專利名稱：一種高效無變壓器單相光伏并網(wǎng)逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆變器，尤其涉及一種高效無變壓器單相光伏并網(wǎng)逆變器。
背景技術(shù)：
隨著能源的日益枯竭，太陽能已經(jīng)成為一種十分具有潛力的綠色能源，而光伏發(fā)電是當(dāng)前利用太陽能的主要方式。對于并網(wǎng)型的光伏并網(wǎng)逆變器，存在有隔離變壓器和無隔離變壓器兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于隔離變壓器的并網(wǎng)逆變器，通常在電網(wǎng)側(cè)加入工頻變壓器實(shí)現(xiàn)光伏陣列直流側(cè)與電網(wǎng)側(cè)電氣隔離；也可以在直流側(cè)加入高頻隔離變壓器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)與直流側(cè)電氣隔離。由于電網(wǎng)側(cè)頻率低，使得電網(wǎng)側(cè)隔離變壓器體積龐大、笨重而且價(jià)格昂貴。雖然前兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電氣隔離，但由于隔離變壓器的加入，使得系統(tǒng)的整體效率下降1%-2%。無變壓器式并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)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(yōu)勢。因此，越來越多的商用光伏并網(wǎng)逆變器采用這路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是，無隔離變壓器并網(wǎng)逆變器使光伏(PV)和電網(wǎng)之間有了電氣連接，共模電流大大增加，帶來安全隱患。采用無變壓器的并網(wǎng)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)形成回路所產(chǎn)生的漏電流。德國SMASunnyBoy公司采用H5拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(中國發(fā)明專利號200510079923. I)，在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Vl和V2在電網(wǎng)電流的正負(fù)半周各自導(dǎo)通，V4、V5在電網(wǎng)正半周以開關(guān)頻率調(diào)制，而V2、V5在電網(wǎng)負(fù)半周期以開關(guān)頻率調(diào)制。這種無變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以很好的解決漏電流問題；同時，其最高效率達(dá)到98. 1%,歐洲效率達(dá)到97. 7%0 Sunways公司采用HERIC(歐洲專利號EP 1369985A2)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)涫菍﹄p極性調(diào)制的全橋拓?fù)涞母倪M(jìn)，即在全橋拓?fù)涞慕涣鱾?cè)增加一個由2個IGBT組成的雙向續(xù)流支路，使得續(xù)流回路與直流側(cè)斷開，同樣可以有效解決漏電流問題，其最高效率達(dá)至丨J 96. 3% o 文獻(xiàn)(Transformerless Inverters for Single-phase PhotovoltaicSystems [J]. IEEE Transactions on power electronics, 2007, 22 (2) :693-697)提出一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)FB-DCBP (full-bridge with dc-bypass),在電網(wǎng)電壓正半周期,開關(guān)管SI、S4始終保持導(dǎo)通，開關(guān)管S5、S6與S2、S3交替導(dǎo)通；在電網(wǎng)電壓負(fù)半周期，開關(guān)管S2、S3始終保持導(dǎo)通，開關(guān)管S5、S6與S1、S4交替導(dǎo)通。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很好的解決了漏電流問題，其最高效率可達(dá)到97. 4%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高效無變壓器單相光伏并網(wǎng)逆變器，它能有效抑制共模電流，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最聞效率可達(dá)到96*%。為了解決背景技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明是采用以下技術(shù)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(wǎng)5和以漏電流回路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(wǎng)5依次相連，繼電器4與電網(wǎng)5相連，且升壓電路2與以漏電流回路6相連，以漏電流回路6與電網(wǎng)5相連。本發(fā)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(tǒng)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(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過BOOST升壓電路，經(jīng)過直流變交流(DC-AC)逆變器將直流轉(zhuǎn)換為交流，向電網(wǎng)輸送功率，天黑時，整個系統(tǒng)自動停止工作，利用繼電器使輸出端與電網(wǎng)斷開。本發(fā)明中的升壓電路2負(fù)責(zé)將太陽能光伏陣列的輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需求的直流電壓，一般運(yùn)行在升壓狀態(tài)，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(fā)明中的DC-AC逆變器3作為并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對電能變換起非常關(guān)鍵的作用。通過控制H橋和續(xù)流回路使光伏逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，同時實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率輸出和抑制漏電流，提高整個光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明能有效地抑制共模電流，它和Sunways公司采用HERIC專利相比，在交流側(cè)少一個開關(guān)管，但增加一個二極管整流橋。從控制來看，可以少控制一個開關(guān)管，控制相對來說簡單，整體效率略下降。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最高效率可達(dá)到96%。和采用H橋+雙極性調(diào)制相比，效率可以提聞。H橋+雙極性調(diào)制的最聞效率可94. 8%左右。


