阅读说明：本技术 一种无漏电流光伏逆变器及其控制方法 (Photovoltaic inverter without leakage current and control method thereof ) 是由 姚志垒 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无漏电流光伏逆变器及其控制方法,该光伏逆变器包含光伏组件、中间电容、第一滤波电感、耦合电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管和二极管等部件,其通过调节第一开关管的占空比,控制中间电容电压等于光伏组件电压；其第二开关管和第三开关管为互补开关,通过控制电网电流,实现单位功率因数和非单位功率因数输出。其优点是：本发明的无漏电流光伏逆变器可输出无功功率,其具有无共模漏电流、高可靠性和低电压穿越技术等优势。(The invention discloses a non-leakage current photovoltaic inverter and a control method thereof, wherein the photovoltaic inverter comprises a photovoltaic component, an intermediate capacitor, a first filter inductor, a coupling inductor, a first switching tube, a second switching tube, a third switching tube, a diode and the like, and the intermediate capacitor voltage is controlled to be equal to the photovoltaic component voltage by adjusting the duty ratio of the first switching tube; the second switching tube and the third switching tube are complementary switches, and unit power factor and non-unit power factor output are realized by controlling the current of the power grid. The advantages are that: the photovoltaic inverter without leakage current can output reactive power, and has the advantages of no common-mode leakage current, high reliability, low voltage ride through technology and the like.)

一种无漏电流光伏逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及逆变器技术领域，具体涉及一种无漏电流光伏逆变器及其控制方法。

背景技术

由于非隔离光伏逆变器在光伏组件和电网之间没有隔离，从而可能产生共模漏电流流过光伏组件的对地寄生电容。该共模漏电流会引起电磁干扰，增加系统损耗，甚至对人身安全构成威胁。德国VDE012611标准规定非隔离光伏逆变器共模漏电流有效值应小于300mA。若系统检测其超过该值，非隔离光伏逆变器将停机。国内外专家学者对如何抑制非隔离光伏逆变器的共模漏电流展开了一系列卓有成效的研究。常用的方法有：改进调制技术、增加开关器件、增加滤波器和改进控制方法等。但上述方法抑制共模漏电流的效果易受光伏组件对地寄生电容和电路参数变化的影响，因此，有必要研究能从根本上消除共模漏电流的逆变器拓扑及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无漏电流光伏逆变器及其控制方法，该光伏逆变器由光伏组件、中间电容、第一滤波电感、耦合电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管和二极管等部件所构成，其通过调节第一开关管的占空比，控制中间电容电压等于光伏组件的电压；其第二开关管和第三开关管为互补开关，通过控制电网电流，实现单位功率因数和非单位功率因数输出。本发明的无漏电流光伏逆变器可输出无功功率，其具有无共模漏电流、高可靠性和低电压穿越技术等优势。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种无漏电流光伏逆变器，包含：

光伏组件，其负极与电网的负极连接，且所述光伏组件的负极与电网的负极共同接地；

中间电容，其第一端与所述光伏组件的负极连接；

滤波电感，其第一端分别与所述光伏组件的负极和所述中间电容的第一端连接，所述滤波电感的第二端通过一第一开关管与所述光伏组件的正极连接，所述滤波电感的第二端还通过二极管与所述中间电容的第二端连接；则所述滤波电感与所述第一开关管和所述光伏组件，构成第一闭合电路；所述滤波电感与所述二极管和所述中间电容，构成第二闭合电路；

耦合电感，其包含原边绕组和副边绕组，耦合电感的原边绕组的同名端与电网的正极连接，其异名端通过一第二开关管与所述光伏组件的正极连接，所述耦合电感的原边绕组与电网、所述光伏组件和所述第二开关管，构成第三闭合电路；

耦合电感的副边绕组的同名端与电网的正极连接，其异名端通过一第三开关管与所述中间电容的第二端连接，则所述耦合电感的副边绕组与电网、所述中间电容和所述第三开关管，构成第四闭合电路；

