一種基于電壓電流極性檢測的高效h橋光伏逆變器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電壓電流極性檢測的高效H橋光伏逆變器，結(jié)構(gòu)為直流側(cè)電容并聯(lián)在光伏電池板兩端，光伏電池板連接H橋逆變器，H橋逆變器的兩個中點上分別串聯(lián)一個新增電路，新增電路包括串聯(lián)的二極管和開關(guān)管，每個開關(guān)管的發(fā)射極與集電極之間都連接有一個二極管，H橋逆變器與新增電路的連接點處分別伸出四條引線，四條引線不屬于H橋逆變器同一支路且位置不一致的相連，分別通過一個交流側(cè)濾波電感連接交流側(cè)兩端。該拓撲可在續(xù)流狀態(tài)下將光伏板與電網(wǎng)隔離，在功率模式下電流僅流經(jīng)兩個開關(guān)管，導通損耗小，效率高，在整個電網(wǎng)周期內(nèi)保持共模電壓值為恒定，從而抑制共模漏電流的大小。
【專利說明】—種基于電壓電流極性檢測的高效H橋光伏逆變器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種基于電壓電流極性檢測的高效H橋光伏逆變器。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來，隨著世界范圍內(nèi)化石燃料的不斷消耗，能源緊張的問題日益嚴重，因此，可再生能源的研究受到世界各國越來越多的關(guān)注。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是可再生能源應用的一個重要領(lǐng)域，光伏逆變器是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它的主要作用是將光伏電池板發(fā)出來的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同步的交流電。在太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)逆變器在輸出端一般會安裝工頻變壓器，以實現(xiàn)對電壓的調(diào)整以及對電網(wǎng)的隔離，但是工頻變壓器體積大、成本高、損耗大，不利于逆變器整體效率的改善，因此對于無工頻變壓器的非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的研究成為熱點。在非隔離型光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，由于逆變器和電網(wǎng)之間沒有電氣隔離，在逆變器高頻開關(guān)的作用下，會產(chǎn)生共模電流，共模電流流經(jīng)系統(tǒng)的共?；芈罚诠夥宓膶Φ丶纳娙葜袝a(chǎn)生共模漏電流。
[0003]傳統(tǒng)單相H全橋逆變器中共模電壓及共模電流的模型。如圖1所示為傳統(tǒng)非隔離型單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。在圖1中，H4電路的四個開關(guān)動作在高頻狀態(tài)下，在工頻周期內(nèi)會激發(fā)一個共模電壓Ucm，由于光伏電池板對地存在一個雜散電容Cpv，因此共模電壓在電路中會產(chǎn)生流經(jīng)雜散電容、大地以及電路部分的共模漏電流I cm。共模電流的諧振回路在圖1中用虛線和箭頭表示。共模電壓公式為:
[0004]Ucdi^ab = (Uao+Ubo)/2
[0005]共模電流的公式可以表示為:
[0006]Icm = CpdUcm/dt
