一种共地型五电平单相光伏逆变器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于开关电容的共地型五电平单相光伏逆变器及其控制方法，该逆变器包括直流侧两个分裂电容、五个开关管、一个开关电容、一个二极管和一个网侧滤波器，其中开关管S2为双向开关。所述逆变器光伏负极与电网负端直接连接；开关管S1，S2和S3构成半桥T型三电平电路，并与直流侧分裂电容相连。开关管S4和S5的发射极与滤波器一端相连，集电极分别与开关电容的两端相连；二极管D1的阳极与开关管S5集电极相连，阴极与电网负端相连。本发明专利技术所提五电平逆变器拓扑具有较少的开关器件，具备无功调节能力以及开关电容电压自平衡能力。由于光伏负极与电网负端直接相连，可实现零漏电流。通过所提的中点电压平衡控制策略，实现了中点电压的主动平衡。中点电压的主动平衡。中点电压的主动平衡。

【技术实现步骤摘要】
一种共地型五电平单相光伏逆变器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及电力电子
及光伏新能源发电领域，更具体地，涉及一种基于开关电容的共地型五电平单相光伏逆变器及其中点平衡控制方法。

技术介绍

[0002]随着全球石油、煤、天然气等化石能源储量的日益枯竭以及燃烧化石能源导致的环境问题，寻找和开发新的可代替的清洁能源已经成为全世界关注的重点。由于太阳能资源蕴藏丰富、分布广泛，光伏发电成为解决现阶段能源问题的最有效手段之一。光伏发电所具备的清洁、安全、寿命长、维护小等诸多优点使其被公认为二十一世纪最重要、最具活力的新能源，发展光伏产业是各能源消耗大国解决能源危机、经济发展与环境保护之间矛盾的最佳途径之一。
[0003]目前随着新能源发电需求的日益增加及电力电子技术的不断发展，光伏发电朝着高效、高功率密度和中高压方向发展。多电平逆变器(MLIs)由于具有输出电能质量高，开关器件应力小以及系统功率密度高等优点已经在光伏发电中广泛应用。然而传统的基于中点钳位、级联H桥和飞跨电容型多电平逆变器需要大量的半导体器件以及直流电源，这导致电路结构较为复杂，增高了系统控制难度和成本。基于开关电容的多电平逆变器通过将电容元件与开关管组合，即可输出多电平，具有所需器件少，效率高和控制简单等优点。
[0004]然而，目前基于开关电容的多电平光伏逆变器存在漏电流较大、缺乏无功调节能力及中点电压无法平衡等问题。
[0005]针对上述问题，需进一步研究具有无功调节、漏电流抑制的开关电容型多电平拓扑和中点电压平衡控制策略。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于开关电容的共地型五电平单相光伏逆变器拓扑和中点电压平衡控制策略。所提拓扑具有良好的漏电流抑制和无功调节能力，同时开关电容电压无需额外的硬件电路即可实现电压自平衡。为了实现直流侧中点电压的自动平衡，提出了简单的中点电压平衡控制策略。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0008]第一方面，公开了一种基于开关电容的共地型五电平单相光伏逆变器拓扑，包括：
[0009]包括直流侧两个分裂电容C1和C2、五个开关管S1‑
S5、一个开关电容C3、一个二极管D1和一个网侧滤波器L
g
；
[0010]开关管S1，S2和S3构成半桥T型三电平电路，并与直流侧分裂电容相连；
[0011]开关管S4和S5的发射极与滤波器一端相连，集电极分别与开关电容的两端相连；
[0012]二极管D1的阳极与开关管S5集电极相连，阴极与电网负端相连。
[0013]进一步的，五个开关管均为带反并联二极管的开关管；
[0014]进一步的，所述开关管S1、S3、S4、S5为单向开关管，开关管S2为双向开关管；
[0015]进一步的，开关管S1、S2、S3、工作在高频状态，开关管S4、S5工作在基频状态；
[0016]进一步的，所述逆变器光伏负极与电网负端直接连接。
[0017]进一步的，除输出电压过零处外，在两个相邻状态之间切换时，只有两个开关管的开关状态发生改变。
[0018]进一步的，开关电容电压可以在一个工频周期内平衡，而无需任何额外的传感器和辅助电路。
[0019]第二方面，公开了一种基于开关电容的五电平无变压器单相光伏逆变器的中性点电压平衡控制方法；
[0020]采样中点电压平衡控制工作过程中的数据，中点电压平衡控制工作过程中的数据包括两个分裂电容的电压v
c1
以及v
c2
，并网电流i
g
；
[0021]对两个分裂电容的差值进行二倍频陷波，获取中点电压的平均值
[0022]获取并网电流的直流分量
[0023]将误差信号经过PI控制器，进而控制开关管S2的导通与关断；
[0024]最终，中点电压误差信号的表达式为：
[0025][0026]其中是中点平均误差电压，G
pi
(s)为PI控制器，由上式可知，当为正/负时，上式的右部为正/负，因此可以在有限时间内收敛到零，实现中点电压平衡。
[0027]本专利技术的有益效果是：提出了一种基于开关电容的五电平共地型单相光伏逆变器及其中点电压平衡控制方法，解决传统基于开关电容的多电平逆变器中漏电流的问题并实现了无功功率调节以及开关电容电压自平衡，同时又通过简单的控制策略，主动实现了中点电压的平衡；逆变器拓扑结构中仅包含五个开关管，三个电容以及一个网侧滤波器；其中只有三个开关管工作在高频状态下，并且除输出电压过零处外，在两个相邻状态之间切换时，只有两个开关管的开关状态发生改变，因此，系统具有较高的效率。
