一種無變壓器的單邊電感併網逆變電路的製作方法
2023-04-26 17:28:06
專利名稱：一種無變壓器的單邊電感併網逆變電路的製作方法
技術領域：
本實用 新型涉及一種無變壓器的單邊電感併網逆變電路。
背景技術：
光伏併網系統中，由於光伏面板和地之間存在寄生電容，在光伏併網發電的過程中會有共模電流產生，增加了電磁輻射和安全隱患，為了設法抑制這種共模電流產生，主要有兩種解決途徑一、採用工頻或者高頻變壓器的隔離型光伏併網逆變器，這樣能使市電和太陽能電池板系統有電氣隔離，能避免電池板對大地之間產生的漏電流。二、採用能有效抑制共模電流大小的非隔離併網拓撲。但是，採用變壓器隔離的逆變電路存在以下缺點若採用工頻變壓器，體積大、重量重且價格貴。若採用高頻變壓器，功率變換電路將被分成幾級。控制比較複雜，效率比較低。而一般的非隔離逆變拓撲存在幾個方面的缺陷一、傳統的單相全橋逆變器，如果採用雙極性調製，雖然電磁幹擾小，但是逆變器的轉換效率低，二、傳統的單相全橋逆變器，如果採用單極性調製，則電磁幹擾嚴重，共模電流較大。
發明內容針對上述光伏併網發電過程中抑制共模電流產生所採用的技術方案存在的不足， 本實用新型提供一種無變壓器的併網逆變電路，該電路不僅極大地降低了太陽能電池對地的共模電流，並且有效提高了整機的工作效率。實現本實用新型的技術方案是一種無變壓器的單邊電感併網逆變電路，所述電路包括高頻橋臂、低頻橋臂、輸出模塊以及控制開關管速率單元，所述的高頻橋臂和低頻橋臂分別與直流輸入電源以及輸出模塊連接，輸出模塊與市電連接，其中所述的高頻橋臂具有兩個高頻開關管，所述的低頻橋臂具有兩個低頻開關管，所述的輸出模塊為單邊電感形式，該輸出模塊中的電感連接在市電的零線端或者火線端，所述的輸出模塊未接電感端與低頻橋臂連接，輸出模塊接有電感端與高頻橋臂連接。當所述的兩個高頻開關管和兩個低頻開關管分別採用絕緣柵雙極電晶體(IGBT) 時，其中第一高頻開關管的發射極和第二高頻開關管的集電極連接，第一高頻開關管的集電極與直流輸入電源正極連接，第二高頻開關管的發射極與直流輸入電源的負極連接；第一低頻開關管的發射極與第二低頻開關管的集電極連接，第一低頻開關管的集電極與直流輸入電源的正極連接的同時還與第一高頻開關管的集電極連接，第二低頻開關管的發射極與直流輸入電源的負極連接的同時還與第二高頻開關管的發射極連接，並且該第一、第二兩個低頻開關管的基極分別與控制開關管速率單元連接。當所述的兩個高頻開關管和兩個低頻開關管分別採用功率場效應電晶體 (MOSFET)時，其中第一高頻開關管的源極和第二高頻開關管的漏極連接，第一高頻開關管的漏極與直流輸入電源正極連接，第二高頻開關管的源極與直流輸入電源的負極連接；第一低頻開關管的源極與第二低頻開關管的漏極連接，第一低頻開關管的漏極與直流輸入電源的正極連接的同時還與第一高頻開關管的漏極連接，第二低頻開關管的源極與直流輸入電源的負極連接的同時還與第二高頻開關管的源極連接，並且該第一、第二兩個低頻開關管的基極分別與控制開關管速率單元連接。所述的輸出模塊至少具有一個電感，當輸出模塊中的電感有多個時，所述的多個電感串聯連接，並且連接在市電的零線端或者火線端。上述本實用新型電路中的高頻橋臂部分主要完成SPWM調製，低頻橋臂部分主要完成市電正負半周切換，電流換向的任務。所述與低頻橋臂連接的控制開關管速率單元主要用於控制低頻橋臂開關管的開關速度，以減少在市電切換周期中帶來的共模電流衝擊。本實用新型針對一般的非隔離逆變拓撲存在的問題，在原有全橋電路上採用新的調製方式和控制方式，提出了一種逆變拓撲，能極大的減少直流輸入電源對地的共模電流， 提高了整機的工作效率。針對普通無變壓器的併網逆變電路的缺點，本實用新型則通過改進普通全橋和其相應的調製方式來達到改善電磁幹擾，提高效率的目的。