单相单级电流源型逆变器

摘要

本发明提供一种单相单级电流源型逆变器，涉及电子电力技术领域。本发明的单相单级电流源型逆变器其能够根据输入电压和输出电压的大小关系，在Buck模态和Boost模态切换工作，具备了升降压的能力，并且，由于其不再需要保持输入侧电流为恒定的直流，其输入侧的电感需求量可以极大的减小。同时，该逆变器在其整个工作流程中，都能够保持共模电压的恒定，使得该逆变器能够有效的抑制漏电流的产生，能够有效的应用于光伏发电领域。

权利要求

1.一种单相单级电流源型逆变器，输入侧连接光伏阵列电池，输出侧连接电网，所述电网接地，其特征在于，还包括：两个大小相等的寄生电容、直流侧选通模块、桥臂模块和滤波模块；其中，所述两个大小相等的寄生电容分别将光伏阵列电池的正负极接地；

所述直流侧选通模块包括第一连接端，第二连接端、第三连接端和第四连接端，所述直流侧选通模块的第一连接端、第二连接端分别与光伏阵列电池正负极连接；所述直流侧选通模块的第三连接端、第四连接端分别与桥臂模块的上下对角连接；

所述桥臂模块的左右对角经由滤波模块与所述电网连接；

所述直流侧选通模块和所述桥臂模块均包括若干控制端，适于在控制端接入的控制信号的控制下，单相单级电流源型逆变器有工作情况：工作情况一，当光伏阵列电池产生的输入电压小于电网电压的峰值时，单相单级电流源型逆变器同时含有两种工作模态：输入电压高于电网瞬时电压时，逆变器工作在Buck模态；输入电压低于电网瞬时电压时，逆变器工作在Boost模态；工作情况二是输入电压高于电网电压的峰值，逆变器只有Buck工作模态；

在不同的工作模态下，共模电压不变；

其中，所述直流侧选通模块包括第一储能电感、第二储能电感、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路和单向导通电路；其中：所述第一储能电感的第一端经由第一开关电路连接在光伏阵列电池的正极上，第二端与桥臂模块的上对角连接；

所述第二储能电感的第一端经由第二开关电路连接在光伏阵列电池的负极上，第二端与桥臂模块的下对角连接；

所述第三开关电路的两端连接在所述第一储能电感与桥臂模块、第二储能电感与桥臂模块的连接端上；

所述单向导通电路的两端连接在第一储能电感与第一开关电路、第二储能电感与第二开关电路的连接端上。

2.如权利要求1所述的单相单级电流源型逆变器，其特征在于，第一开关电路包括直流侧第一开关管；

和/或

第二开关电路包括直流侧第二开关管；

和/或

第三开关电路包括直流侧第三开关管；

和/或

单向导通电路包括二极管。

3.如权利要求1所述的单相单级电流源型逆变器，其特征在于，所述第一储能电感和第二储能电感的大小相等。

4.如权利要求1～3任一所述的单相单级电流源型逆变器，其特征在于，桥臂模块包括四个连接成电桥电路的开关管，所述开关管均串联一个二极管。

5.如权利要求1～3任一所述的单相单级电流源型逆变器，其特征在于，所述滤波模块包括大小相等的第一滤波电感和第二滤波电感、滤波电容；

所述第一滤波电感的第一端与所述电网非接地端连接，第二端与桥臂模块的左对角连接；

所述第二滤波电感的第一端与所述电网接地端连接，第二端与桥臂模块的右对角连接。

6.如权利要求1～2任一所述的单相单级电流源型逆变器，其特征在于，所述单向导通电路的负向端连接在第一储能电感与第一开关电路的连接端上；

所述单向导通电路的正向端连接在第二储能电感与第二开关电路的连接端上。

7.如权利要求2所述的单相单级电流源型逆变器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管均为MOSFET。

