一种基于电压电流极性检测的高效H桥光伏逆变器

摘要

本发明公开了一种基于电压电流极性检测的高效H桥光伏逆变器，结构为直流侧电容并联在光伏电池板两端，光伏电池板连接H桥逆变器，H桥逆变器的两个中点上分别串联一个新增电路，新增电路包括串联的二极管和开关管，每个开关管的发射极与集电极之间都连接有一个二极管，H桥逆变器与新增电路的连接点处分别伸出四条引线，四条引线不属于H桥逆变器同一支路且位置不一致的相连，分别通过一个交流侧滤波电感连接交流侧两端。该拓扑可在续流状态下将光伏板与电网隔离，在功率模式下电流仅流经两个开关管，导通损耗小，效率高，在整个电网周期内保持共模电压值为恒定，从而抑制共模漏电流的大小。

权利要求

1.一种基于电压电流极性检测的高效H桥光伏逆变器的开关调制方法，所述电压电流极性检测的高效H桥光伏逆变器，包括光伏电池板、直流侧电容、交流侧滤波电感、H桥逆变器、2个开关管和2个二极管，其中：直流侧电容并联在光伏电池板两端，光伏电池板连接H桥逆变器，H桥逆变器的两个中点上分别串联一个新增电路，所述新增电路，用于在零电压的续流模式下将光伏电池板与电网隔离，并且在零电压状态下为电流提供续流通路，保证在高频开关的动作过程中系统共模电压始终保持直流电压的一半不变，以抑制共模漏电流的大小；

H桥逆变器与新增电路的连接点处分别伸出四条引线，四条引线不属于H桥逆变器同一支路且位置不一致的相互连接，组成两条支路，两条支路分别通过一个交流侧滤波电感连接交流侧两端其特征是：包括以下步骤：(1)在电网电压的正半周期内，当检测到逆变器输出电压和电流极性相同时，H桥右侧的开关管高频动作，新增电路中位于另一侧的开关管导通；

(2)而当检测到电压和电流极性相反时，新增电路中该开关管保持导通状态，新增电路的另一个开关管和同侧H桥开关管互补高频动作；

(3)在电网电压的负半周期内，当逆变器输出电压和电流极性相同时，H桥左侧的开关管高频动作，新增电路中位于右侧的开关管导通，当逆变器输出电压和电流极性相反时，新增电路中位于右侧的开关管保持导通状态，新增电路中位于左侧的开关管和同侧H桥支路的开关管互补高频动作。

2.如权利要求1所述的开关调制方法，其特征是：所述新增电路结构相同，分别包括串联的二极管和开关管，开关管的集电极为正向输入端，每个开关管的集电极与发射极之间都反向连接有一个二极管，且开关管的发射极正向串联一个二极管。

3.如权利要求1所述的开关调制方法，其特征是：所述新增电路结构相同，分别包括串联的二极管和开关管，开关管的发射极为正向输入端，每个开关管的发射极与集电极之间都正向连接有一个二极管，且开关管的发射极反向串联一个二极管。

4.如权利要求1所述的开关调制方法，其特征是：所述新增电路结构不同，一路新增电路包括开关管，开关管的发射极为正向输入端，每个开关管的发射极与集电极之间都正向连接有一个二极管，且开关管的发射极反向串联一个二极管；另一路新增电路包括开关管，开关管的发射极为正向输入端，每个开关管的发射极与集电极之间都正向连接有一个二极管，开关管的集电极处反向串联一个二极管。

5.如权利要求4所述的开关调制方法，其特征是：所述H桥光伏逆变器的直流侧电容为两个，且中点处引出支路分别通过二极管连接两个新增电路；且该二极管的连接方向与新增电路中和开关管串联的二极管的连接方向相反。

说明书

一种基于电压电流极性检测的高效H桥光伏逆变器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于电压电流极性检测的高效H桥光伏逆变器。

背景技术

[0002] 近几年来，随着世界范围内化石燃料的不断消耗，能源紧张的问题日益严重，因此，可再生能源的研究受到世界各国越来越多的关注。太阳能光伏发电技术是可再生能源应用的一个重要领域，光伏逆变器是并网光伏发电系统的关键部分，它的主要作用是将光伏电池板发出来的直流电转换成与电网同步的交流电。在太阳能光伏并网系统中传统的光伏并网逆变器在输出端一般会安装工频变压器，以实现对电压的调整以及对电网的隔离，但是工频变压器体积大、成本高、损耗大，不利于逆变器整体效率的改善，因此对于无工频变压器的非隔离型光伏并网逆变器的研究成为热点。在非隔离型光伏并网逆变系统中，由于逆变器和电网之间没有电气隔离，在逆变器高频开关的作用下，会产生共模电流，共模电流流经系统的共模回路，在光伏板的对地寄生电容中会产生共模漏电流。

