一種高效無變壓器單相光伏併網逆變器的製作方法
2023-06-20 19:25:06
專利名稱：一種高效無變壓器單相光伏併網逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種逆變器，尤其涉及一種高效無變壓器單相光伏併網逆變器。
背景技術：
隨著能源的日益枯竭，太陽能已經成為一種十分具有潛力的綠色能源，而光伏發電是當前利用太陽能的主要方式。對於併網型的光伏併網逆變器，存在有隔離變壓器和無隔離變壓器兩種拓撲結構。對於隔離變壓器的併網逆變器，通常在電網側加入工頻變壓器實現光伏陣列直流側與電網側電氣隔離；也可以在直流側加入高頻隔離變壓器實現電網側與直流側電氣隔離。由於電網側頻率低，使得電網側隔離變壓器體積龐大、笨重而且價格昂貴。雖然前兩種拓撲結構實現電氣隔離，但由於隔離變壓器的加入，使得系統的整體效率下降1%-2%。無變壓器式併網逆變器結構不含變壓器(低頻和高頻)，具有效率高，體積、重量和成本低的絕對優勢。因此，越來越多的商用光伏併網逆變器採用這路拓撲結構。但是，無隔離變壓器併網逆變器使光伏(PV)和電網之間有了電氣連接，共模電流大大增加，帶來安全隱患。採用無變壓器的併網逆變器必須解決的一個問題是如何消除共模電壓在寄生電容(PV和大地之間)形成迴路所產生的漏電流。德國SMASunnyBoy公司採用H5拓撲結構(中國發明專利號200510079923. I)，在該拓撲結構中，Vl和V2在電網電流的正負半周各自導通，V4、V5在電網正半周以開關頻率調製，而V2、V5在電網負半周期以開關頻率調製。這種無變壓器拓撲結構，可以很好的解決漏電流問題；同時，其最高效率達到98. 1%,歐洲效率達到97. 7%0 Sunways公司採用HERIC(歐洲專利號EP 1369985A2)拓撲結構，該拓撲是對雙極性調製的全橋拓撲的改進，即在全橋拓撲的交流側增加一個由2個IGBT組成的雙向續流支路，使得續流迴路與直流側斷開，同樣可以有效解決漏電流問題，其最高效率達至丨J 96. 3% o 文獻(Transformerless Inverters for Single-phase PhotovoltaicSystems [J]. IEEE Transactions on power electronics, 2007, 22 (2) :693-697)提出一種新的拓撲結構FB-DCBP (full-bridge with dc-bypass),在電網電壓正半周期,開關管SI、S4始終保持導通，開關管S5、S6與S2、S3交替導通；在電網電壓負半周期，開關管S2、S3始終保持導通，開關管S5、S6與S1、S4交替導通。該拓撲結構很好的解決了漏電流問題，其最高效率可達到97. 4%。
發明內容
本發明的目的是提供一種高效無變壓器單相光伏併網逆變器，它能有效抑制共模電流，拓撲結構最聞效率可達到96*%。為了解決背景技術所存在的問題，本發明是採用以下技術方案它包含太陽能光伏陣列I、升壓電路2、DC-AC逆變器3、繼電器4、電網5和以漏電流迴路6，太陽能光伏陣列
I、升壓電路2、DC-AC逆變器3、繼電器4和電網5依次相連，繼電器4與電網5相連，且升壓電路2與以漏電流迴路6相連，以漏電流迴路6與電網5相連。本發明中的太陽光伏陣列I是單相光伏逆變器的輸入，為整個系統包括控制電路提供電能。在白天光照的條件下，太陽能電池陣列將所接收的光能轉換為電能，經過BOOST升壓電路，經過直流變交流(DC-AC)逆變器將直流轉換為交流，向電網輸送功率，天黑時，整個系統自動停止工作，利用繼電器使輸出端與電網斷開。本發明中的升壓電路2負責將太陽能光伏陣列的輸入電壓轉換為所需求的直流電壓，一般運行在升壓狀態，將低的光伏陣列輸入電壓升到一定高的直流電壓，以便逆變。本發明中的DC-AC逆變器3作為併網逆變器的關鍵環節，對電能變換起非常關鍵的作用。通過控制H橋和續流迴路使光伏逆變器輸出電流與電網電壓同相位，同時實現光伏陣列最大功率輸出和抑制漏電流，提高整個光伏系統的轉換效率。本發明能有效地抑制共模電流，它和Sunways公司採用HERIC專利相比，在交流側少一個開關管，但增加一個二極體整流橋。從控制來看，可以少控制一個開關管，控制相對來說簡單，整體效率略下降。此拓撲結構最高效率可達到96%。和採用H橋+雙極性調製相比，效率可以提聞。H橋+雙極性調製的最聞效率可94. 8%左右。
