專利名稱：一種開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)直流-交流變換器領(lǐng)域，具體說，涉及一種無變壓器型 逆變器及其在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
近年來，能源的短缺和環(huán)境的污染已經(jīng)成為世界的焦點，可再生能源的發(fā)展和應(yīng) 用受到世界各國的廣泛關(guān)注。太陽能清潔、廣泛并且儲量巨大，是較為理想的可再生能源之
ο光伏并網(wǎng)發(fā)電是利用太陽能的重要形式之一。光伏電池產(chǎn)生的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn) 換成交流電后輸送給電網(wǎng)。根據(jù)逆變器中變壓器的配置不同，可將其分為帶工頻變壓器型、 帶高頻變壓器型和無變壓器型。工頻變壓器體積龐大，成本高，安裝不方便。高頻變壓器 盡管體積和重量大大減小，但往往需要增加一級功率變換器，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度提高，效率降 低。無變壓器型逆變器由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，效率高，體積小，成本低等優(yōu)點，在世界范圍內(nèi) 得到了快速的發(fā)展。然而，在無變壓器型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池與大地之間存在不可避免的 寄生電容，可能導(dǎo)致對地漏電流出現(xiàn)。對地漏電流將降低電能質(zhì)量，并可能引起電磁兼容和 安全問題，因此需要得到抑制。當(dāng)前，一般采用雙極性調(diào)制的全橋逆變器和半橋逆變器來解決共模電流問題。但 是這兩種解決方案各有其不足之處。雙極性調(diào)制的全橋逆變器輸出電壓為兩電平，需要較 大的輸出濾波電感以抑制開關(guān)紋波，從而增加了系統(tǒng)的體積、成本和損耗。半橋電路要求其 直流側(cè)輸入電壓的大小是全橋逆變器的兩倍，相應(yīng)增加了前級直流輸入源串聯(lián)的數(shù)量或者 提高了前級DC/DC升壓電路的升壓比例以及設(shè)計難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、能夠有效抑制無變壓器型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的對地漏電 流、需要的直流輸入電壓與全橋逆變器相同并且支持三電平輸出的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器 型逆變器以及該開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。—種開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器，其內(nèi)部電路包括第一電容，第二電容，第 一功率開關(guān)，第二功率開關(guān)，第三功率開關(guān)，第四功率開關(guān)，第五功率開關(guān)和濾波器；第一 電容的第一端與第一功率開關(guān)的的漏極相連，第一功率開關(guān)的的源極與第二功率開關(guān)的漏 極、第二電容的第一端和第四功率開關(guān)的漏極相連，第二功率開關(guān)的源極與第一電容的第 二端和第三功率開關(guān)的漏極相連，第三功率開關(guān)的源極與第二電容的第二端和第五功率開 關(guān)的源極相連，第五功率開關(guān)的漏極與第四功率開關(guān)的源極相連，第五功率開關(guān)的漏極與 濾波器的第一輸入端相連，第一電容的第二端與濾波器的第二輸入端相連。所述的濾波器為電感型濾波器、電感-電容型濾波器或電感-電容-電感型濾波
