本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種有源鉗位的無變壓器型低漏電流光伏并網(wǎng)逆變電路及其調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)成本的不斷降低，分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。然而，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)前期投入高、成本回收周期長，因此如何進(jìn)一步降低系統(tǒng)發(fā)電成本、提高系統(tǒng)的發(fā)電效率和系統(tǒng)可靠性成為關(guān)注的熱點(diǎn)。

作為電能轉(zhuǎn)換的重要接口，光伏并網(wǎng)逆變器方案的選擇直接關(guān)系著系統(tǒng)的效率、可靠性以及成本。在1～5k W的小型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，為了追求高效的電能轉(zhuǎn)換效率以及降低系統(tǒng)成本，系統(tǒng)通常采用不帶工頻變壓器隔離的單相光伏并網(wǎng)逆變器。然而，在單相無變壓器型光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，光伏陣列與大地之間存在較大的對地寄生電容。如果對地寄生電容上存在高頻電壓脈動(dòng)，則會(huì)產(chǎn)生較大的對地漏電流。該對地漏電流不僅會(huì)引起嚴(yán)重的電磁干擾問題，同時(shí)會(huì)降低并網(wǎng)電流品質(zhì)，并且給光伏電池維護(hù)人員的人身安全帶來隱患。

為了抑制無變壓器型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的高頻共模漏電流，傳統(tǒng)的無變壓器型逆變電路通常在并網(wǎng)電感續(xù)流階段切斷交流側(cè)與直流側(cè)的電氣連接，減少共模電壓的高頻脈動(dòng)。但是，由于系統(tǒng)的共模電壓在并網(wǎng)電感續(xù)流階段處于懸浮狀態(tài)，受到共模回路的電路寄生參數(shù)和電網(wǎng)電壓過零畸變的影響，不可避免地引起高頻共模漏電流，也就是抑制漏電流不徹底，沒有從根本上解決問題，仍會(huì)造成上述隱患。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文從漏電流抑制原理出發(fā)，提出了一種新型的無變壓器型單相光伏并網(wǎng)逆變電路，該電路通過在電路中附加有源開關(guān)管，構(gòu)成了鉗位單元，配合恰當(dāng)?shù)拈_關(guān)時(shí)序，將并網(wǎng)電感續(xù)流階段的共模電壓鉗位至母線電容的中點(diǎn)，消除系統(tǒng)共模電壓擾動(dòng)，進(jìn)而解決了解耦型逆變器共模電壓在零電平輸出時(shí)的懸浮問題；同時(shí)消除了共?；芈返募纳袷帲种屏斯材ＶC振現(xiàn)象。文中詳細(xì)分析了電路的幾種工作模態(tài)，給出了一種適用于該電路的PWM調(diào)制方法。

本發(fā)明電路采用的技術(shù)方案為：一種有源鉗位的無變壓器型低漏電流光伏并網(wǎng)逆變電路，包括：兩個(gè)濾波電容Cdc1、Cdc2，八個(gè)開關(guān)管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8和兩個(gè)濾波電感L1、L2；

所述第一濾波電容Cdcl和第二濾波電容Cdc2串聯(lián)，再與電源并聯(lián)，

直流源的正極與第一濾波電容Cdcl正極及第五開關(guān)管S5的集電極相連，

直流源的負(fù)極與第二濾波電容Cdc2負(fù)極及第六開關(guān)管S6的發(fā)射極相連，

第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4構(gòu)成常規(guī)的H型逆變橋連接方式，

第五開關(guān)管S5的發(fā)射極與第六開關(guān)管S6的集電極分別與第一開關(guān)管S1的集電極和第二開關(guān)管S2的發(fā)射極相連，

第七開關(guān)管S7的集電極和發(fā)射極分別與第一開關(guān)管S1的集電極和第二開關(guān)管S2的發(fā)射極相連，即與H逆變橋并聯(lián)，