8.如权利要求1～2任一所述的单相单级电流源型逆变器，其特征在于，所述控制端用于控制第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路的断开和导通，包括以下三种情况：情况一、第一开关电路和第二开关电路导通，第三开关电路断开；

情况二、第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路均断开；

情况三、第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路均导通。

9.如权利要求1～3任一所述的单相单级电流源型逆变器，其特征在于，所述控制端用于控制桥臂模块的桥臂断开和导通，包括以下三种情况：情况一、四个桥臂均断开；

情况二、上对角和左对角之间的桥臂、右对角和下对角之间的桥臂导通，其他桥臂断开；

情况三、上对角和左对角之间的桥臂、右对角和下对角之间的桥臂断开，其他桥臂导通。

说明书

单相单级电流源型逆变器

技术领域

[0001] 本发明涉及电子电力技术领域，具体涉及一种小输入侧电感具有漏电流抑制能力的单相单级电流源型逆变器。

背景技术

[0002] 逆变器按照直流侧电源特性分为电压源型逆变器(Voltage Source Inverter，VSI)与电流源型逆变器(Current Source Inverter，CSI)，VSI只能工作在直流电压恒定且高于交流侧电压峰值的场合，并且输入电流脉动大，需要加入死区防止出现桥臂直通。与VSI相比，CSI具有提升电压、功率因数可调、无需直通保护等优点。在单级升压变换场合，尤其是光伏电池并网系统中，CSI比VSI更加适用。尽管CSI有着诸多优势，其要在光伏并网系统中广泛应用依旧存在着许多挑战。首先需要解决的问题便是如何减小CSI直流侧储能电感的需求量。传统的CSI在工作时，其直流侧等效于恒定直流源。但在实际工况下，理想的直流源是不存在的，其通常是通过直流电压源串联电感来等效获得。为了降低电感上电流的二倍频脉动，电流型逆变器输入侧需要有巨大的储能电感，通常该电感的取值都在数毫亨到数百毫亨。这无疑使得整个逆变器的体积巨大，成本和损耗都颇高。其次，传统的CSI仅含有升压能力，在输入电压高于电网电压的场合，CSI无法正常工作且无法做到宽输入范围运行。最后，光伏电池板与大地之间存在寄生电容，当寄生电容‑光伏系统‑电网三者之间形成回路时，寄生电容上有可能出现共模电流也称为漏电流。VDE‑1026‑1‑1相关标准规定，漏电流峰值高于300mA时，光伏系统必须在0.3秒内从电网中切除。因此，漏电流的抑制也是CSI在光伏系统中应用的一大挑战。

[0003] 为了解决上述问题，国内外学者提出了许多有趣的解决方案。但诸多的研究都只是针对其中的一个或两个问题来研究，目前还没有一个解决方案能够同时的处理好上述的三个问题。

发明内容

[0004] (一)解决的技术问题

[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种单相单级电流源型逆变器，解决了现有技术无法同时处理好上述三个问题的技术问题。

[0006] (二)技术方案

[0007] 为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

[0008] 本发明提供一种单相单级电流源型逆变器，输入侧连接光伏阵列电池，输出侧连接电网，所述电网接地，该逆变器还包括：两个大小相等的寄生电容、直流侧选通模块、桥臂模块和滤波模块；其中，

[0009] 所述两个大小相等的寄生电容分别将光伏阵列电池的正负极接地；

[0010] 所述直流侧选通模块包括第一连接端，第二连接端、第三连接端和第四连接端，所述直流侧选通模块的第一连接端、第二连接端分别与光伏阵列电池正负极连接；所述直流侧选通模块的第三连接端、第四连接端分别与桥臂模块的上下对角连接；