圖I為本發(fā)明的高效無變壓器單相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明無變壓器單相光伏并網(wǎng)逆變器漏電流回路圖；圖3為本發(fā)明電網(wǎng)電壓正半周開關(guān)管SI和S4導(dǎo)通時的電流流向示意圖；圖4為本發(fā)明電網(wǎng)電壓正半周開關(guān)管SI和S4關(guān)斷時的電流流向示意圖；圖5為本發(fā)明電網(wǎng)電壓負(fù)半周開關(guān)管S2和S3開通時的電流流向示意圖；圖6為本發(fā)明電網(wǎng)電壓負(fù)半周開關(guān)管S2和S3關(guān)閉時的電流流向示意圖；圖7為本發(fā)明高效無變壓器單相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略圖；圖8(a)為本發(fā)明單極性調(diào)制方式輸出電流和漏電流示意圖；(b)為本發(fā)明的調(diào)制方式輸出電流和漏電流示意圖。
具體實(shí)施例方式參照圖1-8，本具體實(shí)施方式
采用以下技術(shù)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(wǎng)5和以漏電流回路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(wǎng)5依次相連，繼電器4與電網(wǎng)5相連，且升壓電路2與以漏電流回路6相連，以漏電流回路6與電網(wǎng)5相連。本具體實(shí)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(tǒng)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(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過BOOST升壓電路，經(jīng)過直流變交流(DC-AC)逆變器將直流轉(zhuǎn)換為交流，向電網(wǎng)輸送功率，天黑時，整個系統(tǒng)自動停止工作，利用繼電器使輸出端與電網(wǎng)斷開。本具體實(shí)施方式
中的升壓電路2負(fù)責(zé)將太陽能光伏陣列的輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需求的直流電壓，一般運(yùn)行在升壓狀態(tài)，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(shí)施方式
中的DC-AC逆變器3作為并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對電能變換起非常關(guān)鍵的作用。通過控制H橋和續(xù)流回路使光伏逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，同時實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率輸出和抑制漏電流，提高整個光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。
本具體實(shí)施方式
中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用二級功率電路，將光伏陣列輸出變化的直流電壓轉(zhuǎn)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(guān)管S6，使直流母線電壓Udc達(dá)到一定值，滿足向電網(wǎng)輸送功率的要求。第二級功率電路為DC-AC電路，它由開關(guān)管31、52、53、54、55以及二極管01、02、03、04組成，它負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)化交流電。在無變壓器的非隔離光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，電網(wǎng)與光伏陣列之間存在直接的電氣連接，由于光伏陣列和地之間存在寄生電容，形成由寄生電容、直流側(cè)和交流濾波器以及電網(wǎng)阻抗形成共模諧振回路。寄生電容上共模電壓的變化會在寄生電容上產(chǎn)生共模電流(漏電流)。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)其漏電流回路如圖2所示。為抵制無變壓器單相光伏逆變器的漏電流，應(yīng)盡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，即功率器件采用PWM控制使得a和b點(diǎn)對0點(diǎn)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(diào)制過程(I)電網(wǎng)電壓正半周開關(guān)管SI和S4開通在電網(wǎng)電壓正半周時，開關(guān)管S2和S3始終保持關(guān)斷，SI和S4同時采用PWM調(diào)制(SI和S4的開關(guān)驅(qū)動信號相同)，開關(guān)管S5的開關(guān)驅(qū)動信號與開關(guān)管SI (S4)的驅(qū)動信號互補(bǔ)。