第八開關(guān)管S8的發(fā)射極與兩個(gè)串聯(lián)濾波電容的中點(diǎn)相連，集電極與第五開關(guān)管S5的發(fā)射極和第七開關(guān)管S7的集電極相連，

第一濾波電感L1的一端與第一開關(guān)管S1的發(fā)射極相連，另一端與電網(wǎng)的火線L相連，

第二濾波電感L2的一端與第四開關(guān)管S4的集電極相連，另一端與電網(wǎng)的中線N相連。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述開關(guān)管為絕緣柵雙極型功率管IGBT，或?yàn)榻饘?氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管MOSFET。

本發(fā)明的調(diào)制方法的技術(shù)方案為：

在電網(wǎng)電壓的正半周期，第一開關(guān)管S1、第四開關(guān)管S4、第五開關(guān)管S5、第六開關(guān)管S6由高頻調(diào)制信號(hào)觸發(fā)控制，同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，第七開關(guān)管S7則由與其互補(bǔ)的高頻調(diào)制信號(hào)觸發(fā)控制，第八開關(guān)管S8與第七開關(guān)管S7開關(guān)信號(hào)相同，其余開關(guān)管關(guān)斷；逆變器處于功率輸出階段時(shí)，第一開關(guān)管S1、第四開關(guān)管S4、第五開關(guān)管S5和第六開關(guān)管S6導(dǎo)通，第七開關(guān)管S7關(guān)斷，此時(shí)根據(jù)公式共模電壓Ucm＝(UAN+UBN)/2＝(Udc+0)/2(式中，Ucm——共模電壓，UAN——A點(diǎn)與N點(diǎn)之間的電壓，UBN——B點(diǎn)與N點(diǎn)之間的電壓)不變；逆變器處于零電壓續(xù)流階段時(shí)，第一開關(guān)管S1、第四開關(guān)管S4、第五開關(guān)管S5和第六開關(guān)管S6關(guān)斷，第七開關(guān)管S7、第八開關(guān)管S8導(dǎo)通，此時(shí)共模電壓被鉗位開關(guān)穩(wěn)定鉗在兩個(gè)濾波電容的中點(diǎn)電壓處，即保持Ucm＝Udc/2不變；

在電網(wǎng)電壓的負(fù)半周期，第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第五開關(guān)管S5、第六開關(guān)管S6由高頻調(diào)制信號(hào)觸發(fā)控制，同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，第七開關(guān)管S7則由與其互補(bǔ)的高頻調(diào)制信號(hào)觸發(fā)控制，第八開關(guān)管S8與第七開關(guān)管S7開關(guān)信號(hào)相同，其余開關(guān)管關(guān)斷；逆變器處于功率輸出階段時(shí)，第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第五開關(guān)管S5、第六開關(guān)管S6導(dǎo)通，第七開關(guān)管S7關(guān)斷，此時(shí)根據(jù)公式共模電壓Ucm＝(UAN+UBN)/2＝(0+Udc)/2不變；逆變器處于零電壓續(xù)流階段時(shí)，第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第五開關(guān)管S5和第六開關(guān)管S6關(guān)斷，第七開關(guān)管S7、第八開關(guān)管S8導(dǎo)通，此時(shí)共模電壓被鉗位開關(guān)穩(wěn)定鉗在兩個(gè)濾波電容的中點(diǎn)電壓處，即保持Ucm＝Udc/2不變。