控制驱动单元，其输入端分别与电网和所述中间电容连接，其输出端分别与第一开关管、第二开关管和第三开关管连接，分别驱动控制各个开关管的开闭，来连通各个闭合电路，进而驱动调节电网的电流信息和所述中间电容的电压信息。

优选地，还包含：

第一电压传感器，其输入端与电网连接，其输出端与所述控制驱动单元的输入端连接，所述第一电压传感器实时监控并采集电网的电压信息，生成电网电压反馈信号，传输至所述控制驱动单元；

第二电压传感器，其输入端与所述中间电容连接，其输出端与所述控制驱动单元的输入端连接，所述第二电压传感器实时监控并采集所述中间电容的电压信息，生成中间电容电压反馈信号，传输至所述控制驱动单元；

电流传感器，其输入端与电网连接，其输出端与所述控制驱动单元的输入端连接，所述电流传感器实时监控并采集电网的电流信息，生成电网电流反馈信号，传输至所述控制驱动单元。

优选地，所述控制驱动单元包含：

数字信号处理器，其输入端分别与所述第一电压传感器、所述第二电压传感器和所述电流传感器连接，根据所述电网电压反馈信号、中间电容电压反馈信号和电网电流反馈信号，分别进行电压信号处理和电流信号处理，并分别生成第一开关管逻辑信号、第二开关管逻辑信号和第三开关管逻辑信号；

驱动电路，其输入端与所述数字信号处理器的输出端连接，所述驱动电路的输出端分别与所述第一开关管、第二开关管和第三开关管连接，分别根据第一开关管逻辑信号、第二开关管逻辑信号和第三开关管逻辑信号生成所述第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号，并相应驱动各个开关管的开闭。

优选地，还包含：

滤波器，其并联于所述光伏组件的两端，对所述光伏组件的电压信息进行滤波处理；

所述滤波器为滤波电容。

优选地，所述耦合电感的原边绕组和副边绕组的匝数相等；

和/或，所述第一开关管和/或所述第二开关管和/或第三开关管为MOS管或IGBT管；

和/或，所述中间电容为有极性电容或无极性电容；

和/或，所述第二开关管和所述第三开关管为互补开关。

优选地，一种基于所述的无漏电流光伏逆变器的控制方法，该方法包含：

S1、第二电压传感器实时监测和采集中间电容的电压信息，生成中间电容电压反馈信号；

S2、所述控制驱动单元根据所述中间电容电压反馈信号进行驱动控制，进行第一次驱动调节所述第一开关管，完成所述中间电容的电压信息的调节；

S3、第一电压传感器和电流传感器分别实时监测和采集电网的电压信息和电流信息，分别生成电网电压反馈信号和电网电流反馈信号；

S4、所述控制驱动单元根据所述电网电压反馈信号和电网电流反馈信号进行驱动控制，进行第二次驱动调节第二开关管和第三开关管，完成电网的电流信息的调节。

优选地，所述步骤S2具体包含：

S21、根据第二电压传感器实时监测的中间电容的电压信息，所述控制驱动单元调节所述第一开关管打开，所述第一闭合电路连通；

S22、所述光伏组件为所述滤波电感提供电能；

S23、所述滤波电感储能完成后，所述第一开关管关闭，第二闭合电路连通，且作为所述第一闭合电路的第一续流电路；

S24、储能后的滤波电感将其储存的电能通过二极管传输至所述中间电容，完成中间电容的充电，提高中间电容的电压信息。

优选地，所述步骤S4具体为：

所述第三闭合电路和第四闭合电路为互补电路，且第四闭合电路为第三闭合电路的第二续流电路，第一电压传感器和电流传感器分别实时监测电网的电压信息和电网的电流信息，所述控制驱动单元调节所述第二开关管和第三开关管的开闭，使电网电流反馈信号趋近于电网电流参考信号，以完成电网的电流信息的调节。