[0007]非隔離型光伏逆變系統(tǒng)產(chǎn)生的共模漏電流嚴重時會對人身安全造成危害，尤其是在傳統(tǒng)的單相全橋逆變器中，如果采用單極性開關(guān)調(diào)制策略，則會使共模電壓產(chǎn)生較大的波動，進而帶來嚴重的共模漏電流問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于電壓電流極性檢測的高效H橋光伏逆變器，該單相逆變器的電路結(jié)構(gòu)包括六個開關(guān)管和兩個二極管，保證系統(tǒng)的共模電壓在開關(guān)動作的過程中保持恒定，從而使共模漏電流的大小得到抑制，同時在續(xù)流狀態(tài)下電路的的拓撲結(jié)構(gòu)可以將光伏模塊和電網(wǎng)隔離，避免功率交換，從而提高了效率，同時提出一種基于電壓電流極性檢測的復合開關(guān)調(diào)制方式，可以消除逆變器的輸出電流因為非單位功率因數(shù)運行或受電網(wǎng)波動影響而發(fā)生的畸變。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0010]一種基于電壓電流極性檢測的高效H橋光伏逆變器，包括光伏電池板、直流側(cè)電容、交流側(cè)濾波電感、H橋逆變器、2個開關(guān)管和2個二極管，其中:
[0011 ] 直流側(cè)電容并聯(lián)在光伏電池板兩端，光伏電池板連接H橋逆變器，H橋逆變器的兩個中點上分別串聯(lián)一個新增電路，所述新增電路，用于在零電壓的續(xù)流模式下將光伏電池板與電網(wǎng)隔離，并且在零電壓狀態(tài)下為電流提供續(xù)流通路，保證在高頻開關(guān)的動作過程中系統(tǒng)共模電壓始終保持直流電壓的一半不變，以抑制共模漏電流的大?。?br>
[0012]H橋逆變器與新增電路的連接點處分別伸出四條引線，四條引線不屬于H橋逆變器同一支路且位置不一致的相互連接，組成兩條支路，兩條支路分別通過一個交流側(cè)濾波電感連接交流側(cè)兩端。
[0013]如圖2所示，左橋臂從上至下依次為S1、S5、D1、S2，右橋臂從上至下依次為S3、S6、D2、S4，其中開關(guān)管均為上端為集電極，下端為發(fā)射極，二極管均為上端為正，下端為負。輸出點A點與B點分別位于Dl、S2和D2、S4之間。
[0014]所述新增電路結(jié)構(gòu)相同，分別包括串聯(lián)的二極管和開關(guān)管，開關(guān)管的集電極為正向輸入端，每個開關(guān)管的集電極與發(fā)射極之間都反向連接有一個二極管，且開關(guān)管的發(fā)射極正向串聯(lián)一個二極管。
[0015]如圖7所示，左橋臂從上至下依次為S1、S5、D1、S2，右橋臂從上至下依次為S3、S6、D2、S4，其中開關(guān)管均為上端為集電極，下端為發(fā)射極，二極管均為上端為正，下端為負。輸出點A點與B點分別位于S1、S5和S3、S6之間。
[0016]所述新增電路結(jié)構(gòu)相同，分別包括串聯(lián)的二極管和開關(guān)管，開關(guān)管的發(fā)射極為正向輸入端，每個開關(guān)管的發(fā)射極與集電極之間都正向連接有一個二極管，且開關(guān)管的發(fā)射極反向串聯(lián)一個二極管。
[0017]如圖8所示，左橋臂從上至下依次為S1、D1、S5、S2，右橋臂從上至下依次為S3、D2、S6、S4，其中開關(guān)管S1、S2、S3、S4均為上端為集電極，下端為發(fā)射極，S5、S6均為下端為集電極，上端為發(fā)射極，二極管均為下端為正，上端為負。輸出點A點與B點分別位于S5、S2和S6、S4之間。
[0018]所述新增電路結(jié)構(gòu)不同，一路新增電路包括開關(guān)管，開關(guān)管的發(fā)射極為正向輸入端，每個開關(guān)管的發(fā)射極與集電極之間都正向連接有一個二極管，且開關(guān)管的發(fā)射極反向串聯(lián)一個二極管；另一路新增電路包括開關(guān)管，開關(guān)管的發(fā)射極為正向輸入端，每個開關(guān)管的發(fā)射極與集電極之間都正向連接有一個二極管，開關(guān)管的集電極處反向串聯(lián)一個二極管。
