單相光伏并網(wǎng)逆變器的制造方法
【專利摘要】一種單相光伏并網(wǎng)逆變器，前級(jí)的DC/DC變換單元耦接至光伏陣列，用于實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤和倍壓功能，DC/DC變換單元包括升壓斬波電路、驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路以及箝位電路；后級(jí)的NPC三電平逆變單元耦接至DC/DC變換單元、光伏陣列的負(fù)向端以及外部交流電網(wǎng)零線，采用雙閉環(huán)并網(wǎng)控制方式，獲取穩(wěn)定中間直流電壓以及對(duì)并網(wǎng)電流相位和并網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，NPC三電平逆變單元包括直流側(cè)濾波電路以及DC/AC變換電路。本實(shí)用新型通過將光伏陣列負(fù)向端與電網(wǎng)零線同時(shí)連接至直流側(cè)中點(diǎn)，完全消除系統(tǒng)共模電壓，進(jìn)而保證了共模漏電流為零；且避免了中點(diǎn)電位出現(xiàn)二次脈動(dòng)，降低了直流側(cè)電容的容值需求。
【專利說明】單相光伏并網(wǎng)逆變器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及無隔離變壓器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于高頻倍壓電路的雙級(jí)式中點(diǎn)箝位三電平單相光伏并網(wǎng)逆變器。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)逆變器中存在開關(guān)器件的高頻開關(guān)動(dòng)作，會(huì)產(chǎn)生對(duì)大地的共模電壓。受光伏陣列的面積、結(jié)構(gòu)、環(huán)境及其安裝方式等因素影響，光伏陣列對(duì)大地存在約為5(T200nF/kWp的分布電容。光伏陣列與大地間分布電容的存在，使得光伏并網(wǎng)逆變器引起的共模電壓通過分布電容形成共模電流，引起電網(wǎng)電流畸變、電磁干擾等問題，甚至還可能危及人身安全。
[0003]因此，需要提出一種新的光伏并網(wǎng)逆變器，以解決傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)逆變器中存在的共模電壓?jiǎn)栴}可能引起的漏電流隱患以及直流側(cè)的二次脈動(dòng)，提高太陽(yáng)能的利用率。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的在于解決上述問題，提供一種單相光伏并網(wǎng)逆變器，通過中性點(diǎn)與電網(wǎng)零線的互連解決共模電壓?jiǎn)栴}，使得系統(tǒng)不存在漏電流隱患；同時(shí)直流側(cè)通過有效的高頻倍壓方式，較好地抑制了中點(diǎn)電位的二次脈動(dòng)，降低了直流側(cè)濾波電容的容值。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種單相光伏并網(wǎng)逆變器，包括:前級(jí)的DC/DC變換單元及后級(jí)的NPC三電平逆變單元；所述DC/DC變換單元耦接至光伏陣列，用于實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤和倍壓功能，其中，所述DC/DC變換單元包括升壓斬波電路、驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路及箝位電路，所述升壓斬波電路用于升高光伏陣列輸出電壓，所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路用于輸出互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)脈沖，所述箝位電路用于在互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)下對(duì)升壓后電壓進(jìn)行中點(diǎn)箝位，獲取穩(wěn)定的中點(diǎn)電位；所述NPC三電平逆變單元耦接至所述DC/DC變換單元、光伏陣列的負(fù)向端以及外部交流電網(wǎng)零線，采用雙閉環(huán)并網(wǎng)控制方式，獲取穩(wěn)定中間直流電壓以及對(duì)并網(wǎng)電流相位和并網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，其中，所述NPC三電平逆變單元包括直流側(cè)濾波電路及DC/AC變換電路，所述直流側(cè)濾波電路耦接至所述箝位電路用于對(duì)交流電壓進(jìn)行直流濾波并使共模漏電流為零，所述DC/AC變換電路耦接至所述直流側(cè)濾波電路，用于對(duì)光伏陣列以及外部交流電網(wǎng)的并網(wǎng)電流進(jìn)行控制。