[0003] 传统单相H全桥逆变器中共模电压及共模电流的模型。如图1所示为传统非隔离型单相光伏并网系统的结构图。在图1中，H4电路的四个开关动作在高频状态下，在工频周期内会激发一个共模电压Ucm，由于光伏电池板对地存在一个杂散电容Cpv，因此共模电压在电路中会产生流经杂散电容、大地以及电路部分的共模漏电流Icm。共模电流的谐振回路在图1中用虚线和箭头表示。共模电压公式为：

[0004] Ucm-AB＝(UAO+UBO)/2

[0005] 共模电流的公式可以表示为：

[0006] Icm＝CpdUcm/dt

[0007] 非隔离型光伏逆变系统产生的共模漏电流严重时会对人身安全造成危害,尤其是在传统的单相全桥逆变器中，如果采用单极性开关调制策略，则会使共模电压产生较大的波动，进而带来严重的共模漏电流问题。

发明内容

[0008] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于电压电流极性检测的高效H桥光伏逆变器，该单相逆变器的电路结构包括六个开关管和两个二极管，保证系统的共模电压在开关动作的过程中保持恒定，从而使共模漏电流的大小得到抑制，同时在续流状态下电路的的拓扑结构可以将光伏模块和电网隔离，避免功率交换，从而提高了效率，同时提出一种基于电压电流极性检测的复合开关调制方式，可以消除逆变器的输出电流因为非单位功率因数运行或受电网波动影响而发生的畸变。

[0009] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0010] 一种基于电压电流极性检测的高效H桥光伏逆变器，包括光伏电池板、直流侧电容、交流侧滤波电感、H桥逆变器、2个开关管和2个二极管，其中：

[0011] 直流侧电容并联在光伏电池板两端，光伏电池板连接H桥逆变器，H桥逆变器的两个中点上分别串联一个新增电路，所述新增电路，用于在零电压的续流模式下将光伏电池板与电网隔离，并且在零电压状态下为电流提供续流通路，保证在高频开关的动作过程中系统共模电压始终保持直流电压的一半不变，以抑制共模漏电流的大小；

[0012] H桥逆变器与新增电路的连接点处分别伸出四条引线，四条引线不属于H桥逆变器同一支路且位置不一致的相互连接，组成两条支路，两条支路分别通过一个交流侧滤波电感连接交流侧两端。

[0013] 如图2所示，左桥臂从上至下依次为S1、S5、D1、S2，右桥臂从上至下依次为S3、S6、D2、S4，其中开关管均为上端为集电极，下端为发射极，二极管均为上端为正，下端为负。输出点A点与B点分别位于D1、S2和D2、S4之间。

[0014] 所述新增电路结构相同，分别包括串联的二极管和开关管，开关管的集电极为正向输入端，每个开关管的集电极与发射极之间都反向连接有一个二极管，且开关管的发射极正向串联一个二极管。

[0015] 如图7所示，左桥臂从上至下依次为S1、S5、D1、S2，右桥臂从上至下依次为S3、S6、D2、S4，其中开关管均为上端为集电极，下端为发射极，二极管均为上端为正，下端为负。输出点A点与B点分别位于S1、S5和S3、S6之间。

[0016] 所述新增电路结构相同，分别包括串联的二极管和开关管，开关管的发射极为正向输入端，每个开关管的发射极与集电极之间都正向连接有一个二极管，且开关管的发射极反向串联一个二极管。

[0017] 如图8所示，左桥臂从上至下依次为S1、D1、S5、S2，右桥臂从上至下依次为S3、D2、S6、S4，其中开关管S1、S2、S3、S4均为上端为集电极，下端为发射极，S5、S6均为下端为集电极，上端为发射极，二极管均为下端为正，上端为负。输出点A点与B点分别位于S5、S2和S6、S4之间。

[0018] 所述新增电路结构不同，一路新增电路包括开关管，开关管的发射极为正向输入端，每个开关管的发射极与集电极之间都正向连接有一个二极管，且开关管的发射极反向串联一个二极管；另一路新增电路包括开关管，开关管的发射极为正向输入端，每个开关管的发射极与集电极之间都正向连接有一个二极管，开关管的集电极处反向串联一个二极管。

[0019] 如图10所示，所述直流侧电容为两个，且中点处引出支路分别通过二极管连接两个新增电路；且该二极管的连接方向与新增电路中和开关管串联的二极管的连接方向相反。