[0019]如圖10所示，所述直流側(cè)電容為兩個，且中點處引出支路分別通過二極管連接兩個新增電路；且該二極管的連接方向與新增電路中和開關(guān)管串聯(lián)的二極管的連接方向相反。
[0020]一種基于所述H橋光伏逆變器輸出電壓電流極性檢測的開關(guān)調(diào)制方法，包括以下:
[0021](I)在電網(wǎng)電壓的正半周期內(nèi)，當檢測到逆變器輸出電壓和電流極性相同時，H橋右側(cè)的開關(guān)管高頻動作，新增電路中位于另一側(cè)的開關(guān)管導通；
[0022](2)而當檢測到電壓和電流極性相反時，新增電路中該開關(guān)管保持導通狀態(tài)，新增電路的另一個開關(guān)管和同側(cè)H橋開關(guān)管互補聞頻動作；
[0023](3)在電網(wǎng)電壓的負半周期內(nèi)，當逆變器輸出電壓和電流極性相同時，H橋左側(cè)的開關(guān)管高頻動作，新增電路中位于右側(cè)的開關(guān)管導通，當逆變器輸出電壓和電流極性相反時，新增電路中位于右側(cè)的開關(guān)管保持導通狀態(tài)，新增電路中位于左側(cè)的開關(guān)管和同側(cè)H橋支路的開關(guān)管互補高頻動作。
[0024]如圖2所示，即在電網(wǎng)電壓的正半周期內(nèi)，當檢測到逆變器輸出電壓和電流極性相同時，S3、S4高頻動作，S5導通，而當檢測到電壓和電流極性相反時，S5保持導通狀態(tài)，S6和S3、S4互補高頻動作。在電網(wǎng)電壓的負半周期內(nèi)，當逆變器輸出電壓和電流極性相同時，S1、S2高頻動作，S6導通，當逆變器輸出電壓和電流極性相反時，S6保持導通狀態(tài)，S5和S1、S2互補高頻動作。
[0025]本發(fā)明的有益效果為:
[0026](I)在零電壓狀態(tài)下避免了直流側(cè)電容和交流電感之間的功率交換，而且在功率模式下相比于其它H6逆變器電流只流經(jīng)兩個開關(guān)管，降低了導通損耗，從而提高了效率；
[0027](2)在零電壓狀態(tài)下將光伏板與電網(wǎng)隔離，從而保持共模電壓的恒定，抑制了共模漏電流的大?。?br>
[0028](3)與傳統(tǒng)H全橋逆變器相比，該電路結(jié)構(gòu)可充分利用元器件性能，提高逆變器效率及安全系數(shù)，改善輸出電能質(zhì)量；
[0029](4)有效的解決了目前非隔離型單相光伏并網(wǎng)逆變器共模漏電流的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為傳統(tǒng)H4橋光伏并網(wǎng)逆變器共?；芈返刃щ娐穲D；
[0031]圖2為本發(fā)明的電路一結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3為本發(fā)明電路工作于模式一的電流流通示意圖；
[0033]圖4為本發(fā)明電路工作于模式二的電流流通示意圖；
[0034]圖5為本發(fā)明電路工作于模式三的電流流通示意圖；
[0035]圖6為本發(fā)明電路工作于模式四的電流流通示意圖；
[0036]圖7為新型逆變器的變形拓撲一結(jié)構(gòu)圖；
[0037]圖8為新型逆變器的變形拓撲二結(jié)構(gòu)圖；
[0038]圖9為新型逆變器的變形拓撲三結(jié)構(gòu)圖；
[0039]圖10為新型逆變器的變形拓撲四結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
:
[0040]下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0041]傳統(tǒng)H4橋光伏并網(wǎng)逆變器共?；芈返刃щ娐穲D如圖1所示。
