專利名稱：單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變 器及控制方法。
背景技術(shù)：
光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中常采用帶工頻或高頻變壓器的隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，這樣確保 了電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)之間的電氣隔離，從而提供人身保護并避免了光伏系統(tǒng)和地之間的漏電 流。然而，若采用工頻變壓器，其體積大、重量重且價格昂貴；若采用高頻變壓器，功率變換 電路將被分成數(shù)級，使得控制復雜化，同時還降低了系統(tǒng)的效率。為了克服上述有變壓器的隔離型并網(wǎng)系統(tǒng)的不足，對無變壓器的非隔離型逆變器 進行了研究。無變壓器隔離型單相光伏并網(wǎng)逆變器具有體積小、效率高、價格低的特點，其 中最突出的優(yōu)點是能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)的效率提高到97 98%，無變壓器拓撲的這個特點對 于發(fā)電成本較高的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)來說具有很大的吸引力，所以在小功率光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中無 變壓器的拓撲被廣泛應用。然而，采用無變壓器拓撲結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器必須妥善解決 的一個問題就是如何消除共模干擾在分布電容形成的回路中所產(chǎn)生的共模電流。關(guān)于共模 電流的成因具體可參見“單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器中共模電流抑制的研究”(孫龍林 等，中國電工技術(shù)學會電力電子學會第十一屆學術(shù)年會)和“無變壓器結(jié)構(gòu)光伏并網(wǎng)系統(tǒng) 共模漏電流分析”(馬琳等，太陽能學報2009年第30卷第7期第883-887頁)。為了抑制共模電流，例如，在“單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器中共模電流抑制的研 究”(孫龍林等，中國電工技術(shù)學會電力電子學會第十一屆學術(shù)年會)中公開了幾種抑制共 模電流的實用電路拓撲，這幾種拓撲均是在全橋電路的基礎(chǔ)上，在電路直流側(cè)或交流側(cè)加 入相關(guān)的開關(guān)管器件，使得電路在續(xù)流時在電路中構(gòu)成新的續(xù)流回路，以使得續(xù)流回路與 直流側(cè)斷開，從而達到抑制電路中的共模電流的效果。這幾種拓撲的缺點是(1)在原電路 基礎(chǔ)上增加了額外的電路，使得硬件電路復雜化，軟件控制程序復雜化；(2)逆變器的全橋 逆變電路中的開關(guān)器件采用高頻單極性調(diào)制方式，所以電路中的高頻開關(guān)損耗較大。又例如，在申請?zhí)枮?00910234342. 9的中國專利申請“一種非隔離光伏并網(wǎng)逆變 器及其開關(guān)控制時序”中公開了一種能夠消除非隔離并網(wǎng)逆變器的共模電流的光伏并網(wǎng)逆 變器。該光伏并網(wǎng)逆變器在全橋電路進行單極性調(diào)制的基礎(chǔ)上加入兩支可控開關(guān)管和分壓 電容構(gòu)成雙向箝位支路，對新加入的開關(guān)管的驅(qū)動信號進行相應的控制，使得在電路進行 單極性調(diào)制中，電路在續(xù)流時，續(xù)流回路電位(即，交流輸出點對地的電壓)降為輸入直流 電壓的一半，從而減小電路中的共模電壓。