[0020] 一种基于所述H桥光伏逆变器输出电压电流极性检测的开关调制方法，包括以下：

[0021] (1)在电网电压的正半周期内，当检测到逆变器输出电压和电流极性相同时，H桥右侧的开关管高频动作，新增电路中位于另一侧的开关管导通；

[0022] (2)而当检测到电压和电流极性相反时，新增电路中该开关管保持导通状态，新增电路的另一个开关管和同侧H桥开关管互补高频动作；

[0023] (3)在电网电压的负半周期内，当逆变器输出电压和电流极性相同时，H桥左侧的开关管高频动作，新增电路中位于右侧的开关管导通，当逆变器输出电压和电流极性相反时，新增电路中位于右侧的开关管保持导通状态，新增电路中位于左侧的开关管和同侧H桥支路的开关管互补高频动作。

[0024] 如图2所示，即在电网电压的正半周期内，当检测到逆变器输出电压和电流极性相同时，S3、S4高频动作，S5导通，而当检测到电压和电流极性相反时，S5保持导通状态，S6和S3、S4互补高频动作。在电网电压的负半周期内，当逆变器输出电压和电流极性相同时，S1、S2高频动作，S6导通，当逆变器输出电压和电流极性相反时，S6保持导通状态，S5和S1、S2互补高频动作。

[0025] 本发明的有益效果为：

[0026] (1)在零电压状态下避免了直流侧电容和交流电感之间的功率交换，而且在功率模式下相比于其它H6逆变器电流只流经两个开关管，降低了导通损耗，从而提高了效率；

[0027] (2)在零电压状态下将光伏板与电网隔离，从而保持共模电压的恒定，抑制了共模漏电流的大小；

[0028] (3)与传统H全桥逆变器相比，该电路结构可充分利用元器件性能，提高逆变器效率及安全系数，改善输出电能质量；

[0029] (4)有效的解决了目前非隔离型单相光伏并网逆变器共模漏电流的问题。

附图说明

[0030] 图1为传统H4桥光伏并网逆变器共模回路等效电路图；

[0031] 图2为本发明的电路一结构示意图；

[0032] 图3为本发明电路工作于模式一的电流流通示意图；

[0033] 图4为本发明电路工作于模式二的电流流通示意图；

[0034] 图5为本发明电路工作于模式三的电流流通示意图；

[0035] 图6为本发明电路工作于模式四的电流流通示意图；

[0036] 图7为新型逆变器的变形拓扑一结构图；

[0037] 图8为新型逆变器的变形拓扑二结构图；

[0038] 图9为新型逆变器的变形拓扑三结构图；

[0039] 图10为新型逆变器的变形拓扑四结构图。具体实施方式：

[0040] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0041] 传统H4桥光伏并网逆变器共模回路等效电路图如图1所示。

[0042] 本发明的拓扑如图2所示，在传统H4桥逆变电路的基础上增加了两个开关管S5、S6和两个二极管D1、D2。开关的调制方式在电网电压的一个周期内分为四个阶段，分别为模式一到模式四，如图3到图6所示。

[0043] 在电网电压的负半周期内，当检测到逆变器输出电压和电流极性相同时，S1、S2高频动作，S6导通，而当检测到电压和电流极性相反时，S6保持导通状态，S5和S1、S2互补高频动作。在电网电压的正半周期内，当逆变器输出电压和电流极性相同时，S3、S4高频动作，S5导通，当逆变器输出电压和电流极性相反时，S5保持导通状态，S6和S3、S4互补高频动作。

[0044] 能够在续流状态下将光伏板与电网隔离，在功率模式下电流仅流经两个开关管，导通损耗小，效率高，并且在整个电网周期内保持共模电压值为恒定，从而抑制共模漏电流的大小。

[0045] 通过检测逆变器输出电压电流的极性调整开关动作，从而避免逆变器因电网功率波动影响或工作于非单位功率因数而导致的电流波形畸变。

[0046] 在电网电压的负半周期内，在如图3所示的模式一中，逆变器处于功率输出状态，开关S1、S2和S6导通，其它开关关断，此时的共模电压Ucm＝(0+Udc)/2＝Udc/2，在电网负半周期的模式二中，如图4所示，逆变器处于零电压续流状态，开关S1、S2关断，S6保持导通状态，此时电流流经D2以及S6构成续流通道，此时共模电压Ucm＝(Udc/2+Udc/2)/2＝Udc/2。

[0047] 在电网电压的正半周期内，同理，在如图5所示的模式三中，逆变器处于功率输出状态，开关S3、S4和S5导通，其它开关关断，此时的共模电压Ucm＝(Udc+0)/2＝Udc/2，在电网正半周期的模式四中，如图6所示，逆变器处于零电压续流状态，开关S3、S4关断，S5保持导通状态，此时电流流经D1以及S5构成续流通道，此时共模电压Ucm＝(Udc/2+Udc/2)/2＝Udc/2。