圖I為本發明的高效無變壓器單相光伏併網逆變器的拓撲結構圖；圖2為本發明無變壓器單相光伏併網逆變器漏電流迴路圖；圖3為本發明電網電壓正半周開關管SI和S4導通時的電流流向示意圖；圖4為本發明電網電壓正半周開關管SI和S4關斷時的電流流向示意圖；圖5為本發明電網電壓負半周開關管S2和S3開通時的電流流向示意圖；圖6為本發明電網電壓負半周開關管S2和S3關閉時的電流流向示意圖；圖7為本發明高效無變壓器單相光伏併網逆變器控制策略圖；圖8(a)為本發明單極性調製方式輸出電流和漏電流示意圖；(b)為本發明的調製方式輸出電流和漏電流示意圖。
具體實施例方式參照圖1-8，本具體實施方式
採用以下技術方案它包含太陽能光伏陣列I、升壓電路2、DC-AC逆變器3、繼電器4、電網5和以漏電流迴路6，太陽能光伏陣列I、升壓電路2、DC-AC逆變器3、繼電器4和電網5依次相連，繼電器4與電網5相連，且升壓電路2與以漏電流迴路6相連，以漏電流迴路6與電網5相連。本具體實施方式
中的太陽光伏陣列I是單相光伏逆變器的輸入，為整個系統包括控制電路提供電能。在白天光照的條件下，太陽能電池陣列將所接收的光能轉換為電能，經過BOOST升壓電路，經過直流變交流(DC-AC)逆變器將直流轉換為交流，向電網輸送功率，天黑時，整個系統自動停止工作，利用繼電器使輸出端與電網斷開。本具體實施方式
中的升壓電路2負責將太陽能光伏陣列的輸入電壓轉換為所需求的直流電壓，一般運行在升壓狀態，將低的光伏陣列輸入電壓升到一定高的直流電壓，以便逆變。本具體實施方式
中的DC-AC逆變器3作為併網逆變器的關鍵環節，對電能變換起非常關鍵的作用。通過控制H橋和續流迴路使光伏逆變器輸出電流與電網電壓同相位，同時實現光伏陣列最大功率輸出和抑制漏電流，提高整個光伏系統的轉換效率。
本具體實施方式
中的拓撲結構採用二級功率電路，將光伏陣列輸出變化的直流電壓轉化為交流電壓。第一級功率電路為DC-DC (BOOST升壓電路)，通過控制開關管S6，使直流母線電壓Udc達到一定值，滿足向電網輸送功率的要求。第二級功率電路為DC-AC電路，它由開關管31、52、53、54、55以及二極體01、02、03、04組成，它負責將直流電轉化交流電。在無變壓器的非隔離光伏併網系統中，電網與光伏陣列之間存在直接的電氣連接，由於光伏陣列和地之間存在寄生電容，形成由寄生電容、直流側和交流濾波器以及電網阻抗形成共模諧振迴路。寄生電容上共模電壓的變化會在寄生電容上產生共模電流(漏電流)。光伏併網系統其漏電流迴路如圖2所示。為抵制無變壓器單相光伏逆變器的漏電流，應儘量使共模電壓變化比較小。若能Ucm為一定值，則能夠基本上消除共模電流，即功率器件採用PWM控制使得a和b點對0點的電壓之和滿足Ucm = (uao+ubo)/2 =定值(I)下面具體分析消除漏電流PWM調製過程(I)電網電壓正半周開關管SI和S4開通在電網電壓正半周時，開關管S2和S3始終保持關斷，SI和S4同時採用PWM調製(SI和S4的開關驅動信號相同)，開關管S5的開關驅動信號與開關管SI (S4)的驅動信號互補。當開關管SI、S4導通，其電流流向如圖3所示。此時共模電壓Ucm = (uao+ubo) / 2 = (Udc+0)/2 = Udc/2(2)(2)電網電壓正半周開關管SI和S4關斷在電網電壓正半周時，開關管S2和S3始終保持關斷，當開關管SI、S4關斷，開關管S5導通，其電流流向如圖4所示。此時共模電壓Ucm = (uao+ubo) / 2 = (Udc/2+Udc/2)/2 = Udc/2(3)(3)電網電壓負半周開關管S2和S3開通在電網電壓負半周時，開關管SI和S4始終保持關斷，S2和S3同時採用PWM調製(S2和S3的開關驅動信號相同)，開關管S5的開關驅動信號與開關管S2(S3)的驅動信號互補。當開關管S2、S3導通，其電流流向如圖5所示。此時共模電壓Ucm = (uao+ubo) / 2 = (Udc+0)/2 = Udc/2(4)(4)電網電壓負半周開關管S2和S3關斷在電網電壓負半周時，開關管SI和S4始終保持關斷，當開關管S2、S3關斷，開關管S5導通，其電流流向如圖6所示。此時共模電壓Ucm = (uao+ubo) / 2 = (Udc/2+Udc/2)/2 = Udc/2(5)從式(2)、式(3)、式(4)、式(5)可以看出，不管是在電網電壓正半周還是電網電壓負半周期，共模電壓保持不變。因此通過光伏陣列寄生電容Cs的共模電流比較小，其波形如圖8所示。本具體實施方式