[0006]進(jìn)一步，所述升壓斬波電路包括第一電感以及第一電容，所述第一電感一端接至光伏陣列的正向端同時(shí)通過一第二電容接地保護(hù)，另一端分別通過一二極管接至所述第一電容的兩端；所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路包括第一開關(guān)管以及第二開關(guān)管，所述第一開關(guān)管以及第二開關(guān)管串接后并接在所述第一電容的兩端；所述箝位電路包括第一箝位二極管以及第二箝位二極管，所述第一箝位二極管以及第二箝位二極管均為一端分別接至所述第一電容以及所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路，另一端耦接至所述直流側(cè)濾波電路。
[0007]進(jìn)一步，所述直流側(cè)濾波電路由串聯(lián)的第三電容以及第四電容組成，所述第三電容以及第四電容均為一端接至所述箝位電路，另一端耦接至所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路。[0008]進(jìn)一步，所述DC/AC變換電路包括第三開關(guān)管以及第四開關(guān)管；第三開關(guān)管以及第四開關(guān)管串接，并均為一端通過一輔助開關(guān)管接至所述直流側(cè)濾波電路的一端，同時(shí)通過一二極管耦接至所述第三電容以及第四電容之間，另一端通過一第二電感接至外部交流電網(wǎng)。
[0009]本實(shí)用新型提供的單相光伏并網(wǎng)逆變器的積極效果是:
[0010]I)將光伏陣列負(fù)向端與電網(wǎng)零線同時(shí)連接至直流側(cè)中點(diǎn)，完全消除系統(tǒng)共模電壓，進(jìn)而保證了共模漏電流為零；
[0011]2)NPC三電平逆變單元的正負(fù)組直流電容分別被DC/DC變換單元的輸出電容高頻箝位，避免了中點(diǎn)電位出現(xiàn)二次脈動(dòng)，降低了直流側(cè)電容的容值需求；
[0012]3) NPC三電平逆變單元實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流信號(hào)的無靜差控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本實(shí)用新型單相光伏并網(wǎng)逆變器的電路圖；
[0014]圖2為本實(shí)用新型DC/DC變換單元工作波形圖；
[0015]圖3A為本實(shí)用新型升壓斬波電路的第一電感儲(chǔ)能示意圖；
[0016]圖3B為本實(shí)用新型升壓斬波電路的第一電感放電示意圖；
[0017]圖4為本實(shí)用新型DC/DC變換單元控制原理框圖；
[0018]圖5A為本實(shí)用新型正電平輸出示意圖；
[0019]圖5B為本實(shí)用新型零電平輸出示意圖；
[0020]圖6為本實(shí)用新型NPC三電平逆變單元控制原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型所述的單相光伏并網(wǎng)逆變器做詳細(xì)說明。
[0022]參見圖1，一種單相光伏并網(wǎng)逆變器，包括前級(jí)的DC/DC變換單元12以及后級(jí)的NPC三電平逆變單元14。本實(shí)用新型提供的基于高頻倍壓電路的雙級(jí)式中點(diǎn)箝位(NeutralPoint Clamped,NPC)三電平單相光伏并網(wǎng)逆變器，采用了前級(jí)的DC/DC變換實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Ttracking,MPPT)和倍壓功能,后級(jí)NPC三電平逆變實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。
[0023]所述DC/DC變換單元12耦接至光伏陣列10，用于實(shí)現(xiàn)光伏陣列10的最大功率點(diǎn)跟蹤和倍壓功能。其中，所述DC/DC變換單元12包括升壓斬波電路、驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路以及箝位電路。
[0024]所述升壓斬波電路用于升高光伏陣列10輸出電壓。其中，所述升壓斬波電路包括第一電感LI以及第一電容Cl。所述第一電感LI 一端接至光伏陣列10的正向端，同時(shí)通過一第二電容C2接地保護(hù)，第一電感LI另一端通過二極管Dl接至所述第一電容Cl的正向端端，同時(shí)通過二極管D2接至第一電容Cl的負(fù)相端。