在正常時刻，直流輸入電源對地只有低頻電壓波動，而在市電的正負半周期切換的過程中，通過控制低頻開關管的切換速率，減少了共模電流的幅值。在電路拓撲上，分為低頻橋臂和高頻橋臂部分， 市電的零線端連接低頻橋臂部分，而高頻橋臂則通過連接濾波電感至市電的火線端。高頻開關管的調製採用SPWM調製方式，低頻開關管則根據市電的正負半周期來調製。其核心思想在於單邊電感SPWM調製，使市電的零線端(可認為遠處與大地連接)與低頻開關管連接，正常時刻直流輸入電源只有低頻電壓波動，而在市電正負半周切換的時候，直流輸入電源對大地會有一個比較大的電壓波動，其值為直流輸入電源的大小，如果這個電壓變化的時間很快的話，在直流電源負端對大地的寄生電容上會產生一個很大的放電電流，即共模放電電流，這樣對電磁幹擾和安全性來講都是不利的，通過控制切換速率，可以減少共模電流的幅值達到控制整體電磁幹擾的效果和提升整機效率。相對普通的雙極性調製單相全橋逆變電路而言，本電路效率高。而相對於普通單極性調製單相全橋逆變電路而言，本電路電磁兼容好。同時本電路所用元器件小，成本較低。
圖1為本實用新型電路原理框圖；圖2為本實用新型實施例1低頻橋臂接零線端的電路原理圖；圖3為本實用新型實施例1電路正半周導通時的電流流向示意圖；圖4為本實用新型實施例1電路正半周期關斷時候的電流續流示意圖；圖5為本實用新型實施例1電路負半周導通期間的電流流向圖；圖6為本實用新型實施例1電路負半周關斷時候的續流示意圖；[0027]圖7為本實用新型實施例1電路波形時序示意圖；圖8為本實用新型實施例1低頻橋臂接零線端時控制開關速率單元工作區域示意圖；圖9為本發明實施例1低頻橋臂接火線端時控制開關管速率單元工作區域示意圖；圖10為本實用新型實施例2電路原理圖。
具體實施方式
下面參照附圖說明本實用新型的實施例，以使本實用新型所屬技術領域的技術人員能夠容易實施本實用新型。本實用新型的實施例電路包括高頻橋臂、低頻橋臂、輸出模塊以及控制開關管速率單元，下述實施例中直流輸入電源為太陽能電池輸入電源，圖1示出了該電路的原理框圖，高頻橋臂由兩個高頻開關管即第一高頻開關管S3和第二高頻開關管S4構成，低頻橋臂由兩個低頻開關管即第一低頻開關管Sl和第二低頻開關管S2構成。本實用新型中構成高頻橋臂的高頻開關管S3、S4和構成低頻橋臂的低頻開關管 S1、S2均可以採用絕緣柵雙極電晶體(IGBT)或者功率場效應電晶體(MOSFET)，以下分別就各開關管Si、S2、S3、S4採用絕緣柵雙極電晶體(IGBT)或功率場效應電晶體(MOSFET)為例說明本實用新型。實施例1 兩個高頻開關管S3、S4和兩個低頻開關管Si、S2分別採用絕緣柵雙極電晶體 (IGBT)，其電路原理如圖2所示，其中開關管S3的發射極和開關管S4的集電極連接，開關管S3的集電極與太陽能電池輸入的正極連接，開關管S4的發射極與太陽能電池輸入的負極連接。其中開關管Sl的發射極與開關管S2的集電極連接，開關管Sl的集電極與太陽能電池輸入的正極連接的同時還與開關管S3的集電極連接，開關管S2的發射極與太陽能電池輸入的負極連接的同時還與開關管S4的發射極連接，該兩個低頻開關管Si、S2的基極分別與控制開關管速率單元連接。輸出模塊為單邊電感連接形式，本實施例1電路給出了輸出模塊只有一個電感Ll的情況，該電感Ll連接在市電的火線端，電感Ll的參數應符合行業設計標準，為本領域普通技術人員所公知，這裡不作特別說明。當輸出模塊中的電感有多個，則這些電感串聯連接，並且應連接在市電的零線或者火線一端。輸出模塊未接電感Ll 端一端與市電的零線連接，另一端連接到開關管Sl的發射極與開關管S2的集電極連接端， 輸出模塊接有電感Ll端一端與市電的火線連接，另一端連接到開關管S3的發射極與開關管S4的集電極連接端。