所述功率開關(guān)由獨立功率晶體管和獨立二極管反并聯(lián)后構(gòu)成，或由其內(nèi)部自帶反 并二極管的功率晶體管構(gòu)成。所述的功率晶體管為功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管或 其他全控型功率半導(dǎo)體器件。本發(fā)明的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器具有兩種調(diào)制方式單極性脈沖寬度調(diào) 制和倍頻式脈沖寬度調(diào)制。采用單極性脈沖寬度調(diào)制方式時，當(dāng)工頻(例如50Hz)調(diào)制波處于正半周期時， 第一功率開關(guān)和第三功率開關(guān)導(dǎo)通，第二功率開關(guān)關(guān)斷，第四功率開關(guān)和第五功率開關(guān)做 互補(bǔ)的高頻開關(guān)動作；當(dāng)工頻調(diào)制波處于負(fù)半周期時，第四功率開關(guān)關(guān)斷，第五功率開關(guān)導(dǎo) 通，第一功率開關(guān)和第三功率開關(guān)做同步的高頻開關(guān)動作，第一功率開關(guān)和第二功率開關(guān) 做互補(bǔ)的高頻開關(guān)動作。采用倍頻式脈沖寬度調(diào)制方式時，第一功率開關(guān)、第二功率開關(guān)、第三功率開關(guān)、 第四功率開關(guān)和第五功率開關(guān)均以高頻周期進(jìn)行開關(guān)動作，但第一功率開關(guān)、第二功率開 關(guān)和第三功率開關(guān)的工頻調(diào)制波與第四功率開關(guān)和第五功率開關(guān)的工頻調(diào)制波相位相反。不論采用上述任何一種調(diào)制方式，所有功率開關(guān)的控制信號都滿足以下關(guān)系第 一功率開關(guān)和第三功率開關(guān)的控制信號時序相同，第一功率開關(guān)和第二功率開關(guān)的控制信 號時序互補(bǔ)并有共同關(guān)斷的死區(qū)時間，第四功率開關(guān)和第五功率開關(guān)的控制信號時序互補(bǔ) 并有共同關(guān)斷的死區(qū)時間。所述的單極性脈沖寬度調(diào)制方式使逆變器能夠輸出三電平，從而減小濾波電感； 所述的倍頻式脈沖寬度調(diào)制方式可在所述的單極性脈沖寬度調(diào)制方式基礎(chǔ)上在單個功率 開關(guān)的工作頻率不變的前提下將逆變器輸出電壓的等效開關(guān)頻率提高一倍，從而使得輸出 電感進(jìn)一步減小，進(jìn)而降低成本，減小體積和重量并減少濾波電感上產(chǎn)生的銅損和磁損。本發(fā)明的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器可適用于獨立型逆變器和并網(wǎng)型逆變 器系統(tǒng)，并特別適合應(yīng)用在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中。本發(fā)明的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器應(yīng)用于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)時，直流電源 的正極與第一電容的第一端相連，直流電源的負(fù)極與第一電容的第二端相連，電網(wǎng)的火線 與濾波器的第一輸出端相連，電網(wǎng)的零線與濾波器的第二輸出端相連；然后分別向第一功 率開關(guān)、第二功率開關(guān)、第三功率開關(guān)、第四功率開關(guān)和第五功率開關(guān)的控制端輸入所述的 單極性脈沖寬度調(diào)制或倍頻式脈沖寬度調(diào)制信號，控制所對應(yīng)開關(guān)管的開通和關(guān)斷，實現(xiàn) 直流電源上的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能輸送至電網(wǎng)。由于光伏電池極板與大地間的寄生電 容被輸電導(dǎo)線短路，對地漏電流被完全消除。本發(fā)明的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器需要的直流輸入電壓與全橋逆變器相 同，相比于半橋電路或中點箝位半橋電路，僅需要一半的直流輸入電壓，從而減少了前級直 流輸入源串聯(lián)的數(shù)量或者降低了前級DC/DC升壓電路的升壓比例。本發(fā)明的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器結(jié)構(gòu)簡單，能夠有效抑制無變壓器型光 伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的對地漏電流、需要的直流輸入電壓與全橋逆變器相同且支持三電平輸出。


圖1是本發(fā)明開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器的電路示意圖。