這種光伏并網(wǎng)逆變器的缺點包括(1)全橋電路 采用高頻單極性方式進行調(diào)制，而正如“單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器中共模電流抑制的 研究”(孫龍林等，中國電工技術(shù)學會電力電子學會第十一屆學術(shù)年會)中所指出的，采用 單極性調(diào)制的全橋拓撲所產(chǎn)生的共模電壓激勵共模諧振回路產(chǎn)生的共模電流將達到數(shù)安 培并且隨著開關(guān)頻率的增大而線性增加，也就是說，單極性調(diào)制方式本身就不可避免地產(chǎn) 生較大的共模電流(采用雙極性調(diào)制的全橋拓撲的共模電壓激勵產(chǎn)生的共模電流僅為毫安級)，尤其是在開關(guān)頻率大的情況下；(2)在整個開關(guān)周期內(nèi)有兩個開關(guān)管同時工作在高 頻狀態(tài)，因此，電路中的高頻開關(guān)損耗較大。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述文本，本發(fā)明提供一種單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器及控制方法， 以有效避免非隔離型并網(wǎng)逆變器電路中的共模電流的產(chǎn)生，并使得高頻開關(guān)損耗較小。為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，包括輸入濾 波電容，其與輸入直流電源并聯(lián)，用于對輸入直流電源的直流電壓進行濾波；半橋電路，其 輸入端與輸入濾波電容并聯(lián)，輸出端分別與儲能電感和全橋電路連接，用于將經(jīng)過濾波的 直流電壓轉(zhuǎn)換為正弦半波電流；全橋電路，其輸入端分別與儲能電感和半橋電路連接，輸出 端與進網(wǎng)濾波器并聯(lián)，用于將通過半橋電路轉(zhuǎn)換的正弦半波電流變換為滿足并網(wǎng)需要的正 弦波電流；儲能電感，其串聯(lián)在半橋電路和全橋電路之間，用于儲存半橋電路傳輸過來的電 能；支撐電容，其與全橋電路的輸入端并聯(lián)，用于為全橋電路提供足夠的工作電壓；和控制 電路，其連接至半橋電路和全橋電路，用于同時對半橋電路和全橋電路進行控制，以使得半 橋電路將經(jīng)過濾波的直流電壓轉(zhuǎn)換為正弦半波電流，并使得全橋電路將通過半橋電路轉(zhuǎn)換 的正弦半波電流變換為滿足并網(wǎng)需要的正弦波電流。優(yōu)選地，所述控制電路對半橋電路發(fā)出高頻SPWM調(diào)制控制信號，以使得半橋電路 以高頻SPWM方式進行調(diào)制以輸出正弦半波電流，同時對全橋電路發(fā)出工頻雙極性調(diào)制控 制信號，以使得全橋電路以工頻對通過半橋電路輸出的正弦半波電路進行換向以輸出滿足 并網(wǎng)需要的正弦波電流。優(yōu)選地，所述半橋電路由兩組帶有反向并聯(lián)二極管的MOSFET開關(guān)管串聯(lián)組成，所 述全橋電路由兩組所述半橋電路并聯(lián)組成，所述控制電路對所述半橋電路的兩組MOSFET 開關(guān)管發(fā)出兩路高頻互補的SPWM調(diào)制控制信號，同時對所述全橋電路的兩組半橋電路發(fā) 出工頻雙極性調(diào)制控制信號，以使得所述兩組半橋電路以工頻在電網(wǎng)電流正半周和負半周 交替形成電流通路。優(yōu)選地，所述控制電路采用DSP F2912微處理器。相應地，本發(fā)明提供一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法，包 括同時對半橋電路和全橋電路進行控制，以使得半橋電路將經(jīng)過濾波的直流電壓轉(zhuǎn)換為 正弦半波電流，并使得全橋電路將通過半橋電路轉(zhuǎn)換的正弦半波電流變換為滿足并網(wǎng)需要 的正弦波電流。優(yōu)選地，對半橋電路發(fā)出高頻SPWM調(diào)制控制信號，以使得半橋電路以高頻SPWM方 式進行調(diào)制以輸出正弦半波電流，同時對全橋電路發(fā)出工頻雙極性調(diào)制控制信號，以使得 全橋電路以工頻對通過半橋電路輸出的正弦半波電路進行換向以輸出滿足并網(wǎng)需要的正 弦波電流。優(yōu)選地，在所述半橋電路由兩組帶有反向并聯(lián)二極管的MOSFET開關(guān)管串聯(lián)組成 并且所述全橋電路由兩組所述半橋電路并聯(lián)組成的情況下，對所述半橋電路的兩組MOSFET 開關(guān)管發(fā)出兩路高頻互補的SPWM調(diào)制控制信號，同時對所述全橋電路的兩組半橋電路發(fā) 出工頻雙極性調(diào)制控制信號，以使得所述兩組半橋電路以工頻在電網(wǎng)電流正半周和負半周 交替形成電流通路。