[0011] 所述桥臂模块的左右对角经由滤波模块与所述电网连接；

[0012] 所述直流侧选通模块和所述桥臂模块均包括若干控制端，适于在控制端接入的控制信号的控制下，单相单级电流源型逆变器有工作情况：工作情况一，当光伏阵列电池产生的输入电压小于电网电压的峰值时，单相单级电流源型逆变器同时含有两种工作模态：输入电压高于电网瞬时电压时，逆变器工作在Buck模态；输入电压低于电网瞬时电压时，逆变器工作在Boost模态；工作情况二是输入电压高于电网电压的峰值，逆变器只有Buck工作模态；在不同的工作模态下，共模电压不变。

[0013] 优选的，所述直流侧选通模块包括第一储能电感、第二储能电感、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路和单向导通电路；其中：

[0014] 所述第一储能电感的第一端经由第一开关电路连接在光伏阵列电池的正极上，第二端与桥臂模块的上对角连接；

[0015] 所述第二储能电感的第一端经由第二开关电路连接在光伏阵列电池的负极上，第二端与桥臂模块的下对角连接；

[0016] 所述第三开关电路的两端连接在所述第一储能电感与桥臂模块、第二储能电感与桥臂模块的连接端上；

[0017] 所述单向导通电路的两端连接在第一储能电感与第一开关电路、第二储能电感与第二开关电路的连接端上。

[0018] 优选的，

[0019] 第一开关电路包括直流侧第一开关管；

[0020] 和/或

[0021] 第二开关电路包括直流侧第二开关管；

[0022] 和/或

[0023] 第三开关电路包括直流侧第三开关管；

[0024] 和/或

[0025] 单向导通电路包括二极管。

[0026] 优选的，所述第一储能电感和第二储能电感的大小相等。

[0027] 优选的，桥臂模块包括四个连接成电桥电路的开关管，所述开关管均串联一个二极管。

[0028] 优选的，所述滤波模块包括大小相等的第一滤波电感和第二滤波电感、滤波电容；

[0029] 所述第一滤波电感的第一端与所述电网非接地端连接，第二端与桥臂模块的左对角连接；

[0030] 所述第二滤波电感的第一端与所述电网接地端连接，第二端与桥臂模块的右对角连接。

[0031] 优选的，所述单向导通电路的负向端连接在第一储能电感与第一开关电路的连接端上；

[0032] 所述单向导通电路的正向端连接在第二储能电感与第二开关电路的连接端上。

[0033] 优选的，所述开关管均为MOSFET。

[0034] 优选的，所述控制端用于控制第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路的断开和导通，包括以下三种情况：

[0035] 情况一、第一开关电路和第二开关电路导通，第三开关电路断开；

[0036] 情况二、第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路均断开；

[0037] 情况三、第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路均导通。

[0038] 优选的，所述控制端用于控制桥臂模块的桥臂断开和导通，包括以下三种情况：

[0039] 情况一、四个桥臂均断开；

[0040] 情况二、上对角和左对角之间的桥臂、右对角和下对角之间的桥臂导通，其他桥臂断开；

[0041] 情况三、上对角和左对角之间的桥臂、右对角和下对角之间的桥臂断开，其他桥臂导通。

[0042] (三)有益效果

[0043] 本发明提供了一种单相单级电流源型逆变器。与现有技术相比，具备以下有益效果：

[0044] 本发明的单相单级电流源型逆变器其能够根据输入电压和输出电压的大小关系，在Buck模态和Boost模态切换工作，具备了升降压的能力，并且，由于其不再需要保持输入侧电流为恒定的直流，其输入侧的电感需求量可以极大的减小。同时，该逆变器在其整个工作流程中，都能够保持共模电压的恒定，使得该逆变器能够有效的抑制漏电流的产生，能够有效的应用于光伏发电领域。

附图说明

[0045] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0046] 图1为本发明实施例提供的单相单级电流源型逆变器的结构图；

