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专利名称：一种基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111233357.0

专利申请（专利权）人：宜宾职业技术学院
权利人地址：四川省宜宾市翠屏区西郊新村74号

专利发明（设计）人：代云中

专利摘要：本发明公开了一种基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器，属于逆变器技术领域，该基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器包括RD缓冲直路、耦合电感线圈L、功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、功率开关管S5、滤波电容C1、高性能二极管D1、高性能二极管D2、光伏直流电源Udc、网侧对称滤波电路；该基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器同传统准Z源逆变器相比，不仅能有效抑制高频共模漏电流，无需安装大体积的隔离变压器，且只需要一颗磁芯和一只电容，可有效减少逆变器的重量和体积，降低逆变器的成本。

主权利要求：
1.一种基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器，其特征在于，该基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器包括RD缓冲直路、耦合电感线圈L、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、滤波电容C1、高性能二极管D1、高性能二极管D2、光伏直流电源Udc、网侧对称滤波电路；
所述耦合电感线圈L共设有两个，两个耦合电感线圈L异侧并接，其中一个耦合电感线圈L的同名端连接在所述光伏直流电源Udc正极，另一个耦合电感线圈L的异名端连接在光伏直流电源Udc负极，光伏直流电源Udc负极接地，与所述光伏直流电源Udc正极连接的耦合电感线圈L两端连接所述RD缓冲直路，该耦合电感线圈L的异名端与所述开关管S5的集电极连接，开关管S5的发射极与另一个所述耦合电感线圈L的同名端之间连接高性能二极管D1、所述开关管S1，所述高性能二极管D1、所述开关管S1之间通过桥臂中点A串接，高性能二极管D2阳极、开关管S2之间通过桥臂中点B串接，开关管S1、高性能二极管D1之间串接，高性能二极管D2、开关管S2之间串接，串接后的开关管S1、高性能二极管D1与串接后的所述高性能二极管D2、开关管S2并接；
所述高性能二极管D1负极与开关管S5的发射极连接，高性能二极管D1正极连接至所述开关管S1的集电极，开关管S1的发射极连接至耦合电感线圈L的同名端；
所述高性能二极管D2负极与开关管S5的发射极连接，高性能二极管D2正极连接至所述开关管S2的集电极，开关管S1的发射极连接至耦合电感线圈L的同名端；
所述RD缓冲直路包括电阻Rd和二极管D3，电阻Rd一端连接在所述耦合电感线圈L的异名端，电阻Rd另一端连接在二极管D3的正极，二极管D3的负极连接在所述耦合电感线圈L的同名端；
所述网侧对称滤波电路包括电网电压ug、滤波电感L3、滤波电感L4、开关管S3、开关管S4，所述电网电压ug负极接地，正极连接滤波电感L3，滤波电感L3另一端连接至开关管S3发射极和所述中点A，电网电压ug负极还与滤波电感L4连接，滤波电感L4另一端连接至开关管S4发射极和所述中点B，电网电压ug所提供的电流为电网电流ig；
两个所述耦合电感线圈L之间同侧串接所述滤波电容C1；
两个所述耦合电感线圈L绕在同一颗磁芯上，两个耦合电感线圈L的同名端的异侧；
采用该逆变器电路工作时的工作模态I为：开关管S2、开关管S3、开关管S5导通，开关管S1、开关管S4关断，其中所述电网电压ug所提供的电网电流ig＞0；
采用该逆变器电路工作时的工作模态II为：开关管S3、高性能二极管D2导通，高性能二极管D1，开关管S1、开关管S2、开关管S4、开关管S5关断，其中所述电网电压ug所提供的电网电流ig＞0；
采用该逆变器电路工作时的工作模态III为：开关管S1、开关管S4、开关管S5导通，高性能二极管D1、高性能二极管D2、开关管S2、开关管S3关断，其中所述电网电压ug所提供的电网电流ig＜0；