高頻橋臂主要完成SPWM調製，低頻橋臂主要完成市電正負半周切換，電流換向的任務。控制開關管速率單元主要用於控制低頻橋臂開關管的開關速度，以減少在市電切換周期中帶來的共模電流衝擊。實現該種功能的控制開關管速率單元形式有多種，為本領域技術人 員所知曉，在此不作贅述。從圖2中可以看出，因為市電零線與低頻橋臂連接，而我們認為在遠端，零線與大地連接。所以在市電切換的正負半周期間，大地(GND)則通過低頻開關管Si、S2連接到太陽能電池的正端或者負端。當正半周期導通時候，相當於太陽能電池的正端接到地端。在整個半周期內，太陽能電池對地電壓恆定為固定的直流輸入正電壓。而在負半周時候，低頻開關管S2導通，此時相當於太陽能電池的負端接到地端，而在負半周的這段時間，太陽能電池對地電壓也保持恆定。只是在正負半周的切換過程當中，會出現一個電壓的突變，所以本實用新型的另外一個核心之處在於控制低頻開關管Si、S2所用的控制開關管速率單元， 這個單元能控制低頻開關管Si、S2的開關速率，儘量減少由於電壓變化寄生電容上漏電流產生幅值過大的情況發生。圖3為本實施例1電路的正半周導通時候的電流流向圖，電流依次流過Si，市電， Li，最後由S4流入太陽能電池的負端。圖4為本實施例1電路的正半周期關斷續流的電流流向圖，此時S4關斷，電流通過Li，S3反並聯二極體，Si，市電流回電感Li。圖5為本實施例1電路的負半周期導通時候的電流流向圖，電流依次流過S3，L1， 市電，最後由S2流入太陽能電池的負端。圖6為本實施例1電路的負半周期關斷續流的電流流向圖，此時S3關斷，電流通過Li，市電，S2和S4反並聯二極體流回電感Li。圖7為本實施例1電路一個周期內的各個開關管的開關時序示意圖，上面為四個開S1、S2、S3、S4關管的開關驅動波形圖，下面一個波形圖為輸出的電流波形圖。圖8為本實施例1低頻橋臂接零線端時控制開關管速率單元工作區域示意圖，其中所示曲線極為太陽能電池輸入負端對地(GND)的共模電壓幅值變化。在每個半周切換的時候，有一個較大的電壓幅值變化，控制開關管速率單元正是控制該部分的變化速率以達到降低電壓變化率減少共模電流大小的目的。圖9為本實施例1中低頻橋臂接火線端時控制開關管速率單元工作區域示意圖， 這時電感Ll連接在市電的零線端，此時低頻橋臂連接市電的火線端，其中所示曲線極為太陽能電池輸入負端對大地(GND)的共模電壓幅值變化。在每個半周切換的時候，有一個較大的電壓幅值變化，控制開關管速率單元正是控制該部分的變化速率以達到降低電壓變化率減少共模電流大小的目的。實施例2 兩個高頻開關管S3、S4和兩個低頻開關管Si、S2分別採用功率場效應電晶體 (MOSFET)，其電路原理如圖10所示，其中開關管S3的源極和開關管S4的漏極連接，開關管 S3的漏極與太陽能電池輸入的正極連接，開關管S4的源極與太陽能電池輸入的負極連接。 其中開關管Sl的源極與開關管S2的漏極連接，開關管Sl的漏極與太陽能電池輸入的正極連接的同時還與開關管S3的漏極連接，開關管S2的源極與太陽能電池輸入的負極連接的同時還與開關管S4的源極連接，該兩個低頻開關管S1、S2的基極分別與控制開關管速率單元連接。輸出模塊為單邊電感連接形式，本實施例2電路給出了輸出模塊只有一個電感Ll 的情況，並且該電感Ll連接在市電的火線端，同實施例1，電感Ll的參數應符合行業設計標準，為本領域普通技術人員所公知，這裡也不作特別說明。當輸出模塊中的電感有多個，則這些電感串聯連接，並且應連接在市電的零線或者火線一端。輸出模塊未接電感Ll端一端與市電的零線連接，另一端連接到開關管Sl的源極與開關管S2的漏極連接端，輸出模塊接有電感Ll端一端與市電的火線連接，另一端連接到開關管S3的源極與開關管S4的漏極連接端。[0047] 本實施例2電路 與開關管採用絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的電路可以等效替換，其作用原理以及積極效果與實施例1是一樣的，在此不再贅述。