從以上技術(shù)方案可看出，本發(fā)明可獲得以下技術(shù)效果(1)根據(jù)本發(fā)明的光伏并網(wǎng)逆變器采用半橋+全橋的拓撲結(jié)構(gòu)，有效地避免了現(xiàn) 有的單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器中的共模電流的產(chǎn)生，從而減小了電流過零點處的畸 變；(2)輸入濾波電容不僅可起到對輸入電壓進行濾波的作用，而且還可以起到無功 補償?shù)淖饔茫?3)在整個開關(guān)周期內(nèi)只有一個開關(guān)管工作在高頻狀態(tài)，因此，高頻開關(guān)損耗較
圖1是根據(jù)本發(fā)明的光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)圖；圖3和圖4分別是描繪圖2所示光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電流正半周期時電路的工 作原理圖和各開關(guān)管的驅(qū)動信號時序圖；圖5和圖6分別是描繪圖2所示光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電流負半周期時電路的工 作原理圖和各開關(guān)管的驅(qū)動信號時序圖。
具體實施例方式以下，將參照附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述。圖1是根據(jù)本發(fā)明的光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，該光伏并網(wǎng) 逆變器主要由半橋電路、全橋電路和控制電路組成，其中，半橋電路用于將輸入直流電源的 直流電壓轉(zhuǎn)換成正弦半波的電壓信號，全橋電路用于將通過半橋電路轉(zhuǎn)換的正弦半波電流 變換為滿足并網(wǎng)需要的正弦波電流。在輸入直流電源與半橋電路之間并聯(lián)有輸入濾波電容 Cl，用于對輸入的直流電壓進行濾波，同時還可以起到無功補償?shù)淖饔?。在半橋電路與全橋 電路之間串聯(lián)一儲能電感Li，用于暫時儲存半橋電路傳輸過來的電能。全橋電路的輸入端 并聯(lián)有支撐電容C2，用于確保全橋電路具有足夠的工作電壓。控制電路同時控制半橋電路 和全橋電路的工作方式，以使得半橋電路將經(jīng)過濾波的直流電壓轉(zhuǎn)換為正弦半波電流，并 使得全橋電路將通過半橋電路轉(zhuǎn)換的正弦半波電流變換為滿足并網(wǎng)需要的正弦波電流。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)圖。在該實施例 中，控制電路采用DSP F2912微處理器進行處理，其工作原理是，對半橋電路發(fā)出高頻SPWM 調(diào)制控制信號，以使得半橋電路以高頻SPWM方式進行調(diào)制以輸出正弦半波電流，同時對全 橋電路發(fā)出工頻雙極性調(diào)制控制信號，以使得全橋電路以工頻對通過半橋電路輸出的正弦 半波電路進行換向以輸出滿足并網(wǎng)需要的正弦波電流。具體地講，如圖2所示，半橋電路包括開關(guān)管VT1、VT2和二極管D1、D2。其中，開關(guān) 管VTl的源極與開關(guān)管VT2的漏極相連，開關(guān)管VTl的漏極與輸入直流電源Vin的正極相 連，開關(guān)管VT2的源極與輸入直流電源Vin的負極相連。二極管D1、D2分別與開關(guān)管VT1、 VT2的漏極和源極反向并聯(lián)。全橋電路包括開關(guān)管VT3、VT4、VT5、VT6和二極管D3、D4、D5、D6。