2c是本發(fā)明開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器中三種濾波器結(jié)構(gòu)的示意 圖。圖3是本發(fā)明采用單極性脈寬調(diào)制方式的波形示意圖。圖4是本發(fā)明采用倍頻式脈寬調(diào)制方式的波形示意圖。圖fe-圖5d是本發(fā)明開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器的四種工作模式示意圖。
具體實施例方式參見附圖1，本發(fā)明的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器包括第一電容C1，第二電容 C2,第一功率開關(guān)S1,第二功率開關(guān)S2,第三功率開關(guān)S3,第四功率開關(guān)、，第五功率開關(guān)& 和濾波器F。本實施例所述的功率開關(guān)S1^5由功率晶體管T1-T5和反并二極管D1-D5分別并聯(lián) 組成，功率晶體管的漏極或集電極與反并二極管的陰極相連構(gòu)成功率開關(guān)的漏極，功率晶 體管的源極或發(fā)射極與反并二極管的陽極相連構(gòu)成功率開關(guān)的源極。第一電容C1的第一端與第一功率開關(guān)S1的漏極相連，第一功率開關(guān)S1的源極與 第二功率開關(guān)&的漏極、第二電容C2的第一端和第四功率開關(guān)、的漏極相連，第二功率開 關(guān)&的源極與第一電容C1的第二端和第三功率開關(guān)&的漏極相連，第三功率開關(guān)&的源 極與第二電容C2的第二端和第五功率開關(guān)&的源極相連，第五功率開關(guān)&的漏極與第四 功率開關(guān)、的源極相連，第五功率開關(guān)&的漏極與濾波器F的第一輸入端相連，第一電容 C1的第二端與濾波器F的第二輸入端相連。圖中Vd。為直流側(cè)輸入電壓，ia。為交流側(cè)輸出 電流。將直流電源和電網(wǎng)接入所述的逆變器，其中直流電源的正極與第一電容C1的第一 端相連，直流電源的負(fù)極與第一電容(^的第二端相連，電網(wǎng)的火線與濾波器F的第一輸出 端相連，電網(wǎng)的零線與濾波器F的第二輸出端相連；然后通過驅(qū)動電路分別向第一功率開 關(guān)S1、第二功率開關(guān)&、第三功率開關(guān)&、第四功率開關(guān)、和第五功率開關(guān)&的控制端輸入 控制信號，控制所對應(yīng)開關(guān)管的開通和關(guān)斷，實現(xiàn)直流電源上的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能 輸送電網(wǎng)，同時保證不因逆變器工作產(chǎn)生對地漏電流。2c具體給出了濾波器F的三種不同的組成方式。圖加給出了電感型濾波器。其中濾波電感Lf的第一端與濾波器F的第一輸入端 相連，濾波電感Lf的第二端與濾波器F的第一輸出端相連，濾波器F的第二輸入端和第二 輸出端則直接相連。圖2b給出了電感-電容型濾波器。其中濾波電感Lf的第一端與濾波器F的第一 輸入端相連，濾波電感Lf的第二端與濾波器F的第一輸出端相連，濾波電容Cf的第一端和 第二端分別與濾波器F的第一輸出端和第二輸出端相連，濾波器F的第二輸入端和第二輸 出端則直接相連。圖2c給出了電感-電容-電感型濾波器。其中第一濾波電感Lfl的第一端與濾波 器F的第一輸入端相連，第一濾波電感Lfl的第二端與第二濾波電感Lf2的第一端和濾波電 容Cf的第一端相連，第二濾波電感Lf2的第二端與濾波器F的第一輸出端相連，濾波電容Cf 的第二端與濾波器F的第二輸出端相連，濾波器F的第二輸入端和第二輸出端則直接相連。本發(fā)明的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器具有兩種調(diào)制方式單極性脈沖寬度調(diào)制和倍頻式脈沖寬度調(diào)制。附圖3是采用單極性脈寬調(diào)制方式的波形示意圖，其中U。是高頻(例如20kHz)載 波，Ug是工頻(例如50Hz)調(diào)制波。當(dāng)工頻調(diào)制波Ug處于正半周期時，第一功率開關(guān)S1和 第三功率開關(guān)&導(dǎo)通，第二功率開關(guān)&關(guān)斷，第四功率開關(guān)、和第五功率開關(guān)&做互補(bǔ)的 高頻開關(guān)動作；當(dāng)工頻調(diào)制波Ug處于負(fù)半周期時，第四功率開關(guān)、關(guān)斷，第五功率開關(guān)& 導(dǎo)通，第一功率開關(guān)S1和第三功率開關(guān)&做同步的高頻開關(guān)動作，第一功率開關(guān)S1和第二 功率開關(guān)&做互補(bǔ)的高頻開關(guān)動作。