本發(fā)明的有益效果為：

與傳統(tǒng)無變壓器型光伏并網(wǎng)逆變電路相比，本電路具有更好的對地漏電流抑制能力。目前主流的單相無變壓器型逆變電路普遍采用直流或交流解耦技術(shù)，阻斷共模電流的流通路徑。然而，在零電平輸出階段，上述電路的橋臂中點(diǎn)電壓都處于懸浮的不確定狀態(tài)，共模電壓不能維持恒定，主要受到兩方面的影響。一、電網(wǎng)電壓過零換相時(shí)存在短暫的電網(wǎng)側(cè)向電源側(cè)能量反饋階段，此時(shí)，兩個(gè)濾波電感上的電壓發(fā)生突變，電感電壓的突變引起共模電壓發(fā)生突變。二、功率開關(guān)器件存在并聯(lián)寄生電容，導(dǎo)致解耦開關(guān)不能徹底切斷共模通路，此寄生電容與共模阻抗形成等效諧振回路，在開關(guān)狀態(tài)切換的持續(xù)激勵(lì)下，仍有可能產(chǎn)生不可忽視的高頻對地漏電流。針對這一問題，引入有源鉗位開關(guān)，使得共模電壓被母線電容中點(diǎn)鉗位，共模電壓維持于Udc/2不變，從根本上消除了對地漏電流。本發(fā)明具有電路結(jié)構(gòu)簡單、效率高、調(diào)制方法簡單等優(yōu)點(diǎn)。能夠保證逆變器在單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)不受電流過零點(diǎn)畸變的影響，能夠避免因電網(wǎng)功率波動(dòng)影響或工作于非單位功率因數(shù)而導(dǎo)致的電流波形畸變。提高逆變器安全系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對輸出電能質(zhì)量的改善。適用于對漏電流大小限制較嚴(yán)格的無變壓器型光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)。

附圖說明

圖1有源鉗位的無變壓器型低漏電流光伏并網(wǎng)逆變電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2逆變電路開關(guān)調(diào)制方法示意圖；

圖3逆變電路處于電網(wǎng)電壓正半周時(shí)功率傳輸階段的模態(tài)一示意圖；

圖4逆變電路處于電網(wǎng)電壓正半周時(shí)續(xù)流階段的模態(tài)二示意圖；

圖5逆變電路處于電網(wǎng)電壓正半周時(shí)能量反饋階段的模態(tài)三示意圖；

圖6逆變電路處于電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)功率傳輸階段的模態(tài)四示意圖；

圖7逆變電路處于電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)續(xù)流階段的模態(tài)五示意圖；

圖8逆變電路處于電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)能量反饋階段的模態(tài)六示意圖；

圖9逆變電路流入電網(wǎng)電流和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)漏電流的仿真波形圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供的有源鉗位的無變壓器型低漏電流光伏并網(wǎng)逆變電路結(jié)構(gòu)示意圖，包括：兩個(gè)濾波電容Cdc1、Cdc2，八個(gè)開關(guān)管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8和兩個(gè)濾波電感L1、L2。

所述第一濾波電容Cdc1和第二濾波電容Cdc2串聯(lián)，再與電源并聯(lián)，

直流源的正極與第一濾波電容Cdc1正極及第五開關(guān)管S5的集電極相連，

直流源的負(fù)極與第二濾波電容Cdc2負(fù)極及第六開關(guān)管S6的發(fā)射極相連，

第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4構(gòu)成常規(guī)的H型逆變橋連接方式，

第五開關(guān)管S5的發(fā)射極與第六開關(guān)管S6的集電極分別與第一開關(guān)管S1的集電極和第二開關(guān)管S2的發(fā)射極相連，

第七開關(guān)管S7的集電極和發(fā)射極分別與第一開關(guān)管S1的集電極和第二開關(guān)管S2的發(fā)射極相連，即與H逆變橋并聯(lián)，

第八開關(guān)管S8的發(fā)射極與兩個(gè)串聯(lián)濾波電容的中點(diǎn)相連，集電極與第五開關(guān)管S5的發(fā)射極和第七開關(guān)管S7的集電極相連，

第一濾波電感L1的一端與第一開關(guān)管S1的發(fā)射極相連，另一端與電網(wǎng)的火線L相連，

第二濾波電感L2的一端與第四開關(guān)管S4的集電極相連，另一端與電網(wǎng)的中線N相連。

本發(fā)明逆變電路的高頻開關(guān)頻率可綜合考慮系統(tǒng)容量、開關(guān)管參數(shù)和散熱等因素合理選取，本實(shí)施例選用的高頻開關(guān)頻率為16kHz，其調(diào)制方法如附圖2所示。