[0047] 图2为直流侧选通模块的结构图；

[0048] 图3为单相单级电流源型逆变器的电路图；

[0049] 图4为图3所示电路对应的工作模态1的电路示意图；

[0050] 图5为图3所示电路对应的工作模态2的电路示意图；

[0051] 图6为图3所示电路对应的工作模态3的电路示意图；

[0052] 图7为图3所示电路对应的工作模态4的电路示意图；

[0053] 图8为图3所示电路对应的工作模态5的电路示意图；

[0054] 图9为图3所示电路对应的工作模态6的电路示意图；

[0055] 图10为图3所示电路对应的工作模态7的电路示意图；

[0056] 图11为图3所示电路对应的工作模态8的电路示意图；

[0057] 图12为图3所示电路的运行原理示意图；

[0058] 图13为图3所示电路的调制策略示意图。

具体实施方式

[0059] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0060] 为了便于描述，本发明实例中的“开关管”一词指代开关，本发明实施例中以内嵌并联二极管的MOSFET为例。由于电流源型逆变器的开关管器件不能够承受反向电压，因此开关管器件需要特定的需求。其桥臂上的开关管器件都需要串联一个阻断方向流动并且承担反向电压的二极管器件。桥臂上开关可以是IGBT+二极管器件，MOSFET+二极管器件，或者选用逆阻绝缘栅双极型晶体管RB‑IGBT器件。

[0061] 注意，二极管被用作代表单方向导通元件，但本发明中的单方向导通元件不限定于二极管。本发明实施例中的单方向导通元件也可以采用二极管之外的其它单方向导通器件。另外，“第一”“第二”等仅用于区别于各器件，而不限定各器件的顺序。

[0062] 本发明实施例提供一种单相单级电流源型逆变器，该逆变器的结构如图1所示，输入侧连接光伏阵列电池，输出侧连接电网，所述电网接地，光伏阵列电池的正负极经由两个大小相等的寄生电容分别接地，该逆变器还包括直流侧选通模块、桥臂模块和滤波模块；其中，

[0063] 直流侧选通模块包括第一连接端，第二连接端、第三连接端和第四连接端，所述直流侧选通模块的第一连接端、第二连接端分别与光伏阵列电池正负极连接；所述直流侧选通模块的第三连接端、第四连接端分别与桥臂模块的上下对角连接；

[0064] 桥臂模块的左右对角经由滤波模块与所述电网连接。

[0065] 下面结合具体电路图、模态分析及其调制策略等对本发明实施例的单相单级电流源型逆变器进行详细说明。

[0066] 图2给出了直流侧选通模块的结构图，直流侧选通模块包括第一储能电路、第二储能电路、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路和单向导通电路；其中：第一储能电路的第一端经由第一开关电路连接在光伏阵列电池的正极上，第二端与桥臂模块的上对角连接；所述第二储能电路的第一端经由第二开关电路连接在光伏阵列电池的负极上，第二端与桥臂模块的下对角连接；所述第三开关电路的两端连接在所述第一储能电路与桥臂模块、第二储能电路与桥臂模块的连接端上；所述单向导通电路的两端连接在第一储能电路与第一开关电路、第二储能电路与第二开关电路的连接端上。

[0067] 图3给出了一种单相单级电流源型逆变器的电路图。在该电路图中，光伏阵列电池PV两端并联一个稳压电容Cin；所述第一储能电路包括第一储能电感L1；所述第二储能电路包括第二储能电感L2；第一开关电路包括直流侧第一开关管S5；第二开关电路包括直流侧第二开关管S6；第三开关电路包括直流侧第三开关管S7；单向导通电路包括二极管D5。所述第一储能电感L1和第二储能电感L2的大小相等。

[0068] S1～S4为桥臂模块的四个桥臂，桥臂上的每个开关管均串联一个阻断方向流动并且承担反向电压的二极管D1～D4。

[0069] Vg表示SS‑CSI的输出电压，当SS‑CSI并网时表示电网电压。Cf是输出的滤波电容。第一滤波电感Lf1和第二滤波电感Lf2是两个大小相等的输出滤波电感。Cpv1和Cpv2分别是光伏阵列电池正负极对地的寄生电容。