[0025]所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路用于輸出互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)脈沖。所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路包括第一開關(guān)管Tl以及第二開關(guān)管T2，所述第一開關(guān)管Tl以及第二開關(guān)管T2串接后并接在所述第一電容Cl的兩端。所述第一開關(guān)管Tl以及第二開關(guān)管T2各自并接有一二極管(如圖所示D11、D21)。所述第一開關(guān)管Tl以及第二開關(guān)管T2在各自的開關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)通，也即Tl、T2處于聞?lì)l開關(guān)狀態(tài)。
[0026]所述箝位電路用于在互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)下對(duì)升壓后電壓進(jìn)行中點(diǎn)箝位，獲取穩(wěn)定的中點(diǎn)電位。所述箝位電路包括第一箝位二極管D3以及第二箝位二極管D4。所述第一箝位二極管D3的正向端接至所述第一電容Cl的正向端，同時(shí)接至所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路的第一開關(guān)管Tl，D3的負(fù)向端耦接至所述直流側(cè)濾波電路。所述第二箝位二極管D4的負(fù)向端接至所述第一電容Cl的負(fù)向端，同時(shí)接至所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路的第二開關(guān)管T2，D4的正向端耦接至所述直流側(cè)濾波電路。
[0027]所述NPC三電平逆變單元14耦接至所述DC/DC變換單元12、光伏陣列10的負(fù)向端以及外部交流電網(wǎng)19零線，采用雙閉環(huán)并網(wǎng)控制方式，獲取穩(wěn)定中間直流電壓以及對(duì)并網(wǎng)電流相位和并網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。其中，所述NPC三電平逆變單元14包括直流側(cè)濾波電路以及DC/AC變換電路。
[0028]所述直流側(cè)濾波電路耦接至所述箝位電路用于對(duì)交流電壓進(jìn)行直流濾波并使共模漏電流為零。其中，所述直流側(cè)濾波電路由串聯(lián)的第三電容C3以及第四電容C4組成。所述第三電容C3的正向端接至所述箝位電路的第一箝位二極管D3的負(fù)向端,C3的負(fù)向端串接至第四電容C4的正向端的同時(shí)，接至所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路的T1、T2之間。所述第四電容C4的負(fù)向端也接至所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路的Tl、Τ2之間，C4的正向端接至所述箝位電路的第二箝位二極管D4的正向端。
[0029]所述DC/AC變換電路耦接至所述直流側(cè)濾波電路，用于對(duì)光伏陣列10以及外部交流電網(wǎng)19的并網(wǎng)電流進(jìn)行控制。所述DC/AC變換電路包括第三開關(guān)管Τ3以及第四開關(guān)管Τ4。所述第三開關(guān)管Τ3 —端通過一輔助開關(guān)管Τ5接至所述直流側(cè)濾波電路的第三電容C3的正向端，同時(shí)通過一二極管D5耦接至所述第三電容C3以及第四電容C4之間；第三開關(guān)管Τ3另一端串接所述第四開關(guān)管Τ4，并通過第二電感L2接至外部交流電網(wǎng)19。所述第四開關(guān)管Τ4 一端通過一輔助開關(guān)管Τ6接至所述直流側(cè)濾波電路的第四電容C4的負(fù)向端，同時(shí)通過一二極管D6耦接至所述第三電容C3以及第四電容C4之間；第四開關(guān)管Τ4另一端串接所述第三開關(guān)管Τ3，并通過所述第二電感L2接至外部交流電網(wǎng)19。其中所有開關(guān)管各自并接有一二極管(如圖所示D31—D61)。
[0030]由于光伏陣列負(fù)極直接與電網(wǎng)零線連接，光伏陣列與大地間不存在共模電壓。由于驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路的Τ1、Τ2處于高頻開關(guān)狀態(tài)，因此升壓斬波電路的Cl以很高的切換頻率分別向直流側(cè)濾波電路的C3和C4充電，只需要控制Cl的電壓穩(wěn)定即可等效的控制C3、C4的電壓穩(wěn)定，因此C3、C4采用容值較小的電容即可。也即，無論并網(wǎng)電流為正或者為負(fù)，輸出能量主要由存在高頻切換的第一電容Cl提供，因此大大降低了 NPC三電平逆變單元直流側(cè)串聯(lián)電容C3、C4的容量。
