logo资料库

一种低漏电流高效率逆变器新型拓扑结构.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.87M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共6页
第2页 / 共6页
第3页 / 共6页
第4页 / 共6页
第5页 / 共6页
第6页 / 共6页
资料共6页，全文预览结束
    第35卷第6期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2016年6月 Vol.35 No.6 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Jun. 2016 收稿日期：2015-05-24 作者简介：赵乃卓（1970-），女，辽宁 阜新人，硕士，副教授，主要从事智能控制理论与应用、计算机测控技术与应用等方面的研究. 本文编校：朱艳华 辽宁工程技术大学（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 赵乃卓,王一钦.一种低漏电流高效率逆变器新型拓扑结构[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2016,35(6):646-651. doi:10.11956/j.issn.1008-0562.2016.06.017 ZHAO Naizhuo, WANG Yiqin.A research on low leakage current and high efficiency inverter topology[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2016,35(6):646-651. doi:10.11956/j.issn.1008-0562.2016.06.017 一种低漏电流高效率逆变器新型拓扑结构 赵乃卓，王一钦 （辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛 125105） 摘 要：针对单相光伏并网逆变器发电系统在无变压器结构时存在漏电流的问题，采用理论推导和仿真验证的方法，提出一种新型的高效率、低漏电流的中点钳位逆变器拓扑结构.所提出的拓扑结构包含直流侧分裂电容稳压单元和NPC拓扑钳位逆变单元两部分.通过将这两个单元的正确组合，能将A、B两点始终钳位在Udc而不发生波动，因而可以减小共模电压的波动，降低漏电流.研究结果表明：此种结构能有效减少共模电压的波动，降低漏电流含量. 关键词：NPC结构；单相光伏；不隔离逆变器；漏电流；高效率 中图分类号：TM 46     文献标志码：A 文章编号：1008-0562(2016)06-0646-06 A low leakage current and high efficiency inverter topology ZHAO Naizhuo, WANG Yiqin (Department of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, China) Abstract: For the demand of single-phase photovoltaic grid-connected inverter generator system to the leakage current of grid-connected inverter without transformer structure, a new high efficiency and low leakage current neutral point clamped inverter topology was presented by theoretical analysis and simulation methods. This new topology consists of two parts which are DC side split capacitor stabilized voltage unit and NPC topology clamped inverter unit. The right combination of these two units can make points A and B clamped at Udc without fluctuation and thus can reduce the leakage current and the fluctuation of common mode voltage. The results show that the fluctuations of the common mode voltage and the content of leakage current are reduced through this structure. This study effectively solved the problem of leakage current of the traditional structure. Key words: NPC topology; single-phase photovoltaic; non-isolated inverter; leakage current; high efficiency 0 引言 低漏电流是无变压器结构的单相光伏并网逆变器研究和设计所追求的优势性能之一.