CN111446874A - 一种单相升压共模逆变器及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单相升压共模逆变器及其调制方法。单相升压共模逆变器包括具有开关管S1的升压单元，S1的漏极为升压单元的正输出端，S1的源极为升压单元的负输出端且直接连接到直流电源的负极；还包括开关管S2、S3、S4、S5和母线电容，S2的源极连接到S1的漏极，S2的漏极连接到S3的漏极，S3的源极连接到S4的漏极，S4的源极连接到S5的源极，S5的漏极连接到S1的源极，母线电容的两端分别连接到S2的漏极和S5的源极；S1、S2、S3、S4和S5的两端还各自反并联一个二极管；S3的源极和S5的漏极为逆变器的输出端。与现有技术相比，本发明直流侧与交流侧共地可以从根本上消除漏电流，具有单级升压能力，增大了直流母线利用率，降低了母线电容电压应力。

Description

一种单相升压共模逆变器及其调制方法
技术领域
本发明涉及逆变器领域，具体涉及一种单相升压共模逆变器及其调制方法。
背景技术
太阳能是一种清洁无污染的可再生能源，具有成本低、分布广泛等优点而被广泛使用。光伏发电是利用太阳能的有效形式之一，光伏逆变器作为其中能量转换的桥梁，也显得尤为重要。在非隔离***中光伏逆变器与电网之间没有电气隔离，光伏阵列与大地之间存在接地电容，因此，在接地寄生电容、电网与大地之间会形成电流回路，产生漏电流。漏电流的存在会造成电流畸变，使得电气设备产生电磁干扰，威胁人身安全。
传统的单相桥式逆变器是光伏***中成熟应用的逆变拓扑结构之一。然而，桥式逆变器存在输出交流电压的峰值低于直流输入电压的问题。为了满足宽电压范围应用场合的需求，一般需要在前级增加一个额外的升压变流器。但传统的两级式功率变换结构，会使***复杂性加大，转换效率降低，同时增加成本。因此，具有单级升压能力的逆变器拓扑成为研究的热点。由于接地寄生电容两端电压高频变化而产生的漏电流问题，其主要解决方法有：采用合适的调制技术，降低共模电压的变化率，或使共模电压始终维持恒定，但通常以降低直流母线利用率为代价；增加直流或交流旁路，使得电路工作在续流零状态时，直流侧与交流侧实现解耦，阻断漏电流流通的路径，然而，增加额外的旁路使得结构复杂，控制难度加大；采用直流与交流侧共地逆变拓扑结构，使得寄生电容两端电位差始终为零，可以从根本上消除共模漏电流，解决漏电流问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种单相升压共模逆变器及其调制方法。
本发明的技术方案如下：
一种单相升压共模逆变器，包括升压单元，所述升压单元包括开关管S1，S1的漏极为升压单元的正输出端，S1的源极为升压单元的负输出端且直接连接到直流电源的负极；还包括开关管S2、S3、S4、S5和母线电容，S2的源极连接到S1的漏极，S2的漏极连接到S3的漏极，S3的源极连接到S4的漏极，S4的源极连接到S5的源极，S5的漏极连接到S1的源极，母线电容的两端分别连接到S2的漏极和S5的源极；S1、S2、S3、S4和S5的两端还各自反并联一个二极管；S3的源极和S5的漏极为逆变器的输出端。
进一步地，所述升压单元为二次型升压单元。
进一步地，所述升压单元为开关电感升压单元。
进一步地，所述升压单元为准Z源升压单元。
上述逆变器的调制方法为，以正弦波叠加其k倍幅值的三次谐波并且对负半周期取绝对值后得到的调制波，控制开关管S1、S2、S3、S4和S5；其中，k的取值范围为0.15-0.2。
进一步地，所述k＝1/6。
与现有技术相比，本发明直流侧与交流侧共地可以从根本上消除漏电流，具有单级升压能力，增大了直流母线利用率，降低了母线电容电压应力。
附图说明
图1为单相二次型升压共模逆变器电路图。
图2为单相开关电感升压共模逆变器电路图。
图3为单相准Z源升压共模逆变器电路图。
图4为单相二次型升压共模逆变器的调制波形图。
图5为单相二次型升压共模逆变器处于模态A时等效电路图。
图6为单相二次型升压共模逆变器处于模态B时等效电路图。
图7为单相二次型升压共模逆变器处于模态C时等效电路图。
图8为单相二次型升压共模逆变器处于模态D时等效电路图。
图9为单相二次型升压共模逆变器最大输出电压增益与升压占空比关系图。
图10为单相二次型升压共模逆变器在本发明调制与已有调制下的母线电容电压应力比曲线图。
具体实施方式
单相升压共模逆变器可采用多种升压单元，如二次型升压单元、开关电感升压单元以及准Z源升压单元，都能取得类似的效果。