圖3-圖8中分別給出了本發(fā)明所述逆變電路的六種工作狀態(tài)。

圖3和圖4分別為有源鉗位的無變壓器型低漏電流光伏并網(wǎng)逆變電路在電網(wǎng)電壓正半周期的工作原理示意圖，第一開關(guān)管S1、第四開關(guān)管S4、第五開關(guān)管S5、第六開關(guān)管S6由高頻調(diào)制信號(hào)觸發(fā)控制，同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，第七開關(guān)管S7和第八開關(guān)管S8則由與其互補(bǔ)的高頻調(diào)制信號(hào)觸發(fā)控制。

電網(wǎng)電壓正半周時(shí)的功率傳輸階段，如圖3所示，此階段：第一開關(guān)管S1、第四開關(guān)管S4、第五開關(guān)管S5、第六開關(guān)管S6同時(shí)導(dǎo)通，第七開關(guān)管S7和第八開關(guān)管S8關(guān)斷，電流流經(jīng)直流側(cè)正極，第五開關(guān)管S5、第一開關(guān)管S1、第一濾波電感L1、交流側(cè)電網(wǎng)、第二濾波電感L2、第四開關(guān)管S4、第六開關(guān)管S6、直流側(cè)負(fù)極，直流側(cè)輸出電流至交流側(cè)，所述電路的共模電壓為Udc/2。

電網(wǎng)電壓正半周時(shí)的續(xù)流階段，如圖4所示，此階段：第一開關(guān)管S1、第四開關(guān)管S4、第五開關(guān)管S5、第六開關(guān)管S6同時(shí)關(guān)斷，第七開關(guān)管S7和第八開關(guān)管S8導(dǎo)通，電流流經(jīng)第七開關(guān)管S7、第二開關(guān)管S2的反并聯(lián)二極管、第一濾波電感L1、交流側(cè)電網(wǎng)、第二濾波電感L2、第三開關(guān)管S3的反并聯(lián)二極管，導(dǎo)通的鉗位開關(guān)管S8可將共模電壓鉗位在兩個(gè)濾波電容的中點(diǎn)電壓Udc/2處。

電網(wǎng)電壓由正半周向負(fù)半周轉(zhuǎn)換，電網(wǎng)電壓尚未為零時(shí)，驅(qū)動(dòng)已換相，即存在無法避免的過零畸變，此時(shí)能量由電網(wǎng)側(cè)向電源側(cè)反饋，如圖5所示，電流流經(jīng)直流側(cè)負(fù)極，第六開關(guān)管S6的續(xù)流二極管、第二開關(guān)管S2的續(xù)流二極管、第一濾波電感L1、交流側(cè)電網(wǎng)、第二濾波電感L2、第三開關(guān)管S3的續(xù)流二極管、第五開關(guān)管S5的續(xù)流二極管、直流側(cè)正極。此能量續(xù)流階段，第一濾波電感L1和第二濾波電感L2上會(huì)突然各自承受很大的負(fù)電壓，值為(-Udc-ug)/2，并且，由于當(dāng)前電網(wǎng)電流值正在減小，兩個(gè)濾波電感正感應(yīng)出與電流方向相反的電動(dòng)勢，這兩個(gè)電壓方向相同，因此，電感電流在正向電壓作用下線性上升，異向改變了電感原方向本應(yīng)減小的感應(yīng)電動(dòng)勢，導(dǎo)致A點(diǎn)和N點(diǎn)電位上升。當(dāng)模態(tài)三切換至模態(tài)二時(shí)，受模態(tài)三的影響，共模電壓增大，不能恒定為Udc/2，增加了鉗位開光管S8后，可將共模電壓鉗位在兩個(gè)濾波電容的中點(diǎn)電壓Udc/2處。

