一種開關(guān)管鉗位式的非隔離型逆變拓?fù)溲芯?/h1>
2017-05-16 00:32:51趙明劉斌金兆辰范瑞祥
山東工業(yè)技術(shù) 2017年9期
趙明++劉斌++金兆辰++范瑞祥
摘 要：一種基于開關(guān)管鉗位的非隔離型光伏逆變拓?fù)洌c傳統(tǒng)的H6相比，在電感續(xù)流階段將中點電壓鉗位，可以更好的抑制對地漏電流，提高了系統(tǒng)的安全裕度。
關(guān)鍵詞：漏電流；非隔離型；有源鉗位
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.126
1 引言
在光伏發(fā)電領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)簡單、效率高以及成本低的非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器有著明顯的優(yōu)勢。由于晶硅光伏電池的平板結(jié)構(gòu)與大地之間存在寄生電容約為50～150nF/kW[1]。傳統(tǒng)的全橋逆變拓?fù)湎到y(tǒng)的共模電壓不能穩(wěn)定有很大的高頻波動不能達(dá)到漏電流小于300mA的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)[2]。
2 新拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)與原理分析
常規(guī)的H6拓?fù)湓诶m(xù)流階段的共模電壓處于懸浮狀態(tài)共模電壓不固定，當(dāng)開關(guān)管處于高頻動作時，會有高頻的共模電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生對地漏電流[3]。本文提出一種開關(guān)管鉗位式的非隔離型光伏逆變器拓?fù)淙鐖D1所示，C1、C2為等容等壓的濾波電容；S1～S6為功率開關(guān)管；S7和S8是兩個反向串聯(lián)的鉗位開關(guān)管，在電感續(xù)流階段將共模電壓鉗位在直流母線電壓的一半；S9和S10是續(xù)流開關(guān)管，在電感續(xù)流階段提供續(xù)流通道；功率開關(guān)管對應(yīng)的反并聯(lián)體二極管D1～D10；L1和L2是并網(wǎng)濾波電感。
該拓?fù)洳捎脝螛O性SPWM的調(diào)制方式，逆變輸出為Ug，電感電流IL的參考方向如圖2所示。當(dāng)Ug為正的時候，開關(guān)管S2、S3高頻動作，S4一直開通，S7、S8和S9與S2、S3動作信號相反；當(dāng)Ug為負(fù)的時候，開關(guān)管S1、S6高頻動作，S5一直開通，S7、S8和S10與S1、S6動作信號相反；在零電平時，開關(guān)管S9或者S10導(dǎo)通，為濾波電感提供續(xù)流回路，同時開關(guān)管S7和S8導(dǎo)通，將共模電壓強(qiáng)制鉗位在直流母線電壓的一半。
工作模態(tài)一：逆變電壓Ug為正，功率開關(guān)管S2、S3、S4導(dǎo)通，其余的開關(guān)管關(guān)斷。并網(wǎng)電流依次流過開關(guān)管S3、S4、濾波電感L1、電網(wǎng)、濾波電感L2和開關(guān)管S2。
工作模態(tài)二：濾波電感續(xù)流，功率開關(guān)管S4、續(xù)流開關(guān)管S9以及鉗位開關(guān)管S7、S8導(dǎo)通，其余的開關(guān)管關(guān)斷。續(xù)流通道會依據(jù)功率因數(shù)的正負(fù)選擇濾波電感L1、電網(wǎng)、濾波電感L2、體二極管D9和開關(guān)管S4；或者濾波電感L2、電網(wǎng)、濾波電感L1、體二極管D4和開關(guān)管S9。鉗位開關(guān)管會根據(jù)VAN、VBN電壓與直流母線一半的電壓大小關(guān)系選擇開關(guān)管S8、體二極管D7；或者開關(guān)管S7、體二極管D8。
工作模態(tài)三：逆變電壓Ug為負(fù)，開關(guān)管S1、S5、S6導(dǎo)通，其余開關(guān)管關(guān)斷。并網(wǎng)電流依次流過開關(guān)管S1、濾波電感L2、電網(wǎng)、濾波電感L1和開關(guān)管S5、S6。