其中，開關(guān)管 VT3的源極與開關(guān)管VT4的漏極相連，開關(guān)管VT5的源極與開關(guān)管VT6的漏極相連，開關(guān)管VT3的漏極與開關(guān)管VT5的漏極相連，其連接點與前級電路中的電感Ll的輸出端相接，開關(guān) 管VT4的源極與開關(guān)管VT6的源極相接，其連接點與輸入直流電源Vin的負極相接，二極管 D3、D4、D5、D6分別與VT3、VT4、VT5、VT6的漏極與源極反向并聯(lián)?？刂齐娐贩謩e控制半橋電路和全橋電路中的開關(guān)管。其中，控制電路發(fā)出的控制 信號1與半橋電路中的開關(guān)管VTl的柵極相連接，控制信號2與半橋電路中的開關(guān)管VT2 的柵極相連接，控制信號3與全橋電路中的開關(guān)管VT3和開關(guān)管VT6的柵極相連接，控制信 號4與全橋電路中的開關(guān)管VT4和開關(guān)管VT5的柵極相連接。圖3和圖4分別是描繪圖2所示光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電流正半周期時電路的工 作原理圖和各開關(guān)管的驅(qū)動信號時序圖。如圖3和圖4所示，在電網(wǎng)電流正半周期，控制電 路給半橋電路的開關(guān)管VTl和VT2同時分別發(fā)出兩路高頻互補的SPWM調(diào)制控制信號1和 控制信號2，使開關(guān)管VTl和VT2工作于高頻，以互補的SPWM調(diào)制方式進行調(diào)制。同時控 制電路給全橋電路中的開關(guān)管VT3和VT6發(fā)出控制信號3，使開關(guān)管VT3、VT6常通，開關(guān)管 VT4.VT5截止，其中，開關(guān)管VT3、VT6工作于工頻，為電路中的正向電流提供通路，電路中的 電流方向如圖3中虛線所示。圖5和圖6分別是描繪圖2所示光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電流負半周期時電路的工 作原理圖和各開關(guān)管的驅(qū)動信號時序圖。如圖5和圖6所示，在電網(wǎng)電流負半周期，控制電 路給半橋電路的開關(guān)管VTl和VT2同時發(fā)出兩路高頻互補的SPWM調(diào)制控制信號1和控制 信號2，使開關(guān)管VTl和VT2工作于高頻，以互補的SPWM調(diào)制方式進行調(diào)制。同時控制電路 給全橋電路中的開關(guān)管發(fā)出控制信號4，使開關(guān)管VT4、VT5常通，開關(guān)管VT3、VT6截止，其 中，開關(guān)管VT4和VT5工作于工頻，為電路中的負向電流提供通路，電路中的電流方向如圖 5中虛線所示。從圖3至圖6可看出，通過對前級的半橋電路進行SPWM調(diào)制，使其輸出電流為正 弦半波信號，然后通過后級的全橋電路采用工頻雙極性調(diào)制方式進行電流換向，使其輸出 電流為滿足電網(wǎng)要求的正弦電流信號。由于全橋電路中沒有采取單極性調(diào)制，所以避免了 電路中共模電流的產(chǎn)生。而且，全橋電路以工頻進行電流換向，因此，全橋電路中的開關(guān)管 損耗很小。此外，在圖2所示電路中，在每個開關(guān)周期內(nèi)有兩個開關(guān)管互補工作于高頻，即， 每一時刻電路中只有一個高頻開關(guān)管，其它開關(guān)管都工作于工頻，因此，整個電路中的開關(guān) 損耗很小。以上已參照附圖和實施例對本發(fā)明進行了詳細描述，但是，應該理解，本發(fā)明并不 限于以上所公開的具體實施例，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在此基礎(chǔ)之上容易想到的修改和變 型都應包括在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，包括輸入濾波電容，其與輸入直流電源并聯(lián)，用于對輸入直流電源的直流電壓進行濾波；半橋電路，其輸入端與輸入濾波電容并聯(lián)，輸出端分別與儲能電感和全橋電路連接，用 于將經(jīng)過濾波的直流電壓轉(zhuǎn)換為正弦半波電流；全橋電路，其輸入端分別與儲能電感和半橋電路連接，輸出端與進網(wǎng)濾波器并聯(lián)，用于 