整個高效無變壓器單相光伏併網逆變器的控制策略如圖7所示。下面具體分析PWM調製方式
I、通過鎖相環得到電網空間角度的信息，在電網電壓正半周時，開關管S2和S3始終保持關斷，開關管SI和S4採用PWM調製(SI和S4的驅動信號相同)，續流迴路中的開關管S5與SI (S4)的驅動信號互補。 當開關管SI和S4開通時(開關管S5關斷)，此時的共模電壓為Udc/2，此時DCAC逆變器的電流迴路為開關管SI-電感L2-電容C3-電感L3-開關管S4-電容C2 當開關管SI和S4關斷時(開關管S5開通)，此時的共模電壓為Udc/2，此時DC-AC逆變器的電流迴路為電感L2-電容C3-電感L3- 二極體D4-開關管S5——二極體Dl電流經不過直流側母線電容，而在續流迴路上續流，這樣使共模電壓保持不變，從而使漏電流大大減少。 2、在電網電壓負半周時，開關管SI和S4始終保持關斷，開關管S2和S3採用PWM調製(SI和S4的驅動信號相同)，續流迴路中的開關管S5與S2(S3)的驅動信號互補。 當開關管S2和S3開通時(開關管S5關斷)，此時的共模電壓為Udc/2，此時DC-AC逆變器的電流迴路為開關管S3-電感L3-電容C3-電感L2-開關管S2-電容C2 當開關管S2和S3關斷時(開關管S5開通)，此時的共模電壓為Udc/2，此時DC-AC逆變器的電流迴路為電感L3-電容C3-電感L2- 二極體D3-開關管S5- 二極體D2同樣，電流經不過直流側母線電容，而在續流電路3-1上續流，這樣使共模電壓保持不變。(I)濾波電感和濾波電容對併網逆變器輸出電流進行濾波。(2)信號採集電路採用兩個差分電路分別採集光伏陣列輸出電壓和電網電壓，採用兩個VAC電流傳感器分別採集光伏陣列的輸出電流和併網逆變器輸出電流，所有這此信號經過調理成0-3V之間，將此信號輸入到TMS320F2808晶片為核心的AD採樣口。(3)控制板電路以數位訊號處理器TMS320F2808為核心，利用片內AD模塊對信號採集電路信號進行採樣，根據圖7高效無變壓器單相光伏併網逆變器控制策略，發出相應的PWM脈衝。本具體實施方式
能有效地抑制共模電流，它和Sunways公司採用HERIC專利相比，在交流側少一個開關管，但增加一個二極體整流橋。從控制來看，可以少控制一個開關管，控制相對來說簡單，整體效率略下降。此拓撲結構最高效率可達到96%。和採用H橋+雙極性調製相比，效率可以提聞。H橋+雙極性調製的最聞效率可94. 8%左右。
權利要求
1. 一種高效無變壓器單相光伏併網逆變器，其特徵在於它包含太陽能光伏陣列(I)、升壓電路(2)、DC-AC逆變器(3)、繼電器(4)、電網(5)和以漏電流迴路(6)，太陽能光伏陣列(I)、升壓電路(2)、DC-AC逆變器(3)、繼電器⑷和電網(5)依次相連，繼電器⑷與電網(5)相連，且升壓電路⑵與以漏電流迴路(6)相連，以漏電流迴路(6)與電網(5)相連。
全文摘要
一種高效無變壓器單相光伏併網逆變器，它涉及一種逆變器。它包含太陽能光伏陣列(1)、升壓電路(2)、DC-AC逆變器(3)、繼電器(4)、電網(5)和以漏電流迴路(6)，太陽能光伏陣列(1)、升壓電路(2)、DC-AC逆變器(3)、繼電器(4)和電網(5)依次相連，繼電器(4)與電網(5)相連，且升壓電路(2)與以漏電流迴路(6)相連，以漏電流迴路(6)與電網(5)相連。它能有效抑制共模電流，拓撲結構最高效率可達到96％。
文檔編號H02M7/48GK102983765SQ201110264148
公開日2013年3月20日 申請日期2011年9月7日 優先權日2011年9月7日
發明者楊勇, 趙方平, 王仁峰, 魏冬冬 申請人:艾伏新能源科技(上海)股份有限公司