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专利名称：一种共地型五电平单相光伏逆变器及其控制方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210028118.X

专利申请（专利权）人：浙江大学
权利人地址：浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号

专利发明（设计）人：郭斌,张欣,马皓,李雨泽,葛小海,金思聪

专利摘要：本发明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。

主权利要求：
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Lg，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，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，其中S1的集电极与分裂电容C1的正极相连，S1的发射极与S2的一端集电极、S3的集电极、S4的集电极以及开关电容C3的正极相连，S2的另一端集电极与分裂电容C1的负极以及C2的正极相连，分裂电容C2的负极与S3的发射极和电网的负端相连，开关管S4的发射极与S5的集电极以及滤波器Lg一端相连，滤波器Lg另一端与电网正端相连，开关管S5的发射极与开关电容C3的负极以及二极管D1的阳极相连，二极管D1的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：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。
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：逆变器光伏负极与电网负极直接相连。
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：在一个工频周期内，无需额外的传感器和辅助电路，开关电容的电压实现自平衡。
6.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，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。
7.如权利要求1?6任一所述的基于开关电容的共地型五电平单相光伏逆变器拓扑结构的中点电压平衡控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：采样直流输入两个分裂电容C1和C2的电压vc1以及vc2，并网电流ig；
步骤2：对两个分裂电容C1和C2的电压作差后经过二倍频陷波器，获取中点电压误差的平均值步骤3：获取并网电流的直流分量
步骤4：将误差信号经过PI控制器后再乘以直流分量的符号函数，进而获得中点电压平衡控制的补偿部分，其表达式为：其中 分别为开关管S2的占空比和中点电压误差的变化量，Gpi(s)为PI控制器，sign()为符号函数；
步骤5：将获取的补偿部分叠加到开关管S2的稳态占空比中，实现中点电压的平衡控制。 说明书 : 一种共地型五电平单相光伏逆变器及其控制方法技术领域[0001] 本发明涉及电力电子技术领域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。背景技术[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。发明内容[0006] 为解决上述问题，本发明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，本发明的技术方案如下：[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Lg；[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vc1以及vc2，并网电流ig；[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][0023] 获取并网电流的直流分量[0024] 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；[0025] 最终，中点电压误差信号的表达式为：[0026][0027] 其中 是中点平均误差电压，Gpi(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。[0028] 本发明的有益效果是：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[0029] 图1为本发明实施例的五电平单相光伏逆变器的拓扑结构示意图。[0030] 图2为本发明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。[0031] 图3为本发明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。[0032] 图4为本发明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。[0033] 图5为本发明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。[0034] 图6为本发明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。[0035] 图7为本发明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。