[0070] 图3所示的逆变器共有8个工作模态，分别为模态1～8。其中模态1～4为逆变器工作在正半周期内的模态，模态5～8为逆变器工作在负半周期内的模态。

[0071] 图4到图11为8种不同的工作模态。具体如下：

[0072] 其中，P点为光伏阵列电池PV的正极端，N点为光伏阵列电池PV的负极端，A点为桥臂模块的左对角，B点为桥臂模块的左对角。

[0073] 工作模态1：如图4所示，电流正向流通，开关管S5，S1，S4，S6导通，其它开关管关断，电流流通路径为P→S5→S1→S4→S6→N，该模态发生在电网电压的正半周期，且输入电压Vin高于电网电压Vg的瞬时值。即逆变器此时工作在Buck模态下，工作模态1类似于传统Buck电路的充能阶段。定义Vcm为共模电压，其大小为：Vcm＝(VAN+VBN)/2。则在该模态下Vcm的大小为：Vin/2。

[0074] 工作模态2：如图5所示，电流正向流通，开关管S1，S4，D5导通，其它开关管关断，电流流通路径为L1→S1→S4→L2→D5→L1，该模态发生在电网电压的正半周期，且输入电压Vin高于电网电压Vg的瞬时值。即逆变器此时工作在Buck模态下，工作模态2类似于传统Buck电路的放能阶段。定义Vcm为共模电压，其大小为：Vcm＝(VAN+VBN)/2。则在该模态下Vcm的大小为：Vin/2。工作模态1和工作模态2共同配合组成了一个完整的Buck工作模态。当输入电压Vin高于输出电压Vg时，逆变器在工作模态1和工作模态2之间来回的切换，使逆变器工作在降压模式。

[0075] 工作模态3：如图6所示，电流正向流通，开关管S5，S7，S6导通，其它开关管关断，电流流通路径为P→S5→L1→S7→L2→S6→N，该模态发生在电网电压的正半周期，且输入电压Vin低于电网电压Vg的瞬时值。即逆变器此时工作在Boost模态下，工作模态3类似于传统Boost电路的充能阶段。在该模态下Vcm的大小为：Vin/2。

[0076] 工作模态4：如图7所示，电流正向流通，开关管S5，S1，S4，S6导通，其它开关管关断，电流流通路径为P→S5→L1→S1→S4→L2→S6→N，该模态发生在电网电压的正半周期，且输入电压Vin低于电网电压Vg的瞬时值。即逆变器此时工作在Boost模态下，工作模态4类似于传统Boost电路的放能阶段。在该模态下Vcm的大小为：Vin/2。工作模态3和工作模态4共同配合组成了一个完整的Boost工作模态。当输入电压Vin低于输出电压Vg时，逆变器在工作模态3和工作模态4之间来回的切换，使逆变器工作在升压模式。

[0077] 工作模态5：如图8所示，电流正向流通，开关管S5，S3，S2，S6导通，其它开关管关断，电流流通路径为P→S5→S3→S2→S6→N，该模态发生在电网电压的负半周期，且输入电压Vin高于电网电压Vg的瞬时值。即逆变器此时工作在Buck模态下，工作模态5类似于传统Buck电路的充能阶段，其与工作模态1是对称的，一个发生在正半周期，一个发生在负半周期。在该模态下Vcm的大小为：Vin/2。

[0078] 工作模态6：如图9所示，电流正向流通，开关管S3，S2，D5导通，其它开关管关断，电流流通路径为L1→S3→S2→L2→D5→L1，该模态发生在电网电压的负半周期，且输入电压Vin高于电网电压Vg的瞬时值。即逆变器此时工作在Buck模态下，工作模态6类似于传统Buck电路的放能阶段。在该模态下Vcm的大小为：Vin/2。工作模态5和工作模态6共同配合组成了一个完整的Buck工作模态。当负半周期，输入电压Vin高于输出电压Vg时，逆变器在工作模态5和工作模态6之间来回的切换，使逆变器工作在降压模式。