工作模態(tài)四：濾波電感續(xù)流，功率開關(guān)管S5、續(xù)流開關(guān)管S10和鉗位開關(guān)管S7、S8導(dǎo)通，其余的開關(guān)管關(guān)斷。續(xù)流通道會依據(jù)功率因數(shù)的正負(fù)選擇濾波電感L1、電網(wǎng)、濾波電感L2、功率開關(guān)管S10和體二極管D5；或者濾波電感L2、電網(wǎng)、濾波電感L1、開關(guān)管S5和體二極管D10。鉗位開關(guān)管會根據(jù)VAN、VBN電壓與直流母線一半的電壓大小關(guān)系選擇開關(guān)管S8、體二極管D7；或者開關(guān)管S7、體二極管D8。
3 仿真及結(jié)果分析
通過運用Matlab中的Simulink仿真，得到H6拓?fù)涞墓材ｋ妷翰ㄐ魏吐╇娏鞑ㄐ畏謩e如圖2（a）、2（b）所示：H6拓?fù)涞墓材ｋ妷捍嬖诟哳l振蕩，振蕩的幅值約為250V，漏電流的峰值為140mA左右；新拓?fù)浞抡娴玫讲ㄐ畏謩e如圖2（c）、2（d）所示：新拓?fù)涞墓材ｋ妷赫袷幏禐?0V，漏電流得到了很好的抑制，漏電流的峰值在15mA以內(nèi)。
4 結(jié)論
本拓?fù)湟脬Q位電路，在零電平輸出階段將橋臂中點電壓鉗位到母線電壓的一半，使得在整個開關(guān)周期內(nèi)共模電壓保持恒定，削弱了由于功率開關(guān)管中寄生電容引起的共模振蕩；同時還能將逆變側(cè)和直流側(cè)電流解耦，最終有效抑制了系統(tǒng)對地漏電流，提高了系統(tǒng)工作效率和無變壓器型光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)運行的安全裕度。
參考文獻(xiàn)：
[1]稽保健，洪峰，趙劍鋒.一種不隔離三電平雙Buck光伏并網(wǎng)逆變器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32（12）：7-13.
[2]VDE0126-1-1.Automatic disconnection device between a generator and the public low-voltage grid[S].2006.
[3]王叢，惠晶.一種新型單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器[J].電力電子技術(shù)，2013，47（04）：61-63.
作者簡介：趙明（1990-），男，湖北襄陽人，碩士研究生，研究方向：新能源及開關(guān)電源。
趙明++劉斌++金兆辰++范瑞祥
摘 要：一種基于開關(guān)管鉗位的非隔離型光伏逆變拓?fù)洌c傳統(tǒng)的H6相比，在電感續(xù)流階段將中點電壓鉗位，可以更好的抑制對地漏電流，提高了系統(tǒng)的安全裕度。
關(guān)鍵詞：漏電流；非隔離型；有源鉗位
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.126
1 引言
在光伏發(fā)電領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)簡單、效率高以及成本低的非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器有著明顯的優(yōu)勢。由于晶硅光伏電池的平板結(jié)構(gòu)與大地之間存在寄生電容約為50～150nF/kW[1]。傳統(tǒng)的全橋逆變拓?fù)湎到y(tǒng)的共模電壓不能穩(wěn)定有很大的高頻波動不能達(dá)到漏電流小于300mA的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)[2]。
2 新拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)與原理分析
常規(guī)的H6拓?fù)湓诶m(xù)流階段的共模電壓處于懸浮狀態(tài)共模電壓不固定，當(dāng)開關(guān)管處于高頻動作時，會有高頻的共模電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生對地漏電流[3]。本文提出一種開關(guān)管鉗位式的非隔離型光伏逆變器拓?fù)淙鐖D1所示，C1、C2為等容等壓的濾波電容；S1～S6為功率開關(guān)管；S7和S8是兩個反向串聯(lián)的鉗位開關(guān)管，在電感續(xù)流階段將共模電壓鉗位在直流母線電壓的一半；S9和S10是續(xù)流開關(guān)管，在電感續(xù)流階段提供續(xù)流通道；功率開關(guān)管對應(yīng)的反并聯(lián)體二極管D1～D10；L1和L2是并網(wǎng)濾波電感。