采用该逆变器电路工作时的工作模态IV为：开关管S4、高性能二极管D1导通，开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S5关断，其中所述电网电压ug所提供的电网电流ig＜0。 说明书 : 一种基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器技术领域[0001] 本发明属于逆变器技术领域，尤其涉及一种基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器。背景技术[0002] 并网逆变器(Grid?connectedInverter，GCI)作为光伏发电设备的核心电力变换装置，要求GCI具有较高电能质量和可靠性。非隔离型光伏并网逆变器(non?isolatedphotovoltaicgrid?connectedinverter，NPGCI)具有体积小、成本低和效率高等优点。但由于NPGCI光伏直流侧与交流侧无隔离变压器，直流侧与地之间又存在寄生电容，当寄生电容、直流输入电压和交流电网电压构成回路时，共模电压作用于寄生电容上将产生共模漏电流。德国VDE?0126?1?1标准规定当GCI的漏电流大于300mA时，GCI须在0.3s内与电网断开。因此漏电流的抑制是GCI必须解决的关键问题之一。[0003] 传统桥式GCI需要为同桥臂的开关管设置死区时间以避免发生桥臂直通，但死区的引入会增大并网电流的谐波，降低其电能质量。提出一种准Z源桥式并网逆变器如图2所示，该逆变器在输入电源与逆变桥之间添加了特有的阻抗网络打破了传统桥式并网逆变器的工作模式，从而存在允许上下桥臂同时导通的直通状态。[0004] 同DC?DC升压变换器与双降压式逆变器相比，在准Z源逆变桥中合理的插入直通矢量，准Z源逆变器网络可以有效提升直流母线电压，进而提高直流电压的利用率。与传统两级式逆变器拓扑相比，准Z源桥式逆变器可有效提高逆变器系统效率，增强可靠性，降低成本。但传统准Z源桥式并网逆变器共模电压高频变化，存在较大的共模漏电流，难以满足VDE?0126?1?1的标准。若要并入电网需加入隔离变压器，但又会增大逆变器系统的体积和成本，降低了系统的功率密度。此外桥式并网逆变器由于续流阶段要通过性能较差的开关管体二极管，造成逆变器不仅可靠性较差，且存在较大的反向恢复损耗。发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器，该基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器同传统准Z源逆变器相比，只需要一颗磁芯和一只电容，可有效减少逆变器的重量和体积，降低逆变器的成本。[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器，该基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器包括RD缓冲直路、耦合电感线圈L、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、滤波电容C1、高性能二极管D1、高性能二极管D2、光伏直流电源Udc、网侧对称滤波电路；[0007] 所述耦合电感线圈L共设有两个，两个耦合电感线圈L异侧并接，其中一个耦合电感线圈L的同名端连接在所述光伏直流电源Udc正极，另一个耦合电感线圈L的异名端连接在光伏直流电源Udc负极，光伏直流电源Udc负极接地，与所述光伏直流电源Udc正极连接的耦合电感线圈L两端连接所述RD缓冲直路，该耦合电感线圈L的异名端与所述开关管S5的集电极连接，开关管S5的发射极与另一个所述耦合电感线圈L的同名端之间连接所述开关管S1、高性能二极管D1、高性能二极管D2、开关管S2，开关管S1、高性能二极管D1之间串接，高性能二极管D2、开关管S2之间串接，开关管S1、高性能二极管D1之间串接后与所述网侧对称滤波电路和所述高性能二极管D2、开关管S2串接后，三者并接；[0008] 所述高性能二极管D1负极与开关管S5的发射极连接，高性能二极管D1正极连接至所述开关管S1的集电极，开关管S1的发射极连接至耦合电感线圈L的同名端；[0009] 所述高性能二极管D2负极与开关管S5的发射极连接，高性能二极管D2正极连接至所述开关管S2的集电极，开关管S1的发射极连接至耦合电感线圈L的同名端。[0010] 优选的，所述RD缓冲直路包括电阻Rd和二极管D3，电阻Rd一端连接在所述耦合电感线圈L的异名端，电阻Rd另一端连接在二极管D3的正极，二极管D3的负极连接在所述耦合电感线圈L的同名端。[0011] 优选的，所述网侧对称滤波电路包括电网电压ug、滤波电感L3、滤波电感L4、开关管S3、开关管S4，所述电网电压ug负极接地，正极连接滤波电感L3，滤波电感L3另一端连接至开关管S3发射极，电网电压ug负极还与滤波电感L4连接，滤波电感L4另一端连接至开关管S4发射极，开关管S3、开关管S4形成并接，电网电压ug所提供的电流为电网电流ig。[0012] 优选的，两个所述耦合电感线圈L之间同侧串接所述滤波电容C1。[0013] 优选的，两个所述耦合电感线圈L绕在同一颗磁芯上，两个耦合电感线圈L的同名端的异侧。[0014] 优选的，所述模态I等效电路图为：开关管S2、开关管S3、开关管S5导通，开关管S1、开关管S4关断，其中所述电网电压ug所提供的电网电流ig＞0。[0015] 优选的，所述模态II等效电路图为：开关管S3、高性能二极管D2导通，高性能二极管D1，开关管S1、开关管S2、开关管S4、开关管S5关断，其中所述电网电压ug所提供的电网电流ig＞0。