單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，引入耦合電感無源網(wǎng)絡將逆變器的主電路與電源耦合，利用一級變換，實現(xiàn)升壓功能，同時加入第四二極管，斷開了有效矢量和傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)的光伏電池端和電網(wǎng)側的電氣連接，因此阻斷了該狀態(tài)下的共模電壓產(chǎn)生電流回路；本發(fā)明還公開了一種單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，采用相鄰有效矢量合成脈寬調(diào)制+直通的控制，不采用傳統(tǒng)零矢量，消除了傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)向其它狀態(tài)轉換時的共模電壓，并減小了有效矢量時的共模電壓幅值。
【專利說明】單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電力領域，具體涉及一種單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術】
[0002]應用于新能源發(fā)電場合的變換器通常使用隔離變壓器，包括網(wǎng)側的工頻變壓器或變換器前級的高頻變壓器，起到匹配輸入、輸出電壓和隔離光伏模塊與電網(wǎng)的作用。但工頻變壓器增加了系統(tǒng)的體積、重量和成本，降低了變換效率；而高頻變壓器與前者相比雖然大大降低了體積、重量和成本，但增加了功率變換的復雜程度。
[0003]非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不含有隔離變壓器，具有體積、重量和成本相對較低和變換效率高的優(yōu)勢，但會產(chǎn)生新的問題。從各種關于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的標準中可知大部分的光伏電池板必須接地(IEEE Standard929 )，只有個別情況除外(DINVDE0126-l-lAutomatic Disconnection Device between a Generator and the PublicLow-voltage Grid),那么必須考慮光伏電池板對地的分布電容,該容值與大氣條件和光伏電池板的面積、結構有關，約為50?150nF/kW。當去除隔離變壓器后，光伏電池板和電網(wǎng)有電氣連接，分布電容與光伏電池板、交流側濾波器和電網(wǎng)阻抗等形成諧振回路，橋臂功率管開關產(chǎn)生的高頻電壓會在該分布電容上產(chǎn)生容性的漏電流。系統(tǒng)經(jīng)過效率優(yōu)化后，諧振回路的阻尼很小，漏電流幅值大幅增加，帶來安全隱患。且由于分布電容容值隨環(huán)境條件變化，該諧振頻率也不固定。根據(jù)變換器拓撲和開關調(diào)制策略的不同，漏電流會產(chǎn)生不同大小的電磁干擾、并網(wǎng)電流諧波和系統(tǒng)的損耗。德國標準VDE0126-1-1對漏電流做出了限制:當漏電流大于300mA超過0.3s時，必須斷開電路連接。
[0004]在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的輸出電壓變化范圍大，而用電負載或并網(wǎng)均要求分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出相對穩(wěn)定的電壓。因此，系統(tǒng)中的變換電路多采用帶DC/DC升壓變換器的電壓型光伏并網(wǎng)逆變器，如附圖1所示。其中，電壓型逆變器將直流電能逆變并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，DC/DC升壓變換器將光伏電池輸出波動較大的電壓進行穩(wěn)壓滿足并網(wǎng)逆變器的交直流電壓變比關系。在電壓型逆變器前插入一級DC/DC升壓變換器的方案，增加了系統(tǒng)的成本，降低了變換效率和可靠性，并且電壓型逆變器本身的不足并沒有克服。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是:提供一種單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，引入的耦合電感無源網(wǎng)絡將逆變器的主電路與電源耦合，利用一級變換，實現(xiàn)升壓功能，同時加入第四二極管，斷開了有效矢量和傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)的光伏電池端和電網(wǎng)側的電氣連接，因此阻斷了該狀態(tài)下的共模電壓產(chǎn)生電流回路。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