[0079] 工作模态7：如图10所示，电流正向流通，开关管S5，S7，S6导通，其它开关管关断，电流流通路径为P→S5→L1→S7→L2→S6→N，该模态发生在电网电压的负半周期，且输入电压Vin低于电网电压Vg的瞬时值。即逆变器此时工作在Boost模态下，工作模态7类似于传统Boost电路的充能阶段。在该模态下Vcm的大小为：Vin/2。

[0080] 工作模态8：如图11所示，电流正向流通，开关管S5，S3，S2，S6导通，其它开关管关断，电流流通路径为P→S5→L1→S1→S4→L2→S6→N，该模态发生在电网电压的负半周期，且输入电压Vin低于电网电压Vg的瞬时值。即逆变器此时工作在Boost模态下，工作模态8类似于传统Boost电路的放能阶段。在该模态下Vcm的大小为：Vin/2。工作模态7和工作模态8共同配合组成了一个完整的Boost工作模态。当负半周期，输入电压Vin低于输出电压Vg时，逆变器在工作模态7和工作模态8之间来回的切换，使逆变器工作在升压模式。

[0081] 上述分析结果表明了逆变器共模电压在各个模态均能保持一个恒定值，则系统不会产生漏电流，表1彰显了整个逆变器工作模态下，共模电压和寄生电容上电压的大小。

[0082] 表1器件状态及共模电压大小

[0083]

[0084]

[0085] 上述介绍的情况主要是升压和降压并存的情况。当输入电压一直高于输出电压时，逆变器只有Buck模式没有Boost模式。即整个逆变器只有模态1，2，5，6这四个模态，相比于原有工作模态少了4个。

[0086] 由图12的分析可知，该单相单级电流源型逆变器实际上就相当于一个传统的Buck电路和一个传统的Boost电路组合而成的逆变器拓扑。其主要依据输入电压和输出电压的关系来决定逆变器的工作模态。这样一来，该逆变器便能够同时具备升压能力和降压能力了。并且，由于传统Buck或Boost电路其不需要输入侧电流为恒定的直流也可以工作，因此，由这两个基本电路组成的逆变器，也无需巨大的输入侧电感以维持输入电流为恒定的直流，实现了降低输入侧电感的作用。

[0087] 一种小输入侧电感具有漏电流抑制能力的单相单级电流源型逆变器调制策略如图13所示，图中展现的是逆变器中各个开关的占空比波形。其中d1(t)‑d7(t)分别表示开关S1‑S7的占空比，T1(t)和T2(t)是用来辅助正确生成各开关器件的PWM的辅助信号。Buck模态出现在输入电压Vin高于电网电压瞬时值时，逆变器在正半周期和负半周期各有两个Buck模态。分别发生在如图13所示的时间段[t0‑t1]，[t2‑t3]，[t3‑t4]，[t5‑t6]。因为，在该模态下，开关S1和S4的占空比是一样的，开关S2和S3，开关S5和S6的动作也是一样的。Boost模态出现在输入电压Vin低于电网电压瞬时值时，逆变器在正半周期和负半周期各有一个Boost模态。分别发生在如图13所示的时间段[t1‑t2]和[t4‑t5]。

[0088] 综上所述，与现有技术相比，本申请实施例具备以下有益效果：

[0089] 1、小输入侧电感使得电感的体积和成本能够极大的降低，在实际使用过程中能提升产品的功率密度和使用成本。

[0090] 2、漏电流抑制能力使得其在光伏发电系统中，有更高的可靠性和安全性。

[0091] 3、同时具备升降压能力，其输入侧电压的范围广，使得逆变器能够适用的场合更加广阔，应用也更灵活。

[0092] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0093] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。