优选地，所述步骤S4具体包含：

调节所述第二开关管打开，第三开关管关闭，则所述第三闭合电路连通，所述光伏组件为所述耦合电感提供正向电能，提高电网的电流信息；

调节所述第三开关管打开，第二开关管关闭，则所述第四闭合电路连通，所述中间电容为所述耦合电感提供负向电能，降低电网的电流信息。

优选地，所述步骤S4中，

将电网电压反馈信号输入数字信号处理器中的第一模数转换模块中，进行模数转换，生成第一数字信号，并将第一数字信号分成两路；

将第一路第一数字信号与电网电压额定值、电网电流额定值和有功功率参考信号一起传输至低电压穿越算法，进行低电压穿越计算，生成电网的参考电流峰值和功率因数角，其中，有功功率参考信号的值由最大功率跟踪算法或数字信号处理器内部设置，电网电压额定值、电网电流额定值和中间电容参考电压的值由数字信号处理器内部设置；

将第二路第一数字信号传输至锁相环，输出电网电压的相位；

将电网电压的相位和电网的功率因数角相减后进行正弦运算，并将所得结果乘以所述电网的参考电流峰值，生成电网电流参考信号。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明的一种无漏电流光伏逆变器主要包含光伏组件、中间电容、第一滤波电感、耦合电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管和二极管等部件，其通过调节第一开关管的占空比，控制中间电容电压等于光伏组件的电压；另外，其第二开关管和第三开关管为互补开关，通过控制电网电流，实现单位功率因数和非单位功率因数输出；

(2)本发明的无漏电流光伏逆变器可输出无功功率，其具有无共模漏电流、高可靠性和低电压穿越技术等优势。

附图说明

图1为本发明的一种无漏电流光伏逆变器电路图；

图2为本发明的一种无漏电流光伏逆变器控制原理图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。需要说明的是，本发明中的所有开关管和二极管均认为是理想器件，不考虑开关时间、导通压降等因素，另外本发明中的所有电感、电容也均认为是理想元件。

如图1所示，为本发明的一种非隔离光伏逆变器，其包含光伏组件1、中间电容2、滤波电感3、耦合电感4、控制驱动单元、二极管5、第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管S₃。

其中，光伏组件1的负极与电网U的负极连接，且光伏组件1的负极和电网U的负极共同接地；中间电容2的第一端与光伏组件1的负极连接。

在本实施例中，光伏组件1为光伏电池PV；中间电容2为有极性电容或无极性电容。

滤波电感3的第一端分别与光伏组件1的负极和中间电容2的第一端连接，其第二端通过第一开关管S₁与光伏组件1的正极连接，其第二端还通过二极管5与中间电容2的第二端连接。则滤波电感3与第一开关管S₁和光伏组件1构成第一闭合电路；滤波电感3与二极管5和中间电容2构成第二闭合电路。

耦合电感4包含原边绕组N_p和副边绕组N_s。其中，耦合电感4原边绕组N_p的同名端与电网U的正极连接，异名端通过第二开关管S₂与光伏组件1的正极连接，则耦合电感4的原边绕组N_p与电网U、光伏组件1和第二开关管S₂构成第三闭合电路。其中，第二开关管S₂在第三闭合电路中为电网U的正半周高频开关。

耦合电感4的副边绕组N_s的同名端与电网U的正极连接，其异名端通过一第三开关管S₃与所述中间电容2的第二端连接，则所述耦合电感4的副边绕组N_s与电网、所述中间电容2和所述第三开关管S₃构成第四闭合电路。其中，第三开关S₃在第四闭合电路中为电网U的负半周高频开关。

在本实施例中，耦合电感4的原边绕组N_p的匝数与副边绕组N_s的匝数相等，且耦合电感4能够输出无功功率。另外，所述第二开关管S₂和第三开关管S₃为互补开关。

所述控制驱动单元的输入端分别与电网和所述中间电容2连接，其输出端分别与第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管S₃连接，分别驱动控制各个开关管的开闭，来连通各个闭合电路，进而驱动调节电网的电流信息和所述中间电容3的电压信息。