[0016] 优选的，所述模态III等效电路图为：开关管S1、开关管S4、开关管S5导通，高性能二极管D1、高性能二极管D2、开关管S2、开关管S3关断，其中所述电网电压ug所提供的电网电流ig＜0。[0017] 优选的，所述模态IV等效电路图为：开关管S4、高性能二极管D1导通，开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S5关断，其中所述电网电压ug所提供的电网电流ig＜0。[0018] 本发明的有益效果是：[0019] 1、电阻Rd和二极管D3构成RD缓冲直路，电阻Rd有助于Z源网络能量的快速耗散，从而降低阻抗网络中各器件的热应力。[0020] 2、将两组耦合电感线圈绕在同一颗磁芯上，相比原设计不仅可以省去一颗磁芯，还可以通过正确的线圈绕向使两组线圈形成的磁场相互增强，从而增加电感的有效感量。[0021] 3、同DC?DC升压变换器与双降压式逆变器相比，基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器可有效的提升直流母线电压，提高直流电压的利用率。[0022] 4、与桥式并网逆变器相比，基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器无需设置死区时间，并网电流低频谐波分量较少，因此具有较高的电能质量。[0023] 5、新型USPWM调制策略使开关管处于半周期工作模式，降低了开关损耗；且续流回路电网电流不经过性能较差的开关管体二极管。因此，基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器不仅允许桥臂直通，还具有较高的效率和可靠性。[0024] 6、基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器在工频周期内具有相同的共模电压，且共模电压只含有直流和低频分量，基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器可有效抑制高频共模漏电流，当接入电网时无需安装体积较大的隔离变压器，因此基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器具有较低的成本和较高的功率密度。附图说明[0025] 图1是本发明提供的一种基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器的电路连接示意图；[0026] 图2是本发明实施例中的采用的半周期调制及其驱动波形。[0027] 图3是本发明实施例中基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器四种工作模态的等效电路图；[0028] 图4是本发明实施例中利用基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器构成的系统电路图；[0029] 图5是本发明实施例中的ig和ug的仿真波形图；[0030] 图6是本发明实施例中的ig及其FFT分析图；[0031] 图7是本发明实施例中的共模电压VNG的仿真波形图；[0032] 图8是本发明实施例中的共模漏电流itcm的仿真波图；具体实施方式[0033] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。[0034] 请同时参考图1至图8，下面将结合附图对本发明实施例的基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器作详细说明。[0035] 该基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器的电路连接图如图1所示，包括RD缓冲直路、耦合电感线圈L、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、滤波电容C1、高性能二极管D1、高性能二极管D2、光伏直流电源Udc、网侧对称滤波电路；[0036] 所述耦合电感线圈L共设有两个，两个耦合电感线圈L异侧并接，其中一个耦合电感线圈L的同名端连接在所述光伏直流电源Udc正极，另一个耦合电感线圈L的异名端连接在光伏直流电源Udc负极，光伏直流电源Udc负极接地，与所述光伏直流电源Udc正极连接的耦合电感线圈L两端连接所述RD缓冲直路，该耦合电感线圈L的异名端与所述开关管S5的集电极连接，开关管S5的发射极与另一个所述耦合电感线圈L的同名端之间连接所述开关管S1、高性能二极管D1、高性能二极管D2、开关管S2，开关管S1、高性能二极管D1之间串接，高性能二极管D2、开关管S2之间串接，开关管S1、高性能二极管D1之间串接后与所述网侧对称滤波电路和所述高性能二极管D2、开关管S2串接后，三者并接；[0037] 所述高性能二极管D1负极与开关管S5的发射极连接，高性能二极管D1正极连接至所述开关管S1的集电极，开关管S1的发射极连接至耦合电感线圈L的同名端；[0038] 所述高性能二极管D2负极与开关管S5的发射极连接，高性能二极管D2正极连接至所述开关管S2的集电极，开关管S1的发射极连接至耦合电感线圈L的同名端。