將通過半橋電路轉(zhuǎn)換的正弦半波電流變換為滿足并網(wǎng)需要的正弦波電流；儲能電感，其串聯(lián)在半橋電路和全橋電路之間，用于儲存半橋電路傳輸過來的電能；支撐電容，其與全橋電路的輸入端并聯(lián)，用于為全橋電路提供足夠的工作電壓；和控制電路，其連接至半橋電路和全橋電路，用于同時對半橋電路和全橋電路進行控制， 以使得半橋電路將經(jīng)過濾波的直流電壓轉(zhuǎn)換為正弦半波電流，并使得全橋電路將通過半橋 電路轉(zhuǎn)換的正弦半波電流變換為滿足并網(wǎng)需要的正弦波電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述控制電路對半橋電路發(fā) 出高頻SPWM調(diào)制控制信號，以使得半橋電路以高頻SPWM方式進行調(diào)制以輸出正弦半波電 流，同時對全橋電路發(fā)出工頻雙極性調(diào)制控制信號，以使得全橋電路以工頻對通過半橋電 路輸出的正弦半波電路進行換向以輸出滿足并網(wǎng)需要的正弦波電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述半橋電路由兩組帶有反 向并聯(lián)二極管的MOSFET開關(guān)管串聯(lián)組成，所述全橋電路由兩組所述半橋電路并聯(lián)組成，所述控制電路對所述半橋電路的兩組MOSFET開關(guān)管發(fā)出兩路高頻互補的SPWM調(diào)制控 制信號，同時對所述全橋電路的兩組半橋電路發(fā)出工頻雙極性調(diào)制控制信號，以使得所述 兩組半橋電路以工頻在電網(wǎng)電流正半周和負半周交替形成電流通路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述控制電路采用DSPF2912 微處理器。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法，包括同時對半橋電路和全橋電路進行控制，以使得半橋電路將經(jīng)過濾波的直流電壓轉(zhuǎn)換為 正弦半波電流，并使得全橋電路將通過半橋電路轉(zhuǎn)換的正弦半波電流變換為滿足并網(wǎng)需要 的正弦波電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，對半橋電路發(fā)出高頻SPWM調(diào)制控制信號， 以使得半橋電路以高頻SPWM方式進行調(diào)制以輸出正弦半波電流，同時對全橋電路發(fā)出工 頻雙極性調(diào)制控制信號，以使得全橋電路以工頻對通過半橋電路輸出的正弦半波電路進行 換向以輸出滿足并網(wǎng)需要的正弦波電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在所述半橋電路由兩組帶有反向并聯(lián)二 極管的MOSFET開關(guān)管串聯(lián)組成并且所述全橋電路由兩組所述半橋電路并聯(lián)組成的情況 下，對所述半橋電路的兩組MOSFET開關(guān)管發(fā)出兩路高頻互補的SPWM調(diào)制控制信號，同時對 所述全橋電路的兩組半橋電路發(fā)出工頻雙極性調(diào)制控制信號，以使得所述兩組半橋電路以 工頻在電網(wǎng)電流正半周和負半周交替形成電流通路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器及控制方法。所述光伏并網(wǎng)逆變器主要由半橋電路、全橋電路和控制電路組成。所述控制電路對半橋電路和全橋電路進行控制，以使得半橋電路以高頻SPWM方式進行調(diào)制，輸出正弦半波電流，并使得全橋電路以工頻方式進行換向，對半橋電路輸出的正弦半波電流進行換向，輸出并網(wǎng)所需的正弦波電流。該光伏并網(wǎng)逆變器能有效解決非隔離型并網(wǎng)逆變器電路中存在的共模電流的問題，減小電流過零點處的畸變，并且在任意時刻電路中的高頻開關(guān)損耗小。
文檔編號H02M7/5387GK102005954SQ201010536429
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者梁歡迎, 趙丹, 阮少華 申請人:特變電工新疆新能源股份有限公司, 特變電工西安電氣科技有限公司