同时，高效率对并网逆变器减少收回投资资金周期，加快经济增长效益有着至关重要的作用[1-2].针对目前微电网系统中的并网逆变器，文献[3]～文献[5]所提出的单级式架构系统和两级式不隔离架构系统能够在很大程度上提高系统的整体效率，但是在缺少有效的电气隔离之后，在漏电流、共模电压和直流分量等问题上带来新问题.共模漏电流所带来的辐射和传导干扰，使电网中的电流谐波有所增加，对用电设备和用户安全带来威胁[6].因而，具有高效率、低漏电流的隔离型单向光伏并网逆变器成为光伏领域的研究热点之一. 半桥结构的并网逆变器决定了其具有低进网电流直流分量和低漏电流的特性[7-8]，但是具有较低直流侧电压利用率.全桥逆变器若采用双极性调制的控制方法，其具有低漏电流的良好性能，但是滤波电感中的电流纹波大，开关管的损耗大，因而各国学者在控制方法和拓扑结构上进行了大量研究.中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    第6期 赵乃卓，等：一种低漏电流高效率逆变器新型拓扑结构 辽宁工程技术大学（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 647其控制思想均是在单极性控制方法的基础上进行改进，通过增加开关管使续流阶段电网与逆变器前级脱离，在目前所提出的新型逆变拓扑中，存在专利封锁的H5拓扑和Heric拓扑最具代表性. 由全桥逆变电路的高频共模特性等效的数学模型可知，若要完全消除共模漏电流，光伏板简单的与电网脱离是远远不够的，而是需要在续流阶段将续流回路电位钳位在一个固定值[9-10].上述所提出的两种典型拓扑所需开关器件少，但是系统漏电流的大小主要受到电网电压大小和LC滤波器寄生参数的影响[10]，因而具有不确定性.文献[11]所提出的新型拓扑虽然能在续流阶段将电网和太阳能板分离，但是在续流阶段仅依靠开关管的结电容实现续流回路电位的恒定，不具足够的说服力.文献[12]所提的中点钳位电路的钳位效果受到直流侧分裂电容本身参数性能的影响，因而加大了控制器的控制难度.因而本文提出一种新型拓扑，用以改善中点钳位电路的不足，实现真正意义上的低漏电流效果. 1 拓扑结构及实现原理 1.1 电路组成 改进的中点钳位电路主要由两部分组成，见图1（a）. 图1（a）中，A部分为直流侧分裂电容稳压电路，B部分为NPC拓扑钳位电路；Cdc1为直流侧稳压电容；Cdc2、Cdc3为直流侧分裂电容；Sd1、Sd2为大功率三极管；Dd1、Dd2为钳位二极管；Sp1-Sp3为中点钳位正单元开关管；Sn1-Sn3为中点钳位负单元开关管；S7、S8为开关管；L1、L2为滤波电感；Cout为滤波电容.对应的驱动波形见为图1（b）. 图1（b）中，uk1、uk2为A部分大功率三极管K1、K2的驱动信号（电路见图2）；ur为逆变器的调制波；us1～us8分别为B部分开关管S1～S8的驱动信号（电路见图3）；uk1、uk2为以固定开关频率和固定占空比动作的；us1、us3、us4、us6为以固定开关频率和占空比按正弦波规律变化动作的.       t （a）主电路拓扑 （b）驱动波形 图1 改进的中点钳位电路及驱动波形 Fig.1 schematic of drive signals and improved neutral point clamp circuit topology 1.2 原理分析 本文提出的改进的中点钳位电路主要由图1（a）中A和B两部分组成，其中A部分主要实现直流侧分裂电容的稳压功能，B部分主要实现逆变功能，通过将A部分和B部分组合，就能实现消除漏电流，提高逆变器效率的功能. 图2表示A部分分裂电容的稳压过程，其中K1、K2两个开关管互补导通（需要死区控制），分别向分裂电容Cdc2和Cdc3充电，Dd1和Dd2将分裂电容电压钳位至输入电压Udc，分析可知，此部分主要有2个工作模态： 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第35卷 辽宁工程技术大学（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 648 （1）模态1 此模态为电容Cdc3稳压模态，当K1导通时，电容Cdc1向Cdc3充电，由于钳位二极管Dd2的存在，电容Cdc3和Cdc1上的电压严格相等，即UCdc3=UCdc1=Udc； （2）模态2 此模态为电容Cdc2稳压模态，当K2导通时，电容Cdc1向Cdc2充电，由于钳位二极管Dd1的存在，电容Cdc2和Cdc1上的电压严格相等，即UCdc2=UCdc1=Udc，因而可得Cdc3=Cdc2=Udc. BP 图2 分裂电容稳压原理 Fig.2 principle of capacitive division voltage 通过对上述2个模态进行分析可知，由于K1、K2两个开关管以很高的频率进行切换，因而电容Cdc1会以很高的频率分别向分裂电容Cdc2和Cdc3充电，所以只需使Udc的电压恒定就可以使分裂电容电压恒定，因而可以减小分裂电容的容值.并且此电路可以使得直流母线电压泵生到2Udc，因而可以降低直流侧Udc电压，减少前级光伏板串联的数量，并且方便DC/DC电路的设计. 图3表示B部分逆变器的工作模式，UPAN、UPBN分别表示点PA对点N的电位差和点PB对点N的电位差，且UPAB=UPA-UPB.