本发明的无漏电流光伏逆变器还包含第一电压传感器6、第二电压传感器7和电流传感器8。

所述第一电压传感器6输入端与电网U连接，其输出端与所述控制驱动单元的输入端连接，所述第一电压传感器6实时监控并采集电网U的电压信息u_g，生成电网电压反馈信号u_gf，传输至所述控制驱动单元。

所述第二电压传感器7输入端与所述中间电容2连接，其输出端与所述控制驱动单元的输入端连接，所述第二电压传感器7实时监控并采集所述中间电容2的电压信息u_c，生成中间电容电压反馈信号u_cf，传输至所述控制驱动单元。

所述电流传感器8输入端与电网U连接，其输出端与所述控制驱动单元的输入端连接，所述电流传感器8实时监控并采集电网U的电流信息i_g，生成电网电流反馈信号i_gf，传输至所述控制驱动单元。

如图2所示，本发明的控制驱动单元包含数字信号处理器DSP和驱动电路。

所述数字信号处理器输入端分别与所述第一电压传感器6、所述第二电压传感器7和所述电流传感器8连接，根据所述电网电压反馈信号u_gf、中间电容电压反馈信号u_cf和电网电流反馈信号i_gf，分别进行电压信号处理和电流信号处理，并分别生成第一开关管逻辑信号O₁、第二开关管逻辑信号O₂和第三开关管逻辑信号O₃。

所述驱动电路输入端与所述数字信号处理器的输出端连接，所述驱动电路的输出端分别与所述第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管S₃连接，分别根据第一开关管逻辑信号O₁、第二开关管逻辑信号O₂和第三开关管逻辑信号O₃生成所述第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号，并相应驱动各个开关管(S₁～S₃)的开闭。

另外，本发明的逆变器还包含滤波器，其并联于光伏组件1两端，对光伏组件1的电压信息进行滤波处理，且滤波器两端的滤波电压u_in即为光伏组件1的电压信息，其调控保证中间电容2的电压信息u_c等于光伏组件1的电压信息u_in。

在本实施例中，所述滤波器为滤波电容C_in。所述滤波电容C_in为极性电容或无极性电容。所述第一开关管S₁、第二开关管S₂、和第三开关管S₃为金氧半场效晶体(MOS)管或绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。

本发明还提供了一种无漏电流光伏逆变器的控制方法，该方法包含：

S1、第二电压传感器7实时监测和采集中间电容2的电压信息u_c，生成中间电容电压反馈信号u_cf。

S2、所述控制驱动单元根据所述中间电容电压反馈信号u_cf进行驱动控制，进行第一次驱动调节所述第一开关管S₁，完成所述中间电容2的电压信息u_c的调节。

其中，所述步骤S2具体包含：

S21、第二电压传感器7实时监测中间电容2的电压信息u_c，当中间电容2的电压信息u_c为0，远远小于光伏组件1的电压信息u_in时，所述控制驱动单元调节所述第一开关管S₁打开，所述第一闭合电路连通。电流由光伏组件1的正极通过第一开关管S₁、滤波电感3回到光伏组件1的负极。

其中，所述控制驱动单元调节所述第一开关管S₁打开具体为数字信号处理器根据中间电容电压反馈信号u_cf进行电压信号处理，生成第一开关管逻辑信号O₁；将所述第一开关管逻辑信号O₁传输至驱动电路，驱动电路生成第一驱动信号，进行第一开关管S₁的开闭驱动。

在本实施例中，所述中间电容电压反馈信号u_cf传输至所述数字信号处理器中的第二模数转换AD2模块中，进行模数转换，生成第二数字信号。将第二数字信号与中间电容参考电压u_{C_ref}进行计算(相减)后，传输至电流调节器，输出中间电容2的电压调节信号。将中间电容2的电压调节信号与三角波进行比较，输出第一开关逻辑信号O₁。