采用二次型升压单元构成单相二次型升压共模逆变器，如图1所示，包括电感L1、L2，电容C1、C2，开关管S1、S2、S3、S4、S5，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。
具体连接方式为：直流输入电源Vin的正极与电感L1的一端连接，电感L1的另一端与二极管D1的阳极、二极管D2的阳极连接，二极管D1的阴极与电容C1的正极、电感L2的一端连接，二极管D2的阴极与电感L2的另一端、开关管S1的漏极、开关管S2的源极连接，开关管S2的漏极与电容C2的正极、开关管S3的漏极连接，开关管S3的源极与开关管S4的漏极、负载ZLoad的一端连接，电容C2的负极与开关管S4的源极、开关管S5的源极连接，二极管D3的阳极和阴极分别与开关管S1的源极和漏极连接，二极管D4的阳极和阴极分别与开关管S2的源极和漏极连接，二极管D5的阳极和阴极分别与开关管S3的源极和漏极连接，二极管D6的阳极和阴极分别与开关管S4的源极和漏极连接，二极管D7的阳极和阴极分别与开关管S5的源极和漏极连接，直流输入电源Vin的负极与电容C1的负极、开关管S1的源极、开关管S5的漏极、负载ZLoad的另一端共同与大地连接。
采用开关电感升压单元构成单相开关电感升压共模逆变器，如图2所示。
采用准Z源升压单元构成单相准Z源升压共模逆变器，如图3所示。
上述逆变器的调制方法为，以正弦波叠加其k倍幅值的三次谐波并且对负半周期取绝对值后得到的调制波，控制开关管S1、S2、S3、S4和S5。其中，考虑直流电压利用率以及谐波畸变程度，k一般取0.15-0.2。当k＝1/6时，调制深度取值范围最大，最大可以达到未注入前的
Figure BDA0002478846370000031
直流母线利用率最高。
下面以单相二次型升压共模逆变器结合基于注入六分之一幅值的三次谐波调制为例，进一步说明单相升压共模逆变器的技术效果。
如图1为单相二次型升压共模逆变器拓扑，由于大地阻抗较小，直流侧与交流侧共地，寄生电容两端电位差为零，因此可将共模漏电流抑制为零，从根本上解决漏电流问题。
图4为单相二次型升压共模逆变器的调制波形图。图4中，三角载波Vtri峰值为Vtri,p；直流参考电压为Vref；调制波Vm为在正弦波的基础上叠加其六分之一幅值的三次谐波，表达式为
Figure BDA0002478846370000032
峰值为VM,p。在调制波的正半周期，当满足Vtri＞Vref时，逆变器工作于模态C；当满足Vm≤Vtri≤Vref时，逆变器工作于模态B；当满足Vm＞Vtri时，逆变器工作于模态A。在调制波的负半周期，进行正负反向，即取绝对值|Vm|，当满足Vtri＞Vref时，逆变器工作于模态C；当满足|Vm|≤Vtri≤Vref时，逆变器工作于模态B；当满足|Vm|＞Vtri时，逆变器工作于模态D。
模态A如图5所示，控制开关管S1、开关管S3与开关管S5导通，开关管S2与开关管S4关断，此时二极管D2承受正向电压导通，二极管D1因反并联在电感L2两端承受反向电压截止。直流输入电源Vin为电感L1充电，电容C1向电感L2放电，电容C2通过开关管S3和开关管S5向负载ZLoad放电。此工作状态下相应的电气参数关系式为：
vL1＝Vin vL2＝VC1 vo＝VC2 (1)
模态B如图6所示，控制开关管S1、开关管S4与开关管S5导通，开关管S2与开关管S3关断，此时二极管D2的承受正向电压导通，二极管D1因反并联在电感L2两端承受反向电压截止。直流输入电源Vin为电感L1充电，电容C1向电感L2放电。电容C2负极性端经过开关管S5接地，正极性端处于悬浮状态，负载ZLoad两端电位差为零，输出零电压。此工作状态下相应的电气参数关系式为：
vL1＝Vin vL2＝VC1 vo＝0 (2)
模态C如图7所示，控制开关管S2、开关管S4与开关管S5导通，开关管S1与开关管S3关断，此时二极管D1承受正向电压导通，二极管D2因并联在电感L2两端承受反向电压而截止。电感L1向电容C1与电容C2侧放电，电感L2为电容C2充电，负载ZLoad两端电位差为零，输出零电压。此工作状态下相应的电气参数关系式为：
vL1＝Vin-VC1 vL2＝VC1-VC2 vo＝0 (3)
模态D如图8所示，控制开关管S1、开关管S2与开关管S4导通，开关管S3与开关管S5关断，此时二极管D2承受正向电压导通，二极管D1因反并联在电感L2两端承受反向电压截止。直流输入电源Vin为电感L1充电，电容C1向电感L2放电，电容C2向负载ZLoad放电。此工作状态下相应的电气参数关系式为：