該拓?fù)洳捎脝螛O性SPWM的調(diào)制方式，逆變輸出為Ug，電感電流IL的參考方向如圖2所示。當(dāng)Ug為正的時候，開關(guān)管S2、S3高頻動作，S4一直開通，S7、S8和S9與S2、S3動作信號相反；當(dāng)Ug為負(fù)的時候，開關(guān)管S1、S6高頻動作，S5一直開通，S7、S8和S10與S1、S6動作信號相反；在零電平時，開關(guān)管S9或者S10導(dǎo)通，為濾波電感提供續(xù)流回路，同時開關(guān)管S7和S8導(dǎo)通，將共模電壓強(qiáng)制鉗位在直流母線電壓的一半。
工作模態(tài)一：逆變電壓Ug為正，功率開關(guān)管S2、S3、S4導(dǎo)通，其余的開關(guān)管關(guān)斷。并網(wǎng)電流依次流過開關(guān)管S3、S4、濾波電感L1、電網(wǎng)、濾波電感L2和開關(guān)管S2。
工作模態(tài)二：濾波電感續(xù)流，功率開關(guān)管S4、續(xù)流開關(guān)管S9以及鉗位開關(guān)管S7、S8導(dǎo)通，其余的開關(guān)管關(guān)斷。續(xù)流通道會依據(jù)功率因數(shù)的正負(fù)選擇濾波電感L1、電網(wǎng)、濾波電感L2、體二極管D9和開關(guān)管S4；或者濾波電感L2、電網(wǎng)、濾波電感L1、體二極管D4和開關(guān)管S9。鉗位開關(guān)管會根據(jù)VAN、VBN電壓與直流母線一半的電壓大小關(guān)系選擇開關(guān)管S8、體二極管D7；或者開關(guān)管S7、體二極管D8。
工作模態(tài)三：逆變電壓Ug為負(fù)，開關(guān)管S1、S5、S6導(dǎo)通，其余開關(guān)管關(guān)斷。并網(wǎng)電流依次流過開關(guān)管S1、濾波電感L2、電網(wǎng)、濾波電感L1和開關(guān)管S5、S6。
工作模態(tài)四：濾波電感續(xù)流，功率開關(guān)管S5、續(xù)流開關(guān)管S10和鉗位開關(guān)管S7、S8導(dǎo)通，其余的開關(guān)管關(guān)斷。續(xù)流通道會依據(jù)功率因數(shù)的正負(fù)選擇濾波電感L1、電網(wǎng)、濾波電感L2、功率開關(guān)管S10和體二極管D5；或者濾波電感L2、電網(wǎng)、濾波電感L1、開關(guān)管S5和體二極管D10。鉗位開關(guān)管會根據(jù)VAN、VBN電壓與直流母線一半的電壓大小關(guān)系選擇開關(guān)管S8、體二極管D7；或者開關(guān)管S7、體二極管D8。
3 仿真及結(jié)果分析
通過運用Matlab中的Simulink仿真，得到H6拓?fù)涞墓材ｋ妷翰ㄐ魏吐╇娏鞑ㄐ畏謩e如圖2（a）、2（b）所示：H6拓?fù)涞墓材ｋ妷捍嬖诟哳l振蕩，振蕩的幅值約為250V，漏電流的峰值為140mA左右；新拓?fù)浞抡娴玫讲ㄐ畏謩e如圖2（c）、2（d）所示：新拓?fù)涞墓材ｋ妷赫袷幏禐?0V，漏電流得到了很好的抑制，漏電流的峰值在15mA以內(nèi)。
4 結(jié)論
本拓?fù)湟脬Q位電路，在零電平輸出階段將橋臂中點電壓鉗位到母線電壓的一半，使得在整個開關(guān)周期內(nèi)共模電壓保持恒定，削弱了由于功率開關(guān)管中寄生電容引起的共模振蕩；同時還能將逆變側(cè)和直流側(cè)電流解耦，最終有效抑制了系統(tǒng)對地漏電流，提高了系統(tǒng)工作效率和無變壓器型光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)運行的安全裕度。
參考文獻(xiàn)：
[1]稽保健，洪峰，趙劍鋒.一種不隔離三電平雙Buck光伏并網(wǎng)逆變器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32（12）：7-13.
[2]VDE0126-1-1.Automatic disconnection device between a generator and the public low-voltage grid[S].2006.
[3]王叢，惠晶.一種新型單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器[J].電力電子技術(shù)，2013，47（04）：61-63.
作者簡介：趙明（1990-），男，湖北襄陽人，碩士研究生，研究方向：新能源及開關(guān)電源。