其中，第一开关逻辑信号O₁由数字信号处理器的波形(PWM)口输出。

S22、所述光伏组件1为所述滤波电感3提供电能，所述滤波电感3的电流i_L1上升。S23、所述滤波电感3储能完成后，所述第一开关管S₁关闭，第二闭合电路连通，且作为所述第一闭合电路的续流电路。S24、储能后的滤波电感3将其储存的电能通过二极管5传输至所述中间电容2，滤波电感3的电流i_L1下降，完成中间电容2的充电，提高中间电容2的电压信息u_c。

S3、第一电压传感器6和电流传感器8分别实时监测和采集电网U的电压信息u_g和电流信息i_g，分别生成电网电压反馈信号u_gf和电网电流反馈信号i_gf。

S4、所述控制驱动单元根据所述电网电压反馈信号u_gf和电网电流反馈信号i_gf进行驱动控制，进行第二次驱动调节第二开关管S₂和第三开关管S₃，使电网电流反馈信号i_gf趋近于电网电流参考信号i_{g_ref}，以完成电网U的电流信息的调节。

其中，所述数字信号处理器根据所述电网电压反馈信号u_gf和电网电流反馈信号i_gf进行电压和电流信号处理，生成第二开关管逻辑信号O₂和第三开关管逻辑信号O₃；将所述第二开关管逻辑信号O₂和第二开关管逻辑信号O₃传输至驱动电路，驱动电路生成第二驱动信号和第三驱动信号，进行第二开关管S₂和第三开关管S₃的开闭驱动。所述第二开关管逻辑信号O₂和第三开关管逻辑信号O₃由数字信号处理器的波形(PWM)口输出。

在本实施例中，将电网电压反馈信号u_gf输入数字信号处理器DSP中的第一模数转换模块AD1中，进行模数转换，生成第一数字信号，并将第一数字信号分成两路。

将第一路第一数字信号与电网U电压额定值U_gN、电网U电流额定值I_gN和有功功率参考信号I_d一起传输至低电压穿越算法，进行低电压穿越计算，生成电网U的参考电流峰值I_{gm_ref}和功率因数角θ；

所述低电压穿越算法如公式(1)所示：

式中，I_gm是电网电流额定值的峰值，即U_g是电网电压的有效值；其中，θ如公式(2)所示：

其中，有功功率参考信号I_d的值由最大功率跟踪算法或数字信号处理器内部设置；电网U电压额定值U_gN、电网U电流额定值I_gN和中间电容参考电压u_{C_ref}的值由数字信号处理器内部设置。

将第二路第一数字信号传输至锁相环，输出电网电压u_g的相位

将电网电压u_g的相位和电网U的功率因数角θ相减后进行正弦运算，并将所得结果乘以所述电网U的参考电流峰值I_{gm_ref}，生成电网电流参考信号i_{g_ref}，其中，

将电网电流参考信号i_{g_ref}和电网电流反馈信号i_gf经加减器相减后经过电流调节器输出第二开关管逻辑信号O₂，所述第二开关管逻辑信号O₂通过反相器输出第三开关管逻辑信号O₃。所述第二开关管逻辑信号O₂和第三开关管逻辑信号O₃分别传输至驱动电路，分别经驱动电路的第二驱动电路和第三驱动电路生成第二驱动信号和第三驱动信号，进而进行相应开关的开闭驱动。其中，所述电流调节器可采用PI控制、滞环控制或比例谐振控制等方式。