[0007]單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括依次連接的儲能單元、升壓單元、緩沖吸收單元、逆變橋單元，所述逆變橋單元包括a、b、c三相橋臂,每相橋臂均包括兩個開關管，所述儲能單元包括第四電感、第三電容；所述升壓單元包括第一電容，第一二極管、第四二極管、耦合電感，其中耦合電感包括第一電感、第二電感；所述緩沖吸收單元包括第二二極管、第三二極管、第二電容、第三電感；所述第一至第四電感、第一電容、第二電容均包括第一端、第二端，所述第三電容為極性電容，所述第一電感的第一端與第二電感的第一端互為同名端，所述第一電感的第二端與第二電感的第二端互為同名端；所述第四電感的第一端與光伏電源的正極連接，所述第四電感的第二端分別與第三電容的正極、第一電感的第一端連接，所述第三電容的負極分別與光伏電源的負極、第四二極管的陰極連接；所述第一電感的第二端與第一二級管的陽極連接，所述第一二極管的陰極分別與第二電感的第二端、第二電容的第一端、逆變橋單元輸入端的正極連接；所述第二電感的第一端分別與第二二極管的陰極、第一電容的第一端連接；所述第二電容的第二端分別與第二二極管的陽極、第三電感的第一端連接；所述第三電感的第二端與第三二極管的陰極連接，所述第三二極管的陽極分別與第一電容的第二端、第四二極管的陽極、逆變橋單元輸入端的負極連接。
[0008]為了進一步減小共模電壓幅值，本發(fā)明還提供了一種單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，具體采用的技術方案如下:
[0009]單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟:
[0010]步驟1、通過三相正弦波信號計算零序電壓信號，然后將該零序電壓信號分別加入三相正弦波信號獲取三相調(diào)制信號，所述三相調(diào)制信號分別為a、b、c三相調(diào)制信號；
[0011]步驟2、將電壓矢量空間劃分為相等的6個扇區(qū)，分別為第一至第六扇區(qū)，第一扇區(qū)的相位為-30°?30°，將a、b、c三相調(diào)制信號與兩個相位相反的載波信號在每個扇區(qū)內(nèi)進行交截，生成與a、b、c三相橋臂相對應的控制信號，所述a、b、c三相橋臂的六個開關管依次對應在一個扇區(qū)內(nèi)常通，每相橋臂上的兩個開關管的開關狀態(tài)相反。
[0012]還包括如下步驟:
[0013]步驟3、依次在每個扇區(qū)內(nèi)插入直通脈沖信號，所述直通脈沖信號與常通開關信號分別在不同的扇區(qū)內(nèi)，相鄰兩個直通脈沖信號之間相差60°。
[0014]所述步驟3為:依次在每個扇區(qū)內(nèi)插入直通脈沖信號，當三相調(diào)制信號中的一相與反向載波信號交截時，在該相所在扇區(qū)內(nèi)插入直通脈沖信號，相鄰兩個直通脈沖信號之間相差60°。
[0015]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0016]1、引入的耦合電感無源網(wǎng)絡將逆變器的主電路與電源耦合，利用一級變換，實現(xiàn)升壓功能，同時為了不改變無源升壓網(wǎng)絡的特性，加入第四二極管D4后，斷開了有效矢量和傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)的光伏電池端和電網(wǎng)側的電氣連接，因此阻斷了該狀態(tài)下的共模電壓產(chǎn)生電流回路。
[0017]2、采用相鄰有效矢量合成脈寬調(diào)制+直通的控制，不采用傳統(tǒng)零矢量，消除了傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)向其它狀態(tài)轉換時的共模電壓，并減小了有效矢量時的共模電壓幅值。
[0018]3、本發(fā)明的三相耦合電感單級升壓逆變器及其控制方法構成了三相耦合電感單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
[0019]4、克服了上述傳統(tǒng)電壓型逆變器的不足，利用“直通零矢量”狀態(tài)，調(diào)節(jié)其作用時間，同時通過設計耦合電感的匝比，實現(xiàn)逆變器輸入側直流母線電壓的可控提升，從而逆變輸出期望的交流電壓。所謂“直通零矢量”，就是將逆變橋的上下功率管直通，控制其作用時間，使電感電流增長。當處于非直通零矢量時，電感將原先儲存的能量釋放使得直流母線電壓提升。因“直通零矢量”在傳統(tǒng)零矢量中插入，仍屬于零矢量，對逆變器PWM輸出沒有影響。該升壓逆變器具有更高的升壓能力，能夠充分利用電容的電壓等級。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為現(xiàn)有技術中前級帶有DC/DC升壓變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