[0042]本發(fā)明的拓撲如圖2所示，在傳統(tǒng)H4橋逆變電路的基礎(chǔ)上增加了兩個開關(guān)管S5、S6和兩個二極管D1、D2。開關(guān)的調(diào)制方式在電網(wǎng)電壓的一個周期內(nèi)分為四個階段，分別為模式一到模式四，如圖3到圖6所示。
[0043]在電網(wǎng)電壓的負半周期內(nèi)，當檢測到逆變器輸出電壓和電流極性相同時，S1、S2高頻動作，S6導通，而當檢測到電壓和電流極性相反時，S6保持導通狀態(tài)，S5和S1、S2互補高頻動作。在電網(wǎng)電壓的正半周期內(nèi)，當逆變器輸出電壓和電流極性相同時，S3、S4高頻動作，S5導通，當逆變器輸出電壓和電流極性相反時，S5保持導通狀態(tài)，S6和S3、S4互補高頻動作。
[0044]能夠在續(xù)流狀態(tài)下將光伏板與電網(wǎng)隔離，在功率模式下電流僅流經(jīng)兩個開關(guān)管，導通損耗小，效率高，并且在整個電網(wǎng)周期內(nèi)保持共模電壓值為恒定，從而抑制共模漏電流的大小。
[0045]通過檢測逆變器輸出電壓電流的極性調(diào)整開關(guān)動作，從而避免逆變器因電網(wǎng)功率波動影響或工作于非單位功率因數(shù)而導致的電流波形畸變。
[0046]在電網(wǎng)電壓的負半周期內(nèi)，在如圖3所示的模式一中，逆變器處于功率輸出狀態(tài)，開關(guān)S1、S2和S6導通，其它開關(guān)關(guān)斷，此時的共模電壓Uem= (0+Udc)/2 = Ude/2，在電網(wǎng)負半周期的模式二中，如圖4所示，逆變器處于零電壓續(xù)流狀態(tài)，開關(guān)S1、S2關(guān)斷，S6保持導通狀態(tài)，此時電流流經(jīng)D2以及S6構(gòu)成續(xù)流通道，此時共模電壓Uem= (Ude/2+Ude/2)/2 = Ude/2。
[0047]在電網(wǎng)電壓的正半周期內(nèi)，同理，在如圖5所示的模式三中，逆變器處于功率輸出狀態(tài)，開關(guān)S3、S4和S5導通，其它開關(guān)關(guān)斷，此時的共模電壓Ucni = (Udc+0) /2 = Udc;/2，在電網(wǎng)正半周期的模式四中，如圖6所示，逆變器處于零電壓續(xù)流狀態(tài)，開關(guān)S3、S4關(guān)斷，S5保持導通狀態(tài)，此時電流流經(jīng)Dl以及S5構(gòu)成續(xù)流通道，此時共模電壓Ucm = (Udc/2+Udc/2)/2=Udc/2。
[0048]這樣在電網(wǎng)電壓的整個周期內(nèi)，逆變器的共模電壓Um在開關(guān)高頻動作下始終保持為Udc/2不變，因此共模漏電流Iem = CPVdUcm/dt將得到極大的抑制，從而消除了人身或設(shè)備受到漏電流的危害。
[0049]但是上述的開關(guān)調(diào)制方式是針對逆變器在單位功率因數(shù)下運行時所制定的，而當逆變器運行于非單位功率因數(shù)、電網(wǎng)電流過零點附近或者受到電網(wǎng)功率波動的影響時，逆變器的輸出電壓Uab與輸出電流的極性可能會相反，即在上述的模式二和模式四的續(xù)流狀態(tài)下，電流極性會與所提供的續(xù)流通道的方向相反，這樣便會造成輸出電流無法正常續(xù)流，進而導致電流的波形發(fā)生畸變。針對此問題，提出了一種基于逆變器輸出電壓電流極性檢測的開關(guān)調(diào)制策略，即在電網(wǎng)電壓的正半周期內(nèi)，當檢測到逆變器輸出電壓和電流極性相同時，S3、S4高頻動作，S5導通，而當檢測到電壓和電流極性相反時，S5保持導通狀態(tài)，S6和S3、S4互補高頻動作。在電網(wǎng)電壓的負半周期內(nèi)，當逆變器輸出電壓和電流極性相同時，S1、S2高頻動作，S6導通，當逆變器輸出電壓和電流極性相反時，S6保持導通狀態(tài)，S5和S1、S2互補高頻動作。這樣，便可以保證在續(xù)流狀態(tài)下，當逆變器輸出電流電壓極性不同時，輸出電流波形不發(fā)生畸變，進而使電能質(zhì)量得到改善。