[0048] 这样在电网电压的整个周期内，逆变器的共模电压Ucm在开关高频动作下始终保持为Udc/2不变，因此共模漏电流Icm＝CPVdUcm/dt将得到极大的抑制，从而消除了人身或设备受到漏电流的危害。

[0049] 但是上述的开关调制方式是针对逆变器在单位功率因数下运行时所制定的，而当逆变器运行于非单位功率因数、电网电流过零点附近或者受到电网功率波动的影响时，逆变器的输出电压UAB与输出电流的极性可能会相反，即在上述的模式二和模式四的续流状态下，电流极性会与所提供的续流通道的方向相反，这样便会造成输出电流无法正常续流，进而导致电流的波形发生畸变。针对此问题，提出了一种基于逆变器输出电压电流极性检测的开关调制策略，即在电网电压的正半周期内，当检测到逆变器输出电压和电流极性相同时，S3、S4高频动作，S5导通，而当检测到电压和电流极性相反时，S5保持导通状态，S6和S3、S4互补高频动作。在电网电压的负半周期内，当逆变器输出电压和电流极性相同时，S1、S2高频动作，S6导通，当逆变器输出电压和电流极性相反时，S6保持导通状态，S5和S1、S2互补高频动作。这样，便可以保证在续流状态下，当逆变器输出电流电压极性不同时，输出电流波形不发生畸变，进而使电能质量得到改善。

[0050] 本发明可以进行拓扑改变，一种基于电压电流极性检测的高效H桥光伏逆变器，包括光伏电池板、直流侧电容、交流侧滤波电感、H桥逆变器、2个开关管和2个二极管，其中：

[0051] 直流侧电容并联在光伏电池板两端，光伏电池板的连接H桥逆变器，H桥逆变器的两个中点上分别串联一个新增电路，所述新增电路，用于在零电压的续流模式下将光伏电池板与电网隔离，并且在零电压状态下为电流提供续流通路，保证在高频开关的动作过程中系统共模电压始终保持直流电压的一半不变，以抑制共模漏电流的大小；

[0052] H桥逆变器与新增电路的连接点处分别伸出四条引线，四条引线不属于H桥逆变器同一支路且位置不一致的相互连接，组成两条支路，两条支路分别通过一个交流侧滤波电感连接交流侧两端。

[0053] 如图7所示，新增电路结构相同，分别包括串联的二极管和开关管，开关管的集电极为正向输入端，每个开关管的集电极与发射极之间都反向连接有一个二极管，且开关管的发射极正向串联一个二极管。

[0054] 如图8所示，新增电路结构相同，分别包括串联的二极管和开关管，开关管的发射极为正向输入端，每个开关管的发射极与集电极之间都正向连接有一个二极管，且开关管的发射极反向串联一个二极管。

[0055] 如图9所示，新增电路结构不同，一路新增电路包括开关管，开关管的发射极为正向输入端，每个开关管的发射极与集电极之间都正向连接有一个二极管，且开关管的发射极反向串联一个二极管；另一路新增电路包括开关管，开关管的发射极为正向输入端，每个开关管的发射极与集电极之间都正向连接有一个二极管，开关管的集电极处反向串联一个二极管。

[0056] 如图10所示，所述直流侧电容为两个，且中点处引出支路分别通过二极管连接两个新增电路；且该二极管的连接方向与新增电路中和开关管串联的二极管的连接方向相反。

[0057] 如图8、9所示，H桥与电网之间的滤波电感支路中有两条引出线，分别连接在H桥电路的两个桥臂上，在这两条引出线上增加两个电感，可以避免逆变器桥臂的直通危险。

[0058] 如图10所示，在图9电路拓扑的基础上增加两个二极管和一个电容，直流侧电源与两个分压电容相并联，在两个分压电容的中点处电位被钳位至直流电压的一半，从分压电容的中点处与两桥臂中点分别连接一个二极管，这两个二极管方向相反，二极管D3一端接分压电容中点，另一端接D1和S5中间，二极管D4一端接分压电容中点，另一端接D2和S6中间。针对图10所示的电路结构，S5和S6在整个工频周期内高频动作，电网正半周期内S5、S6与S1、S2互补高频动作，电网负半周期内，S5、S6与S3、S4互补高频动作。增加的两个二极管能保证电路在续流状态内共模电压钳位至直流电压的一半不变，进一步减小共模漏电流。

[0059] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。