[0021]圖2為現(xiàn)有技術中的單級可升壓逆變器的結構圖。
[0022]圖3為本發(fā)明三相耦合電感單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結構圖。
[0023]圖4為相鄰有效矢量合成脈寬調(diào)制的空間電壓矢量及扇區(qū)定義。
[0024]圖5為加入直通零矢量的相鄰有效矢量合成脈寬調(diào)制方法的信號框圖。
[0025]圖6為相鄰有效矢量合成脈寬調(diào)制+直通控制的耦合電感單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在B5扇區(qū)內(nèi)的開關序列和共模電壓。
[0026]圖7為三次諧波注入PWM (SVPWM) +直通控制的耦合電感單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在第一扇區(qū)內(nèi)的開關序列和共模電壓。
[0027]圖8為在正弦調(diào)制波中注入零序信號構成的新的調(diào)制波信號。
【具體實施方式】
[0028]如圖3所示，本發(fā)明的單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括依次連接的儲能單元、升壓單元、緩沖吸收單元、逆變橋單元，所述逆變橋單元包括a、b、c三相橋臂，其特征在于:所述儲能單元包括第四電感L4、第三電容C3 ;所述升壓單元包括第一電容Cl，第一二極管D1、第四二極管D4、耦合電感，其中耦合電感包括第一電感L1、第二電感L2;所述緩沖吸收單元包括第二二極管D2、第三二極管D3、第二電容C3、第三電感L3;所述第一至第四電感、第一電容Cl、第二電容C2均包括第一端、第二端,所述第三電容C3為極性電容，所述第一電感LI的第一端與第二電感L2的第一端互為同名端，所述第一電感LI的第二端與第二電感L2的第二端互為同名端；所述第四電感L4的第一端與光伏電源的正極連接，所述第四電感L4的第二端分別與第三電容C3的正極、第一電感LI的第一端連接，所述第三電容C3的負極分別與光伏電源的負極、第四二極管D4的陰極連接；所述第一電感LI的第二端與第一二級管Dl的陽極連接，所述第一二極管Dl的陰極分別與第二電感L2的第二端、第二電容C2的第一端、逆變橋單元輸入端的正極連接；所述第二電感L2的第一端分別與第二二極管D2的陰極、第一電容Cl的第一端連接；所述第二電容C2的第二端分別與第二二極管D2的陽極、第三電感L3的第一端連接；所述第三電感L3的第二端與第三二極管D3的陰極連接，所述第三二極管D3的陽極分別與第一電容Cl的第二端、第四二極管D4的陽極、逆變橋單元輸入端的負極連接。
[0029]第一二極管Dl的作用是防止輸出給負載的能量回饋；第四二極管D4對于非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的作用是斷開有效矢量和傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)的光伏電池端和電網(wǎng)側的電氣連接。
[0030]根據(jù)所述單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所需要的電壓增益設置第二電感與第一電感的匝比。
[0031 ] 為了進一步減小傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)向其它狀態(tài)轉換時的共模電壓及有效矢量時的共模電壓幅值，本發(fā)明所述的插入直通零矢量的無傳統(tǒng)零矢量的調(diào)制方法一相鄰有效矢量合成脈寬調(diào)制，基于上述的耦合電感單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)；并通過適當插入直通零矢量，達到升壓的目的。
[0032]相鄰有效矢量合成脈寬調(diào)制不采用傳統(tǒng)零電壓矢量，采用三個相鄰的有效電壓矢量合成綜合電壓矢量，每隔60°采用的有效電壓矢量變化一次，其空間電壓矢量及扇區(qū)定義如附圖4所示。與SVPWM相比，扇區(qū)順時針旋轉了 30°。
[0033]圖4為采用的調(diào)制方式一相鄰有效矢量合成脈寬調(diào)制的空間電壓矢量及扇區(qū)定義。該調(diào)制方法將空間分為六個扇區(qū)，分別為第一扇區(qū)BI至第六扇區(qū)B6，其中第一扇區(qū)與第四扇區(qū)呈中心對稱、第二扇區(qū)與第五扇區(qū)呈中心對稱、第三扇區(qū)與第六扇區(qū)呈中心對稱,控制a、b、c三相橋臂與三組中心對稱扇區(qū)對應，同一橋臂上的兩個開關管在相互呈中心對稱的兩個扇區(qū)內(nèi)依次導通，采用三個相鄰的有效電壓矢量合成綜合電壓矢量，不采用零電壓矢量，每隔60°采用的有效電壓矢量變化一次。電壓矢量U1-1、Ui和Ui+1作用于Bi扇區(qū)，其中i為I~6的整數(shù)。輸出相電壓幅值所處的線性區(qū)間為