[0050]本發(fā)明可以進行拓撲改變，一種基于電壓電流極性檢測的高效H橋光伏逆變器，包括光伏電池板、直流側(cè)電容、交流側(cè)濾波電感、H橋逆變器、2個開關(guān)管和2個二極管，其中:
[0051 ] 直流側(cè)電容并聯(lián)在光伏電池板兩端，光伏電池板的連接H橋逆變器，H橋逆變器的兩個中點上分別串聯(lián)一個新增電路，所述新增電路，用于在零電壓的續(xù)流模式下將光伏電池板與電網(wǎng)隔離，并且在零電壓狀態(tài)下為電流提供續(xù)流通路，保證在高頻開關(guān)的動作過程中系統(tǒng)共模電壓始終保持直流電壓的一半不變，以抑制共模漏電流的大?。?br>
[0052]H橋逆變器與新增電路的連接點處分別伸出四條引線，四條引線不屬于H橋逆變器同一支路且位置不一致的相互連接，組成兩條支路，兩條支路分別通過一個交流側(cè)濾波電感連接交流側(cè)兩端。
[0053]如圖7所示，新增電路結(jié)構(gòu)相同，分別包括串聯(lián)的二極管和開關(guān)管，開關(guān)管的集電極為正向輸入端，每個開關(guān)管的集電極與發(fā)射極之間都反向連接有一個二極管，且開關(guān)管的發(fā)射極正向串聯(lián)一個二極管。
[0054]如圖8所示，新增電路結(jié)構(gòu)相同，分別包括串聯(lián)的二極管和開關(guān)管，開關(guān)管的發(fā)射極為正向輸入端，每個開關(guān)管的發(fā)射極與集電極之間都正向連接有一個二極管，且開關(guān)管的發(fā)射極反向串聯(lián)一個二極管。
[0055]如圖9所示，新增電路結(jié)構(gòu)不同，一路新增電路包括開關(guān)管，開關(guān)管的發(fā)射極為正向輸入端，每個開關(guān)管的發(fā)射極與集電極之間都正向連接有一個二極管，且開關(guān)管的發(fā)射極反向串聯(lián)一個二極管；另一路新增電路包括開關(guān)管，開關(guān)管的發(fā)射極為正向輸入端，每個開關(guān)管的發(fā)射極與集電極之間都正向連接有一個二極管，開關(guān)管的集電極處反向串聯(lián)一個二極管。
[0056]如圖10所示，所述直流側(cè)電容為兩個，且中點處引出支路分別通過二極管連接兩個新增電路；且該二極管的連接方向與新增電路中和開關(guān)管串聯(lián)的二極管的連接方向相反。
[0057]如圖8、9所示，H橋與電網(wǎng)之間的濾波電感支路中有兩條引出線，分別連接在H橋電路的兩個橋臂上，在這兩條引出線上增加兩個電感，可以避免逆變器橋臂的直通危險。
[0058]如圖10所示，在圖9電路拓撲的基礎(chǔ)上增加兩個二極管和一個電容，直流側(cè)電源與兩個分壓電容相并聯(lián)，在兩個分壓電容的中點處電位被鉗位至直流電壓的一半，從分壓電容的中點處與兩橋臂中點分別連接一個二極管，這兩個二極管方向相反，二極管D3 —端接分壓電容中點，另一端接Dl和S5中間，二極管D4—端接分壓電容中點，另一端接D2和S6中間。針對圖10所示的電路結(jié)構(gòu)，S5和S6在整個工頻周期內(nèi)高頻動作，電網(wǎng)正半周期內(nèi)S5、S6與S1、S2互補高頻動作，電網(wǎng)負半周期內(nèi)，S5、S6與S3、S4互補高頻動作。增加的兩個二極管能保證電路在續(xù)流狀態(tài)內(nèi)共模電壓鉗位至直流電壓的一半不變，進一步減小共模漏電流。