附圖4是采用倍頻式脈寬調(diào)制方式的波形圖，其中U。是高頻(例如20kHz)載波， Ugl和ug2是相位相反的工頻(例如50Hz)調(diào)制波。第一功率開關(guān)S1和第三功率開關(guān)&做 同步的高頻開關(guān)動作，第一功率開關(guān)S1和第二功率開關(guān)&做互補(bǔ)的高頻開關(guān)動作，第一功 率開關(guān)S1、第二功率開關(guān)&和第三功率開關(guān)&的調(diào)制波為Ugl ；第四功率開關(guān)、和第五功 率開關(guān)S5做互補(bǔ)的高頻開關(guān)動作，調(diào)制波為ug2。參見附圖5a_附圖5d，本發(fā)明的無變壓器型逆變器在整個工作過程中，最多存在4 種工作模式。在工作模式1時(參見附圖5a)，第一功率開關(guān)S1、第三功率開關(guān)&和第四功率開 關(guān)、處于導(dǎo)通狀態(tài)，第二功率開關(guān)&和第五功率開關(guān)&處于關(guān)斷狀態(tài)，逆變器輸出正電平， 同時第二電容C2被充電直至其兩端電壓與直流輸入電壓相同。在工作模式2時(參見附圖恥)，第一功率開關(guān)S1、第三功率開關(guān)&和第五功率開 關(guān)&處于導(dǎo)通狀態(tài)，第二功率開關(guān)&和第四功率開關(guān)、處于關(guān)斷狀態(tài)，逆變器輸出零電平， 同時第二電容C2被充電直至其兩端電壓與直流輸入電壓相同。在工作模式3時(參見附圖5c)，第二功率開關(guān)&和第五功率開關(guān)&處于導(dǎo)通狀 態(tài)，第一功率開關(guān)S1、第三功率開關(guān)&和第四功率開關(guān)、處于關(guān)斷狀態(tài)，由于在第二電容C2 在工作模式ι和工作模式2時已被充電，并且其電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)近似保持不變，逆變 器輸出負(fù)電平。在工作模式4時(參見附圖5d)，第二功率開關(guān)&和第四功率開關(guān)、處于導(dǎo)通狀 態(tài)，第一功率開關(guān)S1、第三功率開關(guān)&和第五功率開關(guān)&處于關(guān)斷狀態(tài)，逆變器輸出零電 平。當(dāng)所有功率開關(guān)依照單極性脈沖寬度調(diào)試或倍頻脈沖寬度調(diào)試給出的控制信號 工作時，逆變器不斷在上述四種工作模式間切換，從而實現(xiàn)直流電能向交流電能的轉(zhuǎn)換。本實施例所述的功率開關(guān)可以由其內(nèi)部自帶反并二極管的開關(guān)晶體管構(gòu)成，也可 以由獨立開關(guān)晶體管和獨立二極管反并聯(lián)后構(gòu)成；所述開關(guān)晶體管可以是功率金屬氧化物 硅場效應(yīng)晶體管(Metal Oxide SemiconductorField-effect Transistor，M0SFET)或絕緣 雙極晶體管ansulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等全控型功率半導(dǎo)體器件；所述 濾波器F為電感型濾波器，也可由電感-電容型濾波器或電感-電容-電感型濾波器替代； 本實施例所述的無變壓器型逆變器結(jié)構(gòu)，既適用于并網(wǎng)型逆變器也適用于獨立型逆變器結(jié) 構(gòu)或其他無變壓器型逆變場合。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器，其特征在于，包括第一電容(Ci)、第二電容 (C2)、第一功率開關(guān)(Si)、第二功率開關(guān)(S2)、第三功率開關(guān)(S3)、第四功率開關(guān)(S4)、第五 功率開關(guān)(S5)、濾波器(F)；所述的第一電容(C1)的第一端與第一功率開關(guān)(S1)的漏極相 連，第一功率開關(guān)(S1)的源極與第二功率開關(guān)(S2)的漏極、第二電容(C2)的第一端和第四 功率開關(guān)(S4)的漏極相連，第二功率開關(guān)(S2)的源極與第一電容(C1)的第二端和第三功 率開關(guān)(S3)的漏極相連，第三功率開關(guān)(S3)的源極與第二電容(C2)的第二端和第五功率 開關(guān)(S5)的源極相連，第五功率開關(guān)(S5)的漏極與第四功率開關(guān)(S4)的源極相連；第五功 率開關(guān)(S5)的漏極與濾波器(F)的第一輸入端相連，第一電容(C1)的第二端與濾波器(F) 的第二輸入端相連。