[0031]以下結(jié)合圖1-圖4對(duì)所述DC/DC變換單元的工作原理進(jìn)行說明。其中，圖2為DC/DC變換單元工作波形圖；圖3八為升壓斬波電路的第一電感儲(chǔ)能示意圖；圖38為升壓斬波電路的第一電感放電示意圖；圖4為DC/DC變換單元控制原理框圖。
[0032]LI和Cl組成升壓斬波電路；T1、T2兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)；D3、D4將升壓后電壓分別箝位至中間點(diǎn)直流電壓Udc/2 ;圖2中，D為導(dǎo)通占空比，Ug為Tl管門極電壓，Ts為開關(guān)周期，Uci和Iu分別對(duì)應(yīng)Cl電壓和LI電流。
[0033]在((Ttl)期間，Tl導(dǎo)通，電感LI通過D1、T1儲(chǔ)能，直流電感電流上升。此時(shí)由于箝位二極管D4的存在，電容C4與Cl的電壓嚴(yán)格相等，即Ua=Uw(Uc4為C4兩端的電壓)，如圖3A所示。在(tl、2)期間，當(dāng)Tl關(guān)斷后，電感LI通過D1、T2回路給Cl充電，Cl儲(chǔ)能，LI釋放能量。此時(shí)由于箝位二極管D3的存在，電容C3與Cl的電壓嚴(yán)格相等，即Ua=Ura (Uc3為C3兩端的電壓)，如圖3B所示。
[0034]由于Tl、T2處于高頻開關(guān)狀態(tài)，因此Cl以很高的切換頻率分別向C3和C4充電，只需要控制Cl的電壓穩(wěn)定即可等效的控制C3、C4的電壓穩(wěn)定，因此C3、C4采用容值較小的電容即可。
[0035]參考圖4，DC/DC變換單元控制原理框圖，DC/DC變換部分主要用于實(shí)現(xiàn)光伏陣列的MPPT功能，因此采用電感電流閉環(huán)的控制方式，通過對(duì)Uci和Iu的采樣，計(jì)算出直流側(cè)電流指令I(lǐng)*u;經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器Gpi (s)得出開關(guān)管T2的門極驅(qū)動(dòng)電壓Ug_T2。MPPT控制采用滯環(huán)比較法和最優(yōu)梯度法相結(jié)合的算法，計(jì)算得到電感電流的給定值，通過控制電感電流跟蹤指令電流實(shí)現(xiàn)了光伏陣列的MPPT。
[0036]以下結(jié)合圖1，圖5A、圖5B以及圖6對(duì)所述NPC三電平逆變單元的工作原理進(jìn)行說明。其中，圖5A為正電平輸出示意圖；圖5B為零電平輸出示意圖；圖6為NPC三電平逆變單元控制原理框圖。
[0037]以交流電壓正半周期為例，無論交流電流方向?yàn)榱魅牖蛄鞒?，T3、T5導(dǎo)通時(shí)，NPC三電平逆變單元輸出正電平，輸出電壓0.5Ud。，如圖5A所示；T4、T6導(dǎo)通時(shí)，NPC三電平逆變單元輸出零電平，輸出電壓為零，如圖5Β所示；輸出狀態(tài)在正電平和零電平間切換過程只存在對(duì)電容C3的充放電，C4電壓維持不變。同理，在交流電壓負(fù)半周期內(nèi)，無論交流電流的方向如何，輸出狀態(tài)在負(fù)電平和零電平間切換，只存在對(duì)電容C4的充放電，C3電壓維持不變。由于存在前級(jí)DC/DC部分的高頻箝位，C3、C4的電壓被Cl箝位，中點(diǎn)電位基本維持不變，不會(huì)存在傳統(tǒng)的雙級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器會(huì)引起中點(diǎn)電位存在波動(dòng)的問題。
[0038]參考圖6，NPC三電平逆變單元控制原理框圖，DC/AC部分采用雙閉環(huán)并網(wǎng)控制方式，電壓外環(huán)穩(wěn)定中間直流電 壓，電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流相位和并網(wǎng)質(zhì)量的調(diào)節(jié)。訴^是直流母線電壓的給定值可以人為設(shè)定，與實(shí)際直流母線電壓Udc進(jìn)行比較，輸出的結(jié)果送入Gpi (s)，以控制電壓外環(huán)輸出，使其達(dá)到給定值；GPI (s)為電壓環(huán)PI控制器，其輸出與網(wǎng)壓基波角頻率Oci的正弦乘積得出交流電流指令值I*#id ；Gpe(s)為比例諧振控制器，與網(wǎng)壓前饋信號(hào)U#id相加后，經(jīng)過線路阻抗Gf(S)得到并網(wǎng)電流IgHd，形成反饋控制系統(tǒng)。
[0039]其中，Gpi(S)= Kp + K1A(I);