權利要求1.一種無變壓器的單邊電感併網逆變電路，其特徵在於所述電路包括高頻橋臂、低頻橋臂、輸出模塊以及控制開關管速率單元，所述的高頻橋臂和低頻橋臂分別與直流輸入電源以及輸出模塊連接，輸出模塊與市電連接，其中所述的高頻橋臂具有兩個高頻開關管(S3)、(S4)，所述的低頻橋臂具有兩個低頻開關管(Si)、(S2)，所述的輸出模塊為單邊電感形式，該輸出模塊中的電感連接在市電的零線端或者火線端，所述的輸出模塊未接電感端與低頻橋臂連接，輸出模塊接有電感端與高頻橋臂連接。
2.根據權利要求1所述的無變壓器的單邊電感併網逆變電路，其特徵在於當所述的兩個高頻開關管(S； )、(S4))和兩個低頻開關管(Si)、(S2)分別採用絕緣柵雙極電晶體時， 其中第一高頻開關管(S； )的發射極和第二高頻開關管(S4)的集電極連接，第一高頻開關管(S； )的集電極與直流輸入電源正極連接，第二高頻開關管(S4)的發射極與直流輸入電源的負極連接；第一低頻開關管(Si)的發射極與第二低頻開關管(S2)的集電極連接，第一低頻開關管(Si)的集電極與直流輸入電源的正極連接的同時還與第一高頻開關管(S； )的集電極連接，第二低頻開關管(S》的發射極與直流輸入電源的負極連接的同時還與第二高頻開關管(S4)的發射極連接，並且該第一、第二兩個低頻開關管(Si)、(S2)的基極分別與控制開關管速率單元連接。
3.根據權利要求1所述的無變壓器的單邊電感併網逆變電路，其特徵在於當所述的兩個高頻開關管(S3)、(S4)和兩個低頻開關管(Si)、(S2)分別採用功率場效應電晶體時， 其中第一高頻開關管(S3)的源極和第二高頻開關管(S4)的漏極連接，第一高頻開關管 (S3)的漏極與直流輸入電源正極連接，第二高頻開關管(S4)的源極與直流輸入電源的負極連接；第一低頻開關管(Si)的源極與第二低頻開關管(S2)的漏極連接，第一低頻開關管 (Si)的漏極與直流輸入電源的正極連接的同時還與第一高頻開關管(S； )的漏極連接，第二低頻開關管(S》的源極與直流輸入電源的負極連接的同時還與第二高頻開關管(S4)的源極連接，並且該第一、第二兩個低頻開關管(Si)、(S2)的基極分別與控制開關管速率單元連接。
4.根據權利要求1所述的無變壓器的單邊電感併網逆變電路，其特徵在於所述的輸出模塊至少具有一個電感，當輸出模塊中的電感有多個時，所述的多個電感串聯連接，並且連接在市電的零線端或者火線端。
專利摘要本實用新型涉及一種無變壓器的單邊電感併網逆變電路，所述電路包括高頻橋臂、低頻橋臂、輸出模塊以及控制開關管速率單元，所述的高頻橋臂和低頻橋臂分別與直流輸入電源以及輸出模塊連接，輸出模塊與市電連接，其中所述的高頻橋臂具有兩個高頻開關管，所述的低頻橋臂具有兩個低頻開關管，所述的輸出模塊為單邊電感形式，該輸出模塊中的電感連接在市電的零線端或者火線端，所述的輸出模塊未接電感端與低頻橋臂連接，輸出模塊接有電感端與高頻橋臂連接。本實用新型的電路極大地減少了直流輸入電源對地的共模電流，提高了整機的工作效率。通過控制切換速率，可以減少共模電流的幅值達到控制整體電磁幹擾的效果和提升整機效率。同時本電路所用元器件小，成本較低。
文檔編號H02J3/38GK202127250SQ20112020691
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月18日 優先權日2011年6月18日
發明者戴國峰, 李曉鋒 申請人:江蘇艾索新能源股份有限公司