[0039] 具体的，RD缓冲直路包括电阻Rd和二极管D3，电阻Rd一端连接在所述耦合电感线圈L的异名端，电阻Rd另一端连接在二极管D3的正极，二极管D3的负极连接在所述耦合电感线圈L的同名端。[0040] 具体的，网侧对称滤波电路包括电网电压ug、滤波电感L3、滤波电感L4、开关管S3、开关管S4，所述电网电压ug负极接地，正极连接滤波电感L3，滤波电感L3另一端连接至开关管S3发射极，电网电压ug负极还与滤波电感L4连接，滤波电感L4另一端连接至开关管S4发射极，开关管S3、开关管S4形成并接，电网电压ug所提供的电流为电网电流ig。[0041] 具体的，两个所述耦合电感线圈L之间同侧串接所述滤波电容C1。[0042] 具体的，两个所述耦合电感线圈L绕在同一颗磁芯上，两个耦合电感线圈L的同名端的异侧。[0043] 该基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器的半周期调制策略和开关管S1～S5驱动波形如图2所示。其中，ur为单极性三角载波，uc为调制波。S1、S4工作在正半周期；S2、S3工作在负半周期。S5在工频周期内高频开关，在正半周期S2＝S5；在负半周期S1＝S5。采用半周期调制可减小器件的开关损耗，提高逆变器效率。[0044] 设ig从A点流向G点时为正。根据ig的方向和图2中S1～S5的开关情况可分为以下四种模态，其等效电路如图3(a)～(d)所示：[0045] 模态Ⅰ：具体地，模态I为：开关管S2、开关管S3、开关管S5导通，开关管S1、开关管S4关断，其中所述电网电压ug所提供的电网电流ig＞0，其等效电路如图3(a)所示。从图3(a)可以看出，此时D1，D2承受反压关断；Udc、L、S5、S3、L3、ug、L4和S2构成正向充电闭合回路，ig正向增加；D3承受反向电压关断。进一步地，根据图3(a)和基尔霍夫电压定律可得[0046][0047][0048] 式(1?1)和式(1?2)中VNG为分布电容CG两端电压即有效共模电压；ωSW＝2πfg，Ig为ig的有效值。[0049] 当令L3＝L4＝L1时，根据式(1?1)和式(1?2)可得，基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器工作模态I的分布电容CG两端电压即共模电压VNG为：[0050][0051] 模态Ⅱ：具体的，模态II为：开关管S3、高性能二极管D2导通，高性能二极管D1，开关管S1、开关管S2、开关管S4、开关管S5关断，其中所述电网电压ug所提供的电网电流ig＞0，其等效电路如图3(b)所示。Rd，D3，L构成正向Z源网络续流回路，快速耗散Z源网络能量；L3、ug、L4、D2和S3构成正向放电续流回路，ig正向减小。该续流通路不通过性能较差的体二极管，减小了反向恢复损耗，可提高逆变器效率和可靠性。从图3(b)可知，当S5、S3与S2为相同类型的开关管时，S5、S3与S2的电压应力相同，即[0052][0053] 式(1?4)中，Vs5、Vs3和Vs2分别为开关管S5、S3与S2两端电压。根据图3(b)和基尔霍夫电压定律可得[0054][0055] 联立(1?4)式和(1?5)式可得：[0056][0057] 进一步地，根据3(b)和基尔霍夫电压定律可得：[0058][0059][0060] 同理当令L3＝L4＝L1时，根据式(1?6)、式(1?7)和式(1?8)可得，基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器模态II的共模电压VNG：[0061][0062] 模态Ⅲ：具体的，模态III为：开关管S1、开关管S4、开关管S5导通，高性能二极管D1、高性能二极管D2、开关管S2、开关管S3关断，其中所述电网电压ug所提供的电网电流ig＜0，其等效电路如图3(c)所示。从图3(c)可以看出，Udc、S5、S4、L4、ug、L3、S1及L构成反向充电闭合回路，ig负向增加；D3承受反向电压关断。进一步地，从图3(c)可以看出，基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器模态III的共模电压VNG：[0063][0064][0065] 同理当令L3＝L4＝L1时，根据式(1?10)和式(1?11)可得，基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器模态III的共模电压VNG：[0066][0067] 模态Ⅳ：具体的，模态IV为：开关管S4、高性能二极管D1导通，开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S5关断，其中所述电网电压ug所提供的电网电流ig＜0，其等效电路如图3(d)所示。