mie[;r/3在;r/2#p[0.6l,0.907]，其中叫為調(diào)制比，在這個區(qū)間內(nèi)，三個相鄰的有效電壓矢
量可以以不同的序列合成綜合電壓矢量。而且調(diào)制比Hii保持在高調(diào)制比區(qū)，避免了輸出相電壓諧波的增大。為了實現(xiàn)最小開關次數(shù)，在扇區(qū)Bi內(nèi)，合理的電壓矢量為Ui+1~Ui~U1-1~Ui~Ui+1。例如在扇區(qū)BI,開關序列為110~100~101~100~110。采用單相直通的方法，即每個扇區(qū)只有一相直通，以減小開關次數(shù)。插入直通零矢量后，有效矢量的占空比將減少，但不改變合成的綜合電壓矢量角度。
[0034]附圖5為加入直通零矢量的相鄰有效矢量合成脈寬調(diào)制方法的信號框圖，相鄰有效矢量合成脈寬調(diào)制采用載波比較的方式實現(xiàn)。在正弦調(diào)制波中注入零序
f苜號:mO = /2) (Sgn (Mm )) - Mm，(為二相正弦調(diào)制波的幅值。例如當M: S M:時，
u,={Uh!2)-u:，此時c相調(diào)制波與三角波無交截。載波信號采用兩個相位相反的三角波(Utri和-Utri)，與調(diào)制波的比較需根據(jù)扇區(qū)判斷，如表1所示，
[0035]表1采用相鄰有效矢量合成脈寬調(diào)制，根據(jù)扇區(qū)判斷的載波信號
【權利要求】
1.單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括依次連接的儲能單元、升壓單元、緩沖吸收單元、逆變橋單元，所述逆變橋單元包括a、b、c三相橋臂，每相橋臂均包括兩個開關管，其特征在于:所述儲能單元包括第四電感、第三電容；所述升壓單元包括第一電容，第一二極管、第四二極管、耦合電感，其中耦合電感包括第一電感、第二電感；所述緩沖吸收單元包括第二二極管、第三二極管、第二電容、第三電感；所述第一至第四電感、第一電容、第二電容均包括第一端、第二端，所述第三電容為極性電容，所述第一電感的第一端與第二電感的第一端互為同名端，所述第一電感的第二端與第二電感的第二端互為同名端；所述第四電感的第一端與光伏電源的正極連接，所述第四電感的第二端分別與第三電容的正極、第一電感的第一端連接，所述第三電容的負極分別與光伏電源的負極、第四二極管的陰極連接；所述第一電感的第二端與第一二級管的陽極連接，所述第一二極管的陰極分別與第二電感的第二端、第二電容的第一端、逆變橋單元輸入端的正極連接；所述第二電感的第一端分別與第二二極管的陰極、第一電容的第一端連接；所述第二電容的第二端分別與第二二極管的陽極、第三電感的第一端連接；所述第三電感的第二端與第三二極管的陰極連接，所述第三二極管的陽極分別與第一電容的第二端、第四二極管的陽極、逆變橋單元輸入端的負極連接。
2.基于權利要求1所述的單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1、通過三相正弦波信號計算零序電壓信號，然后將該零序電壓信號分別加入三相正弦波信號獲取三相調(diào)制信號，所述三相調(diào)制信號分別為a、b、c三相調(diào)制信號； 步驟2、將電壓矢量空間劃分為相等的6個扇區(qū)，分別為第一至第六扇區(qū)，第一扇區(qū)的相位為-30°?30°，將a、b、c三相調(diào)制信號與兩個相位相反的載波信號在每個扇區(qū)內(nèi)進行交截，生成與a、b、c三相橋臂相對應的控制信號,所述a、b、c三相橋臂的六個開關管依次對應在一個扇區(qū)內(nèi)常通，每相橋臂上的兩個開關管的開關狀態(tài)相反。
3.根據(jù)權利要求2所述的單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:還包括如下步驟: 步驟3、依次在每個扇區(qū)內(nèi)插入直通脈沖信號，所述直通脈沖信號與常通開關信號分別在不同的扇區(qū)內(nèi)，相鄰兩個直通脈沖信號之間相差60°。
4.根據(jù)權利要求3所述的單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:所述步驟3為:依次在每個扇區(qū)內(nèi)插入直通脈沖信號，當三相調(diào)制信號中的一相與反向載波信號交截時，在該相所在扇區(qū)內(nèi)插入直通脈沖信號，相鄰兩個直通脈沖信號之間相差60°。
【文檔編號】H02J3/38GK103779874SQ201410020413
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月16日 優(yōu)先權日:2014年1月16日
【發(fā)明者】周玉斐, 黃文新, 趙萍 申請人:南京航空航天大學