圖6和圖7分別為有源鉗位的無變壓器型低漏電流光伏并網(wǎng)逆變電路在電網(wǎng)電壓負(fù)半周期的工作原理示意圖，第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第五開關(guān)管S5、第六開關(guān)管S6由高頻調(diào)制信號(hào)觸發(fā)控制，同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，第七開關(guān)管S7和第八開關(guān)管S8則由與其互補(bǔ)的高頻調(diào)制信號(hào)觸發(fā)控制。

電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)的功率傳輸階段，如圖6所示，此階段：第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第五開關(guān)管S5、第六開關(guān)管S6同時(shí)導(dǎo)通，第七開關(guān)管S7和第八開關(guān)管S8關(guān)斷，電流流經(jīng)直流側(cè)正極，第五開關(guān)管S5、第三開關(guān)管S3、第二濾波電感L2、交流側(cè)電網(wǎng)、第一濾波電感L1、第二開關(guān)管S2、第六開關(guān)管S6、直流側(cè)負(fù)極，直流側(cè)輸出電流至交流側(cè)，所述電路的共模電壓為Udc/2。

電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)的續(xù)流階段，如圖7所示，此階段：第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第五開關(guān)管S5、第六開關(guān)管S6同時(shí)關(guān)斷，第七開關(guān)管S7和第八開關(guān)管S8導(dǎo)通，電流流經(jīng)第七開關(guān)管S7、第四開關(guān)管S4的反并聯(lián)二極管、第二濾波電感L2、交流側(cè)電網(wǎng)、第一濾波電感L1、第一開關(guān)管S1的反并聯(lián)二極管，導(dǎo)通的鉗位開關(guān)管S8可將共模電壓鉗位在兩個(gè)濾波電容的中點(diǎn)電壓Udc/2處。

電網(wǎng)電壓由負(fù)半周向正半周轉(zhuǎn)換，電網(wǎng)電壓尚未為零時(shí)，驅(qū)動(dòng)已換相，即存在無法避免的過零畸變，此時(shí)能量由電網(wǎng)側(cè)向電源側(cè)反饋，如圖8所示，電流流經(jīng)直流側(cè)負(fù)極，第六開關(guān)管S6的續(xù)流二極管、第四開關(guān)管S4的續(xù)流二極管、第二濾波電感L2、交流側(cè)電網(wǎng)、第一濾波電感L1、第一開關(guān)管S1的續(xù)流二極管、第五開關(guān)管S5的續(xù)流二極管、直流側(cè)正極。此能量續(xù)流階段，第一濾波電感L1和第二濾波電感L2上會(huì)突然各自承受很大的正電壓，值為(Udc-ug)/2，并且，由于當(dāng)前電網(wǎng)電流值正在增大，兩個(gè)濾波電感正感應(yīng)出與電流方向相同的電動(dòng)勢，這兩個(gè)電壓方向相反，因此，電感電流在負(fù)向電壓作用下線性下降，異向改變了電感原方向本應(yīng)增大的感應(yīng)電動(dòng)勢，導(dǎo)致B點(diǎn)和N點(diǎn)電位下降。當(dāng)模態(tài)六切換至模態(tài)五時(shí)，受模態(tài)六的影響，共模電壓減小，不能恒定為Udc/2，增加了鉗位開光管S8后，可將共模電壓鉗位在兩個(gè)濾波電容的中點(diǎn)電壓Udc/2處。

根據(jù)上述具體實(shí)施方案，仿真出本發(fā)明逆變器電路流入電網(wǎng)的電流波形和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的漏電流波形，由圖7可見，進(jìn)網(wǎng)電流為規(guī)整的正弦波，漏電流的值恒定在橫坐標(biāo)0值，安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中，漏電流不得超出300mA，因此，符合安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

最后需要說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改和等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍。