[发明专利]一种开关电容实现无变压器型逆变器及应用

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术直流-交流变换器领域，具体说，涉及一种无变压器型逆变器及其在光伏并网发电系统中的应用。

背景技术

近年来，能源的短缺和环境的污染已经成为世界的焦点，可再生能源的发展和应用受到世界各国的广泛关注。太阳能清洁、广泛并且储量巨大，是较为理想的可再生能源之一。

光伏并网发电是利用太阳能的重要形式之一。光伏电池产生的直流电经逆变器转换成交流电后输送给电网。根据逆变器中变压器的配置不同，可将其分为带工频变压器型、带高频变压器型和无变压器型。工频变压器体积庞大，成本高，安装不方便。高频变压器尽管体积和重量大大减小，但往往需要增加一级功率变换器，导致系统复杂度提高，效率降低。无变压器型逆变器由于其系统结构简单，效率高，体积小，成本低等优点，在世界范围内得到了快速的发展。

然而，在无变压器型光伏并网发电系统中，光伏电池与大地之间存在不可避免的寄生电容，可能导致对地漏电流出现。对地漏电流将降低电能质量，并可能引起电磁兼容和安全问题，因此需要得到抑制。

当前，一般采用双极性调制的全桥逆变器和半桥逆变器来解决共模电流问题。但是这两种解决方案各有其不足之处。双极性调制的全桥逆变器输出电压为两电平，需要较大的输出滤波电感以抑制开关纹波，从而增加了系统的体积、成本和损耗。半桥电路要求其直流侧输入电压的大小是全桥逆变器的两倍，相应增加了前级直流输入源串联的数量或者提高了前级DC/DC升压电路的升压比例以及设计难度。

发明内容

本发明提供一种结构简单、能够有效抑制无变压器型光伏并网系统中的对地漏电流、需要的直流输入电压与全桥逆变器相同并且支持三电平输出的开关电容实现无变压器型逆变器以及该开关电容实现无变压器型逆变器在光伏并网发电系统中的应用。

一种开关电容实现无变压器型逆变器，其内部电路包括：第一电容，第二电容，第一功率开关，第二功率开关，第三功率开关，第四功率开关，第五功率开关和滤波器；第一电容的第一端与第一功率开关的的漏极相连，第一功率开关的的源极与第二功率开关的漏极、第二电容的第一端和第四功率开关的漏极相连，第二功率开关的源极与第一电容的第二端和第三功率开关的漏极相连，第三功率开关的源极与第二电容的第二端和第五功率开关的源极相连，第五功率开关的漏极与第四功率开关的源极相连，第五功率开关的漏极与滤波器的第一输入端相连，第一电容的第二端与滤波器的第二输入端相连。

所述的滤波器为电感型滤波器、电感-电容型滤波器或电感-电容-电感型滤波器。

所述功率开关由独立功率晶体管和独立二极管反并联后构成，或由其内部自带反并二极管的功率晶体管构成。

所述的功率晶体管为功率金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管或其他全控型功率半导体器件。

本发明的开关电容实现无变压器型逆变器具有两种调制方式：单极性脉冲宽度调制和倍频式脉冲宽度调制。

采用单极性脉冲宽度调制方式时，当工频(例如50Hz)调制波处于正半周期时，第一功率开关和第三功率开关导通，第二功率开关关断，第四功率开关和第五功率开关做互补的高频开关动作；当工频调制波处于负半周期时，第四功率开关关断，第五功率开关导通，第一功率开关和第三功率开关做同步的高频开关动作，第一功率开关和第二功率开关做互补的高频开关动作。

采用倍频式脉冲宽度调制方式时，第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关和第五功率开关均以高频周期进行开关动作，但第一功率开关、第二功率开关和第三功率开关的工频调制波与第四功率开关和第五功率开关的工频调制波相位相反。

不论采用上述任何一种调制方式，所有功率开关的控制信号都满足以下关系：第一功率开关和第三功率开关的控制信号时序相同，第一功率开关和第二功率开关的控制信号时序互补并有共同关断的死区时间，第四功率开关和第五功率开关的控制信号时序互补并有共同关断的死区时间。

所述的单极性脉冲宽度调制方式使逆变器能够输出三电平，从而减小滤波电感；所述的倍频式脉冲宽度调制方式可在所述的单极性脉冲宽度调制方式基础上在单个功率开关的工作频率不变的前提下将逆变器输出电压的等效开关频率提高一倍，从而使得输出电感进一步减小，进而降低成本，减小体积和重量并减少滤波电感上产生的铜损和磁损。

本发明的开关电容实现无变压器型逆变器可适用于独立型逆变器和并网型逆变器系统，并特别适合应用在光伏并网发电系统中。