[0059]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于電壓電流極性檢測的高效H橋光伏逆變器，其特征是:包括光伏電池板、直流側(cè)電容、交流側(cè)濾波電感、H橋逆變器、2個開關(guān)管和2個二極管，其中: 直流側(cè)電容并聯(lián)在光伏電池板兩端，光伏電池板連接H橋逆變器，H橋逆變器的兩個中點上分別串聯(lián)一個新增電路，所述新增電路，用于在零電壓的續(xù)流模式下將光伏電池板與電網(wǎng)隔離，并且在零電壓狀態(tài)下為電流提供續(xù)流通路，保證在高頻開關(guān)的動作過程中系統(tǒng)共模電壓始終保持直流電壓的一半不變，以抑制共模漏電流的大小； H橋逆變器與新增電路的連接點處分別伸出四條引線，四條引線不屬于H橋逆變器同一支路且位置不一致的相互連接，組成兩條支路，兩條支路分別通過一個交流側(cè)濾波電感連接交流側(cè)兩端。
2.如權(quán)利要求1所述的H橋光伏逆變器，其特征是:所述新增電路結(jié)構(gòu)相同，分別包括串聯(lián)的二極管和開關(guān)管，開關(guān)管的集電極為正向輸入端，每個開關(guān)管的集電極與發(fā)射極之間都反向連接有一個二極管，且開關(guān)管的發(fā)射極正向串聯(lián)一個二極管。
3.如權(quán)利要求1所述的H橋光伏逆變器，其特征是:所述新增電路結(jié)構(gòu)相同，分別包括串聯(lián)的二極管和開關(guān)管，開關(guān)管的發(fā)射極為正向輸入端，每個開關(guān)管的發(fā)射極與集電極之間都正向連接有一個二極管，且開關(guān)管的發(fā)射極反向串聯(lián)一個二極管。
4.如權(quán)利要求1所述的H橋光伏逆變器，其特征是:所述新增電路結(jié)構(gòu)不同，一路新增電路包括開關(guān)管，開關(guān)管的發(fā)射極為正向輸入端，每個開關(guān)管的發(fā)射極與集電極之間都正向連接有一個二極管，且開關(guān)管的發(fā)射極反向串聯(lián)一個二極管；另一路新增電路包括開關(guān)管，開關(guān)管的發(fā)射極為正向輸入端，每個開關(guān)管的發(fā)射極與集電極之間都正向連接有一個二極管，開關(guān)管的集電極處反向串聯(lián)一個二極管。
5.如權(quán)利要求4所述的H橋光伏逆變器，其特征是:所述H橋光伏逆變器的直流側(cè)電容為兩個，且中點處引出支路分別通過二極管連接兩個新增電路；且該二極管的連接方向與新增電路中和開關(guān)管串聯(lián)的二極管的連接方向相反。
6.一種基于如權(quán)利要求1-5中任一項所述的H橋光伏逆變器的開關(guān)調(diào)制方法,其特征是:包括以下: (1)在電網(wǎng)電壓的正半周期內(nèi)，當檢測到逆變器輸出電壓和電流極性相同時，H橋右側(cè)的開關(guān)管高頻動作，新增電路中位于另一側(cè)的開關(guān)管導通； (2)而當檢測到電壓和電流極性相反時，新增電路中該開關(guān)管保持導通狀態(tài)，新增電路的另一個開關(guān)管和同側(cè)H橋開關(guān)管互補聞頻動作； (3)在電網(wǎng)電壓的負半周期內(nèi)，當逆變器輸出電壓和電流極性相同時，H橋左側(cè)的開關(guān)管高頻動作，新增電路中位于右側(cè)的開關(guān)管導通，當逆變器輸出電壓和電流極性相反時，新增電路中位于右側(cè)的開關(guān)管保持導通狀態(tài)，新增電路中位于左側(cè)的開關(guān)管和同側(cè)H橋支路的開關(guān)管互補高頻動作。
【文檔編號】H02J3/38GK104467506SQ201410766072
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】高峰, 周立為 申請人:山東大學