當(dāng)開關(guān)管SI、S4導(dǎo)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(wǎng)電壓正半周開關(guān)管SI和S4關(guān)斷在電網(wǎng)電壓正半周時，開關(guān)管S2和S3始終保持關(guān)斷，當(dāng)開關(guān)管SI、S4關(guān)斷，開關(guān)管S5導(dǎo)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(wǎng)電壓負(fù)半周開關(guān)管S2和S3開通在電網(wǎng)電壓負(fù)半周時，開關(guān)管SI和S4始終保持關(guān)斷，S2和S3同時采用PWM調(diào)制(S2和S3的開關(guān)驅(qū)動信號相同)，開關(guān)管S5的開關(guān)驅(qū)動信號與開關(guān)管S2(S3)的驅(qū)動信號互補(bǔ)。當(dāng)開關(guān)管S2、S3導(dǎo)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(wǎng)電壓負(fù)半周開關(guān)管S2和S3關(guān)斷在電網(wǎng)電壓負(fù)半周時，開關(guān)管SI和S4始終保持關(guān)斷，當(dāng)開關(guān)管S2、S3關(guān)斷，開關(guān)管S5導(dǎo)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(wǎng)電壓正半周還是電網(wǎng)電壓負(fù)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(shí)施方式
整個高效無變壓器單相光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略如圖7所示。下面具體分析PWM調(diào)制方式
I、通過鎖相環(huán)得到電網(wǎng)空間角度的信息，在電網(wǎng)電壓正半周時，開關(guān)管S2和S3始終保持關(guān)斷，開關(guān)管SI和S4采用PWM調(diào)制(SI和S4的驅(qū)動信號相同)，續(xù)流回路中的開關(guān)管S5與SI (S4)的驅(qū)動信號互補(bǔ)。 當(dāng)開關(guān)管SI和S4開通時(開關(guān)管S5關(guān)斷)，此時的共模電壓為Udc/2，此時DCAC逆變器的電流回路為開關(guān)管SI-電感L2-電容C3-電感L3-開關(guān)管S4-電容C2 當(dāng)開關(guān)管SI和S4關(guān)斷時(開關(guān)管S5開通)，此時的共模電壓為Udc/2，此時DC-AC逆變器的電流回路為電感L2-電容C3-電感L3- 二極管D4-開關(guān)管S5——二極管Dl電流經(jīng)不過直流側(cè)母線電容，而在續(xù)流回路上續(xù)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(wǎng)電壓負(fù)半周時，開關(guān)管SI和S4始終保持關(guān)斷，開關(guān)管S2和S3采用PWM調(diào)制(SI和S4的驅(qū)動信號相同)，續(xù)流回路中的開關(guān)管S5與S2(S3)的驅(qū)動信號互補(bǔ)。 當(dāng)開關(guān)管S2和S3開通時(開關(guān)管S5關(guān)斷)，此時的共模電壓為Udc/2，此時DC-AC逆變器的電流回路為開關(guān)管S3-電感L3-電容C3-電感L2-開關(guān)管S2-電容C2 當(dāng)開關(guān)管S2和S3關(guān)斷時(開關(guān)管S5開通)，此時的共模電壓為Udc/2，此時DC-AC逆變器的電流回路為電感L3-電容C3-電感L2- 二極管D3-開關(guān)管S5- 二極管D2同樣，電流經(jīng)不過直流側(cè)母線電容，而在續(xù)流電路3-1上續(xù)流，這樣使共模電壓保持不變。(I)濾波電感和濾波電容對并網(wǎng)逆變器輸出電流進(jìn)行濾波。(2)信號采集電路采用兩個差分電路分別采集光伏陣列輸出電壓和電網(wǎng)電壓，采用兩個VAC電流傳感器分別采集光伏陣列的輸出電流和并網(wǎng)逆變器輸出電流，所有這此信號經(jīng)過調(diào)理成0-3V之間，將此信號輸入到TMS320F2808芯片為核心的AD采樣口。(3)控制板電路以數(shù)字信號處理器TMS320F2808為核心，利用片內(nèi)AD模塊對信號采集電路信號進(jìn)行采樣，根據(jù)圖7高效無變壓器單相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略，發(fā)出相應(yīng)的PWM脈沖。本具體實(shí)施方式
能有效地抑制共模電流，它和Sunways公司采用HERIC專利相比，在交流側(cè)少一個開關(guān)管，但增加一個二極管整流橋。從控制來看，可以少控制一個開關(guān)管，控制相對來說簡單，整體效率略下降。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最高效率可達(dá)到96%。和采用H橋+雙極性調(diào)制相比，效率可以提聞。H橋+雙極性調(diào)制的最聞效率可94. 8%左右。
權(quán)利要求
1. 一種高效無變壓器單相光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于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(wǎng)(5)和以漏電流回路(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(wǎng)(5)依次相連，繼電器⑷與電網(wǎng)(5)相連，且升壓電路⑵與以漏電流回路(6)相連，以漏電流回路(6)與電網(wǎng)(5)相連。
全文摘要
一種高效無變壓器單相光伏并網(wǎng)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(wǎng)(5)和以漏電流回路(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(wǎng)(5)依次相連，繼電器(4)與電網(wǎng)(5)相連，且升壓電路(2)與以漏電流回路(6)相連，以漏電流回路(6)與電網(wǎng)(5)相連。它能有效抑制共模電流，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最高效率可達(dá)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(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)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