所述加减器判定电网电流反馈信号i_gf和电网电流参考信号i_{g_ref}的相对大小。当电网电流反馈信号i_gf小于电网电流参考信号i_{g_ref}时，数字信号处理器生成的第二驱动信号和第三驱动信号分别为所述第二开关管S₂打开和第三开关管S₃关闭；当电网电流反馈信号i_gf大于电网电流参考信号i_{g_ref}时，数字信号处理器生成的第二驱动信号和第三驱动信号分别为所述第二开关管S₂关闭和第三开关管S₃打开，以此来调节电网电流反馈信号i_gf趋近于电网电流参考信号i_{g_ref}。

所述步骤S4具体为：

所述第三闭合电路和第四闭合电路为互补电路，且第四闭合电路为第三闭合电路的第二续流电路，第一电压传感器6和电流传感器8分别实时监测电网U的电压信息u_g和电网U的电流信息i_g，所述控制驱动单元调节电网电流反馈信号i_gf趋近于电网电流参考信号i_{g_ref}。

所述步骤S4具体包含：

所述控制驱动单元调节所述第二开关管S₂打开，第三开关管S₃关闭，则所述第三闭合电路连通，所述光伏组件1为所述耦合电感4提供正向电能，耦合电感4的原边绕组N_P电流上升，耦合电感4的副边绕组N_S电流为0，电网的电流信息i_g提升；

所述控制驱动单元调节所述第三开关管S₃打开，第二开关管S₂关闭，则所述第四闭合电路连通，所述中间电容2为所述耦合电感4提供负向电能，耦合电感4的副边绕组N_S的电流下降，原边绕组N_P电流为0，电网的电流信息i_g降低，电网电流反馈信号i_gf趋近于电网电流参考信号i_{g_ref}。

在本发明中，所述无漏电流光伏逆变器的工作原理(即控制方法)为：

第二电压传感器7实时检测和采集中间电容2的电压信息u_c，生成中间电容电压反馈信号u_cf；控制驱动单元根据中间电容电压反馈信号u_cf调节第一开关管S₁打开，第一闭合电路连通；光伏组件1为滤波电感3提供电能；滤波电感3储能完成后，第一开关管S₁关闭，第二闭合电路连通，且作为第一闭合电路的第一续流电路。储能后的滤波电感3将其储存的电能通过二极管5传输至中间电容2，完成中间电容2的充电，提高中间电容2的电压信息u_c，可使中间电容的电压信息u_c与光伏组件的电压信息u_in相同。即通过调整第一开关管S₁的占空比，调整中间电容2的电压信息u_c。

第一电压传感器6和电流传感器8分别实时检测和采集电网U的电压信息u_g和电流信息i_g，分别生成电网电压反馈信号u_gf和生成电网电流反馈信号i_gf；所述控制驱动单元控制电网电流反馈信号i_gf趋近于电网电流参考信号i_{g_ref}。

所述控制驱动单元调节第二开关管S₂打开，第三开关管S₃关闭，则所述第三闭合电路连通，光伏组件1为耦合电感4提供正向电能，耦合电感4的原边绕组N_P的电流上升，副边绕组N_S电流为0，电网U的电流信息i_g提高。

所述控制驱动单元调节第三开关管S₃打开，第二开关管S₂关闭，则所述第四闭合电路连通，中间电容2为耦合电感4提供负向电能，耦合电感4的副边绕组N_S的电流下降，原边绕组N_P电流为0，电网U的电流信息i_g降低，电网电流反馈信号i_gf趋近于电网电流参考信号i_{g_ref}。

综上所述，本发明的一种无漏电流光伏逆变器，包含光伏组件1、中间电容2、耦合电感4、控制驱动单元、第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管S₃等部件，其通过调节第一开关管S₁的占空比，来控制中间电容2的电压信息u_c和光伏组件1的电压信息u_in之间的关系，其通过调节第二开关管S₂和第三开关管S₃，来调节电网U的电流信息i_g，实现了单位功率因数和非单位功率因数输出；该逆变器适用于非隔离光伏逆变器的场合，其可输出无功功率，具有无共模漏电流、高可靠性、低电压穿越的优势。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。