[0040]Gf(S) = I/ ((L + Lg) s + Rg)(2)。[0041 ] 式中:Kp和K1分別為PI環(huán)節(jié)比例積分系數(shù)；L為網(wǎng)側(cè)濾波電感；Lg和Rg為線路阻抗。為能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)交流信號(hào)幅值和相位的無靜差跟蹤，電流內(nèi)環(huán)這里選擇比例諧振(Proportion Resonant, PR)控制器,如式(3)所示，K，分別為PR環(huán)節(jié)比例諧振系數(shù)，同時(shí)加入截止頻率ω。來擴(kuò)大諧振控制器的帶寬，減少理想控制器對(duì)于諧振頻率變化的敏感度，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0042]Gpr(S) = Kj P + Ke ω cs/ (s2 + 2 ω cs + ω 02)(3)。
[0043]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種單相光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于，包括:前級(jí)的DC/DC變換單元以及后級(jí)的NPC三電平逆變單元； 所述DC/DC變換單元耦接至光伏陣列，用于實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤和倍壓功能，其中，所述DC/DC變換單元包括升壓斬波電路、驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路以及箝位電路，所述升壓斬波電路用于升高光伏陣列輸出電壓，所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路用于輸出互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)脈沖，所述箝位電路用于在互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)下對(duì)升壓后電壓進(jìn)行中點(diǎn)箝位，獲取穩(wěn)定的中點(diǎn)電位； 所述NPC三電平逆變單元耦接至所述DC/DC變換單元、光伏陣列的負(fù)向端以及外部交流電網(wǎng)零線，采用雙閉環(huán)并網(wǎng)控制方式，獲取穩(wěn)定中間直流電壓以及對(duì)并網(wǎng)電流相位和并網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，其中，所述NPC三電平逆變單元包括直流側(cè)濾波電路以及DC/AC變換電路，所述直流側(cè)濾波電路耦接至所述箝位電路用于對(duì)交流電壓進(jìn)行直流濾波并使共模漏電流為零，所述DC/AC變換電路耦接至所述直流側(cè)濾波電路，用于對(duì)光伏陣列以及外部交流電網(wǎng)的并網(wǎng)電流進(jìn)行控制。
2.如權(quán)利要求1所述的單相光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述升壓斬波電路包括第一電感以及第一電容，所述第一電感一端接至光伏陣列的正向端同時(shí)通過一第二電容接地保護(hù)，另一端分別通過一二極管接至所述第一電容的兩端；所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路包括第一開關(guān)管以及第二開關(guān)管，所述第一開關(guān)管以及第二開關(guān)管串接后并接在所述第一電容的兩端；所述箝位電路包括第一箝位二極管以及第二箝位二極管，所述第一箝位二極管以及第二箝位二極管均為一端分別接至所述第一電容以及所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路，另一端耦接至所述直流側(cè)濾波電路。
3.如權(quán)利要求2所述的單相光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述直流側(cè)濾波電路由串聯(lián)的第三電容以及第四電容組成，所述第三電容以及第四電容均為一端接至所述箝位電路，另一端耦接至所述驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)電路。
4.如權(quán)利要求3所述的單相光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述DC/AC變換電路包括第三開關(guān)管以及第四開關(guān)管；所述第三開關(guān)管以及第四開關(guān)管串接，并均為一端通過一輔助開關(guān)管接至所述直流側(cè)濾波電路的一端，同時(shí)通過一二極管耦接至所述第三電容以及第四電容之間，另一端通過一第二電感接至外部交流電網(wǎng)。
【文檔編號(hào)】H02M3/10GK203617928SQ201320838847
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】魏丹, 張衛(wèi), 王致杰, 鄭德化, 楊明亮, 胡欣 申請(qǐng)人:上海電機(jī)學(xué)院