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器，其特征在于，所述的功率開 關(guān)由功率晶體管和反并二極管組成，功率晶體管的漏極或集電極與反并二極管的陰極相連 構(gòu)成功率開關(guān)的漏極，功率晶體管的源極或發(fā)射極與反并二極管的陽極相連構(gòu)成功率開關(guān) 的源極。
3.如權(quán)利要求2所述的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器，其特征在于，所述的功率晶 體管為功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極晶體管。
4.如權(quán)利要求2所述的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器，其特征在于，所述的反并二 極管為獨立二極管或功率晶體管內(nèi)部自帶的二極管。
5.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器，其特征在于，所述的濾波器 (F)為電感型濾波器、電感-電容型濾波器或電感-電容-電感型濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5任一權(quán)利要求所述的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器在光伏并 網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的 應(yīng)用，其特征在于，將所述的開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器接入直流電源和電網(wǎng)，所述的 直流電源的正極與第一電容(C1)的第一端相連，直流電源的負(fù)極與第一電容(C1)的第二端 相連，電網(wǎng)的火線與濾波器(F)的第一輸出端相連，電網(wǎng)的零線與濾波器(F)的第二輸出端 相連；然后分別向第一功率開關(guān)(S1).第二功率開關(guān)(S2)、第三功率開關(guān)(S3)、第四功率開 關(guān)(S4)和第五功率開關(guān)(S5)的控制端輸入脈沖寬度調(diào)制信號，控制所對應(yīng)開關(guān)管的開通和 關(guān)斷，實現(xiàn)直流電源上的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能輸送到電網(wǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種開關(guān)電容實現(xiàn)無變壓器型逆變器，包括二個電容，五個功率開關(guān)和濾波器；第一電容的二端分別與第一功率開關(guān)的漏極、濾波器的第二輸入端相連；第一功率開關(guān)的源極與第二功率開關(guān)的漏極、第二電容的第一端和第四功率開關(guān)的漏極相連，第二功率開關(guān)的源極與第一電容的第二端和第三功率開關(guān)的漏極相連，第三功率開關(guān)的源極與第二電容的第二端和第五功率開關(guān)的源極相連，第五功率開關(guān)的漏極與第四功率開關(guān)的源極和濾波器的第一輸入端相連。本發(fā)明還公開了其在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，本發(fā)明的逆變器結(jié)構(gòu)簡單，能夠有效抑制無變壓器型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的對地漏電流。
文檔編號H02M7/48GK102088252SQ201110042149
公開日2011年6月8日 申請日期2011年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月21日
發(fā)明者何湘寧, 李武華, 楊波, 趙一, 顧云杰 申請人:浙江大學(xué)