附图说明
[0028]图1为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器的拓扑结构示意图。
[0029]图2为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器的模态一的电流流通图，其中箭头表示电网电流和开关电容充电电流路径。
[0030]图3为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器的模态二的电流流通图，其中箭头表示电网电流和开关电容充电电流路径。
[0031]图4为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器的模态三的电流流通图，其中箭头分别表示电网电流和开关电容充电电流路径。
[0032]图5为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器的模态四的电流流通图，其中箭头表示电网电流和开关电容充电电流路径。
[0033]图6为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器的模态五的电流流通图，其中箭头表示电网电流和开关电容充电电流路径。
[0034]图7为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器的模态六的电流流通图，其中箭头表示电网电流和开关电容充电电流路径。
[0035]图8为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器的调制波形；
[0036]图9为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器的调制逻辑；
[0037]图10为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器的总体控制框图；
[0038]图11为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器的电网电压、电流，输出电压，电容C1和C2的电压仿真波形；
[0039]图12为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器的电网电压，输出电压、电流以及直流侧电压的实验波形图；
[0040]图13为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器当电网电流超前电网电压30
°
时的电网电压、电流，输出电压以及直流侧电压的实验波形图；
[0041]图14为本专利技术实施例的五电平单相光伏逆变器当电网电流滞后电网电压30
°
时的电网电压、电流，输出电压以及直流侧电压的实验波形图。
具体实施方式
[0042]下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。
[0043]如图1所示，基于开关电容的共地型五电平单相光伏逆变器拓扑结构，该逆变器包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于开关电容的共地型五电平单相光伏逆变器拓扑结构，其特征在于：包括直流侧两个分裂电容C1和C2、五个开关管S1‑
S5、一个开关电容C3、一个二极管D1和一个网侧滤波器L
g
，所述开关管S1，S2和S3构成半桥T型三电平电路，并与直流侧分裂电容相连，所述开关管S4和S5的发射极与滤波器一端相连，集电极分别与开关电容的两端相连，所述二极管D1的阳极与开关管S5集电极相连，阴极与电网负端相连。2.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的共地型五电平单相光伏逆变器拓扑结构，其特征在于：所述五个开关管S1‑
S5均为带反并联二极管的开关管。3.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的共地型五电平单相光伏逆变器拓扑结构，其特征在于：所述开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5为单向开关管，开关管S2为双向开关管。4.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的共地型五电平单相光伏逆变器拓扑结构，其特征在于：开关管S1、S2、S3工作在高频状态，开关管S4、S5工作在工频状态。5.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的共地型五电平单相光伏逆变器拓扑结构，其特征在于：逆变器光伏负极与电网负极直接相连。6.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭斌，张欣，马皓，李雨泽，葛小海，金思聪，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：