vL1＝Vin vL2＝VC1 vo＝-VC2 (4)
假定一个开关周期为Ts，逆变器工作于模态A、模态B、模态C、模态D的时间分别为T1、T2、T3、T4，因此T1+T2+T3+T4＝Ts。如图4所示，逆变器升压占空比、电感L1充电时间比例为D，调制深度为M，可得：
Figure BDA0002478846370000041
Figure BDA0002478846370000042
根据以上工作状态的分析，电感L1与电感L2分别应用伏秒平衡原理，分析稳态情况下电路电气参量之间关系。根据伏秒平衡原理，电感L1一个周期内电感平均电压为零，有：
Vin×(T1+T2+T4)+(Vin-VC1)×T3＝0 (7)
将公式5代入公式7整理可得电容C1电压VC1，如下
Figure BDA0002478846370000043
根据电感L2在一个周期内电感平均电压为零，有：
VC1×(T1+T2+T4)+(VC1-VC2)×T3＝0 (9)
将公式5、8代入9整理可得电容C2电压VC2，如下
Figure BDA0002478846370000044
综上，电压增益G为
Figure BDA0002478846370000045
因此，交流侧输出电压vo为
Figure BDA0002478846370000051
由图4可知，调制波采用在正弦波的基础上叠加其六分之一幅值的三次谐波，调制深度M受限于升压占空比D，由于升压占空比D需满足0<D<1，从公式13可知调制深度最大可以达到
Figure BDA0002478846370000052
提高了直流电压利用率。
Figure BDA0002478846370000053
调制深度M取最大值
Figure BDA0002478846370000054
代入公式11，得到最大电压增益如公式14所示。给定升压占空比D，最大电压增益曲线如图9所示。
Figure BDA0002478846370000055
对于给定电压增益G，当采用正弦调制波时，调制深度M受限于升压占空比D，可取最大值D，此时第二电容即母线电容电压应力为Vs1，如公式15；若调制波在原正弦波的基础上叠加其六分之一幅值的三次谐波，调制深度M取最大值
Figure BDA0002478846370000056
第二电容即母线电容电压应力为Vs2，如公式16。图10为两种不同的调制方法下母线电容电压应力比值Vs1/Vs2与电压增益G关系图，可以看出电压应力比值大于1，采用调制波为在正弦波基础上叠加六分之一幅值的三次谐波时电容电压应力更小。
Figure BDA0002478846370000057
Figure BDA0002478846370000058
上述分析可以表明，单相二次型升压共模逆变器结合基于注入六分之一幅值的三次谐波调制具有高电压增益，高直流母线利用率以及较低母线电容电压应力优点，并能从根本上消除漏电流。

Claims (6)

1.一种单相升压共模逆变器，其特征在于，包括具有开关管S1的升压单元，S1的漏极为升压单元的正输出端，S1的源极为升压单元的负输出端且直接连接到直流电源的负极；还包括开关管S2、S3、S4、S5和母线电容，S2的源极连接到S1的漏极，S2的漏极连接到S3的漏极，S3的源极连接到S4的漏极，S4的源极连接到S5的源极，S5的漏极连接到S1的源极，母线电容的两端分别连接到S2的漏极和S5的源极；S1、S2、S3、S4和S5的两端还各自反并联一个二极管；S3的源极和S5的漏极为逆变器的输出端。
2.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述升压单元为二次型升压单元。
3.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述升压单元为开关电感升压单元。
4.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述升压单元为准Z源升压单元。
5.如权利要求1所述的逆变器的调制方法，其特征在于，以正弦波叠加其k倍幅值的三次谐波并且对负半周期取绝对值得到的调制波，控制开关管S1、S2、S3、S4和S5；其中，k的取值范围为0.15-0.2。
6.如权利要求5所述的逆变器的调制方法，其特征在于，所述k＝1/6。
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