从图3(d)中可以看出，S4、D4、ug、Lg、L1和D1构成反向放电续流回路；Rd，D3，L构成负向Z源网络续流回路，快速耗散Z源网络能量；ig负向减小。进一步，根据基尔霍夫电压定律可得：[0068][0069][0070] 同理，当令L3＝L4＝L1时，根据式(1?13)和式(1?14)可得，基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器模态IV的共模电压VNG为：[0071][0072] 基于上述实施例，从上述分析可得，基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器的工作模态与共模电压VNG如下表所示：[0073] 表1工作模态与共模电压VNG[0074][0075] 由上表可知，当令L3＝L4＝L1时，模态I、II、III、IV的共模电压VNG相同，为：[0076][0077] 实施例[0078] 采用本发明的基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器系统，利用直接电流控制，如图4所示。锁相电路获取ug的相位角θ，通过执行DSP程序查询对应正弦表数据sinθ，ig的参考信号则为iref＝Iref×sinθ。ig与iref比较后的偏差值，通过PI调节器得到调制信号uc，即可实现ug与ig的同相位。基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器的电路仿真参数如表2所示。[0079] 表2电路仿真参数[0080][0081] 利用上述的电路仿真参数，可得出ug与ig的波形图，如图5所示，ug与ig保持同相位，说明本发明提出的基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器具有高的功率因数。[0082] 针对于ig及其FFT分析波形，如图6所示，ig为正弦波形，且波形畸变较。苄巢ɑ渎蔜HD为2.67％。由于基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器电路仿真中无需设置死区时间，图中示出，谐波主要在集中在开关频率10kHZ附近，低频谐波分量少，因此本发明提出的基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器具有高的并网电能质量。[0083] 对于有效共模电压VNG的波形，如图7所示，共模电压VNG只含有工频和直流分量，不含高频分量，验证了对基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器共模电压分析的正确性。[0084] 对于共模漏电流itcm波形，如图8所示，本发明提供的基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器在一个工频周期内峰值约为52mA，满足VDE?0126?1?1标准对并网逆变器漏电流的规定。由此，验证了基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器拓扑设计及其共模漏电流分析的正确性[0085] 从上述分析可以看出，在工频周期内，基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器四种工作模态的共模电压VNG相同，只含直流分量和低频分量，不含高频分量。[0086] 由上述可知本发明同传统准Z源逆变器相比，只需要一颗磁芯和一只电容，可有效减少逆变器的重量和体积，降低逆变器的成本；且基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器在工频周期内具有相同的共模电压，且共模电压只含有直流和低频分量，基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器可有效抑制高频共模漏电流，当接入电网时无需安装体积较大的隔离变压器，因此基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器具有较低的成本和较高的功率密度。[0087] 本专利提出的基于耦合电感线圈的无变压器型Z源并网逆变器将两组耦合电感线圈绕在同一颗磁芯上，相比传统准Z源逆变器不仅可以省去一颗磁芯，还可以通过正确的线圈绕向使两组线圈形成的磁场相互增强，从而增加电感的有效感量。当两组线圈匝数相同且和原设计保持一致时，忽略漏感影响，磁耦合后的线圈感量将增加一倍。若保持耦合后的电感与原设计感量相同，则线圈匝数可减少30％。在采用空心耦合电感线圈条件下，通过磁耦合能减少约25％的电感重量。采用磁芯电感将可以减少更多的重量，因为还可省去一颗磁芯。[0088] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

专利地区：四川

专利申请日期：2021-10-22

专利公开日期：2024-09-24

专利公告号：2024-09-24