[0036] 图8为本发明实施例的五电平单相光伏逆变器的调制波形；[0037] 图9为本发明实施例的五电平单相光伏逆变器的调制逻辑；[0038] 图10为本发明实施例的五电平单相光伏逆变器的总体控制框图；[0039] 图11为本发明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；[0040] 图12为本发明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；[0041] 图13为本发明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；[0042] 图14为本发明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[0043] 下面结合附图和实施例，对本发明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发明，但不用来限制本发明的范围。[0044] 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。其中S1的集电极与分裂电容C1的正极相连，S1的发射极与S2的一端集电极、S3的集电极、S4的集电极以及开关电容C3的正极相连，S2的另一端集电极与分裂电容C1的负极以及C2的正极相连，分裂电容C2的负极与S3的发射极和电网的负端相连，开关管S4的发射极与S5的集电极以及滤波器Lg一端相连，滤波器Lg另一端与电网正端相连，开关管S5的发射极与开关电容C3的负极以及二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极与电网负端相连。[0045] 开关管S1、S3和双向开关管S2工作在高频状态，开关管S4、S5工作在基频状态；由于光伏负极与电网负端直接相连，光伏面板寄生电容被直接旁路掉，漏电流理论上为零；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。[0046] 五电平单相光伏逆变器的工作模态如下：[0047] 模态一：[0048] 如图2所示，第一种工作模态下端口输出电压为vdc，此时开关管S1、S4导通，开关管S2、S3、S5关断，正半周电流的流向为：S1→S4→电网→C2→C1→S1，负半周电流的流向为：S1→C1→C2→电网→S4→S1，或C3→D1→电网→S4→C3，此时开关电容处于充电状态。[0049] 模态二：[0050] 如图3所示，第二种工作模态下端口输出电压为vdc/2，此时开关管S2以及S4导通，开关管S1、S3、S5关断，正半周电流的流向为：S4→电网→C2→S2→S4，负半周电流的流向为：S2→C2→电网→S4→S2，此时开关电容电压不变。[0051] 模态三：[0052] 如图4所示，第三种工作模态下端口输出电压为0，此时开关管S3、S4导通，开关管S1、S2、S5关断，正半周电流的流向为：S4→电网→S3→S4，负半周电流的流向为：S3→电网→S4→S3，此时开关电容电压不变。[0053] 模态四：[0054] 如图5所示，第四种工作模态下端口输出电压为0，此时开关管S1、S5导通，开关管S2、S3、S4关断，正半周电流的流向为：S5→D1→电网→S5，负半周电流的流向为：S1→C1→C2→电网→S5→C3→S1，此时开关电容处于充电状态。[0055] 模态五：[0056] 如图6所示，第五种工作模态下端口输出电压为?vdc/2，此时开关管S2、S5导通，开关管S1、S3、S4关断，正半周电流的流向为：S2→C2→电网→S5→C3→S2，负半周电流的流向为：C2→S2→C3→S5→电网→C2，此时开关电容处于放电状态。[0057] 模态六：[0058] 如图7所示，第六种工作模态下端口输出电压为?vdc，此时开关管S3、S5导通，开关管S1、S2、S4关断，正半周电流的流向为：S3→电网→S5→C3→S3，负半周电流的流向为：S3→C3→S5→电网→S3，此时开关电容处于放电状态。[0059] 基于开关电容的共地型五电平单相光伏逆变器的工作模态汇总如表1所示。[0060] 表1：五电平逆变器的工作模态[0061][0062] 如图8所示，两个载波信号vcr1和vcr2以及调制波信号|vref|用于产生信号控制开关管的导通与关断。[0063] 如图9所示，开关管的切换函数为：[0064][0065] 其中，vcom1与vcom2分别代表两个载波，“×”和“+”分别代表逻辑与及逻辑或，N代表调制波在负半周，即调制波在负半周时N＝1。[0066] 如图10所示，控制单元包括电压外环和电流内环，在电压环中，采用传统的PI控制器来调节直流电压，其中电压基准由最大功率点跟踪算法生成。在电流环中，参考输出电流幅值由电压环产生，其相位信息由锁相环(PLL)获得。为了实现电网电流的零稳态误差跟踪和快速动态响应，在电流环中采用比例积分谐振(PIR)控制器。[0067] 为了保证中点电压为零，加入了中点电压平平衡控制。[0068] 根据图1可以得出，中点电压表达式为：[0069] 中点电压的平均信号表达式为：[0070][0071] 其中 与 是C1、C2的平均电压， 是中点平均电压， 为S2的占空比， 为电网平均电流。[0072] 由(3)可知，理想情况下，占空比d2和电网电流ig在正负半周内是对称的，没有直流偏置。因此，中点电压可以自然平衡。但在实际应用中，应考虑到功率模块的参数不匹配、功率模块的差异和驱动脉冲的不对称等因素。[0073] 假设在中点存在小信号扰动：[0074][0075] 其中 和 是中点电压以及S2的占空比的小信号扰动，为了平衡中点电压，占空比可以构造为：[0076][0077] 其中Gpi(s)为PI控制器，此时中点电压可以表示为：[0078][0079] 由(5)可知，当 为正/负时，(5)的右部为正/负，因此 可以在有限时间内收敛到零。[0080] 如图11所示，可以看出，采用中点电压平衡控制策略后，中点平均电压误差很快收敛到零，验证了中点电压平衡控制策略的有效性。[0081] 如图12所示，采用提出的基于开关电容的无变压器五电平单相光伏逆变器及其调制与控制方法，可以稳定输出高质量的电压与电流，THD为3.7％，低于IEEE标准5％的限值。[0082] 如图13、14所示当电网电流超前或滞后电网电压时，并网电流的THD较低，证明提出的五电平单相光伏逆变器具有无功调节能力。[0083] 最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：浙江

专利申请日期：2022-01-11

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN114499260B