意图，对其进行拓扑结构简化的出传统三相四开关并网逆变器简化模型，如图11所示；
其中，
Figure BDA0002196301470000061
网侧三相电压产生的共模电流相互抵消，进一步对图2进行化简得到图12如下，其中，
Figure BDA0002196301470000062
对图12模型进行等效，得到图13，计算逆变器的共模电压：
Figure BDA0002196301470000063
其中，ω是逆变器的开关频率，Cp为光伏板对地分布电容，其值取10nF。由式2可以看出，逆变器的共模电压随着VNO的高频开关状态的变化而变化。
本发明提供的三相四开关并网逆变器拓扑结构其漏电流最大不超过1.7mA对比传统三相四开关拓扑测得的漏电流，本专利提出的拓扑，显著的抑制了逆变器漏电流的产生。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (6)

1.一种三相四开关并网逆变器拓扑结构，其特征在于，包括直流电源、直流侧两个串联的储能电容、分布电容、全桥逆变桥、2个电感；
所述的直流电源正极连接直流侧上边储能电容C1的正极、全桥逆变桥IGBT集电极或者MOSFET漏极；直流电源负极连接直流侧下边储能电容C2的负极、全桥逆变桥IGBT发射极或者MOSFET源极，Cp为光伏板对地分布电容；全桥逆变桥的输出端接入电感L后接三相电中性点，两个串联的储能电容中点引出ia接三相电中性点，三相电中性点接地。
2.根据权利要求1所述的三相四开关并网逆变器拓扑结构，其特征在于，所述的全桥逆变桥的全部开关器件均为IGBT或MOSFET。
3.根据权利要求2所述的三相四开关并网逆变器拓扑结构，其特征在于，所述的逆变回路单元包括IGBT/Sb和IGBT/Sc，其中IGBT/Sb包括串联的IGBT/Sb1和IGBT/Sb2，其中IGBT/Sc包括串联的IGBT/Sc1和IGBT/Sc2；IGBT/Sb1的集电极与电容C1的一端、直流电源的正极电连接，IGBT/Sb2的发射极与电容C2一端、直流电源的负极电连接；IGBT/Sc1的集电极与电容C1的一端、直流电源的正极电连接，IGBT/Sc2的发射极与电容C2一端、直流电源的负极电连接；四个IGBT的基极与电源驱动进行电连接，所述的电感的输入端分别在连接IGBT/Sb1与IGBT/Sb2之间、IGBT/Sc1与IGBT/Sc2之间。
4.一种三相四开关并网逆变器拓扑结构共模电压计算方法，应用于权利要求3所述的拓扑结构，其特征在于，包括以下步骤：
S1.对三相四开关并网逆变器拓扑结构进行简化；
S2.对S1所得的简化模型进行等效；
S3.计算逆变器的共模电压。
5.根据权利要求4所述的三相四开关并网逆变器拓扑结构共模电压计算方法，其特征在于，在步骤S1所得的简化模型中：
Figure FDA0002196301460000011
所述的VBO为B桥臂中点(B)对电容桥臂中点(O)之间电压，VCO为C桥臂中点(C)对电容桥臂中点(O)之间电压，udc为电容C1和电容C2两端电压之和，udc1为电容C1上的电压，udc2为电容C2上的电压。
6.根据权利要求4所述的三相四开关并网逆变器拓扑结构共模电压计算方法，其特征在于，根据步骤S2所得的等效模型计算逆变器的共模电压：
VP＝ea-udc2；
其中VP为拓扑模型的共模电压、udc2为等效模型中电容C2的电压、ea为a相交流电。
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