分析可知，此部分主要有4个工作模态： （1）模态1 此模态为功率传输模态，其中S1、S2、S5和S6导通，其余开关管断开，电流经过S1、S2、L1、ugrid、L2、S5和S6向电网传输能量.其中UPAN=2Udc，UPBN=0，因而UPAB=UPAN-UPBN=2Udc，共模电压Ucm=0.5(UPAN+UPBN)=Udc，见图3. （2）模态2 此模态为续流模态，其中S2和S5导通，其余开关管断开，电流经过S2、L1、ugrid、L2、S5和S7、S8的体二极管续流.由于S7和S8体二极管的钳位作用，使得UPAN=UPBN=Udc，因而UPAB=UPAN-UPBN=0，共模电压Ucm=0.5(UPAN+ UPBN)=Udc，见图3（b）. （3）模态3 此模态为功率传输模态，其中S3、S4、S7和S8导通，其余开关管断开，虽然开关管S7和S8导通，但是电流不会从其通过，而电流会经过S4、L2、ugrid、L1、S3向电网传输能量.其中UPAN=0，UPBN=2Udc，因而UPAB=UPAN-UPBN=-2Udc，共模电压Ucm=0.5(UPAN+UPBN)=Udc，见图3（c）. （4）模态4 此模态为续流模态，其中S7和S8导通，其余开关管断开，电流经过L2、ugrid、L1、S2体二极管、S7、S8、和S5体二极管续流.由于S7和S8的钳位作用，使得UPAN= UPBN=Udc，因而UPAB=UPAN-UPBN=0，共模电压Ucm=0.5(UPAN+UPBN)= Udc，见图3（d）.   中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    第6期 赵乃卓，等：一种低漏电流高效率逆变器新型拓扑结构 辽宁工程技术大学（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 649ABBP（c）电流负半周功率传输模态CoutDd1K1Cdc1K2UdcCdc2Cdc3S8S7S1S4S5S2PAS3S6NL2L1UgridDd2ABN（d）电流负半周续流模态S4S1S7Cdc2Dd1K1Cdc1K2Dd2UdcCdc3S8S3S2PAS5BPS6L2L1CoutUgrid 图3 低漏电流实现原理 Fig.3 principle of low leakage current 通过对上述4个模态进行分析可知，在分裂电容电压恒定的前提下，B部分拓扑结构在上述4个模态下工作时共模电压均相等（Ucm=Udc），完全符合消除漏电流的条件. 2中点钳位非隔离逆变器并网控制原理 传统并网逆变器的控制方法主要分为两类：一类为间接控制方法，比如说功角控制；另一类为直接控制方法，比如说滞环控制、电压电流双闭环控制和PR控制等[13-15].其中间接控制方法响应时间比较慢，因而不受各国学者的青睐；滞环控制方法简单、容易理解，但是开关管开关频率范围不宜确定，给滤波器的设计增加了很大的难度；电压电流双闭环控制的方法中，虽然采用电压外环来实现直流侧电压的稳定，但是电流内环采用P控制，不能有效的跟踪电流给定，不能消除电流误差；PR控制系统中，虽然在谐振点处（电网电压频率）增益为无穷大，但是倘若电网电压频率偏移，控制效果就会大打折扣.因而本文采用准谐振的控制方法，克服传统控制方法的不足，提高输出电流的质量，控制框图见图4. 图4 并网控制框图 Fig.4 control method of inverter 图4中，*dcU为并网逆变器直流侧电压参考值，Udc为直流电压反馈量，经过传统电压外环的PI控制后，与锁相环的输出相乘，就得到逆变器的电流参考值；在电流内环的设计中采用了准PR控制器，与传统P控制相比较，此种控制方法使逆变器输出电流在工频附近获得比较大的增益，降低了电网频率渐变带来的影响，同时带宽有所增加，增强了抗电网干扰能力. 控制系统中存在电压外环控制器GPI(S)和电流内环控制器GPR(S)，其传递函数为 1PIp()KGSKS=+； 'cPRp22c0()2KRsGSKssωωω=+++， 式中，Kp为PI控制器比例系数；K1为PI控制器积分系数；'pK为准PR控制器比例系数；KR为准PR控制器谐振系数；ωc为准PR控制器截止频率. 3 系统Matlab仿真验证和对比 为验证所提出的新型拓扑低漏电流的特性，本文对其进行了Matlab仿真分析，并且与无直流侧分裂电容稳压单元的的传统模型（简称传统模型）进行对比分析，控制方式均采用准PR控制. 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第35卷 辽宁工程技术大学（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 650 传统模型结构见图5，与新型拓扑相比，其结构主要在于无直流侧分裂电容稳压单元，其余电路结构均相同，由于电容参数的差异很难实现电容的均压，容易产生漏电流. 图5 传统模型结构 Fig.5 structure of traditional model 传统模型仿真结果见图6.图6（a）表示PA点电位，图6（b）表示PB点电位，图6（c）表示共模电压，图6（d）表示直流母线负端对交流电源地的共模电压，图6（e）表示共模电流. 图6 传统模型仿真结果 Fig.6 simulation results of traditional model 由图6（c）可知，共模电压在电网电压过零点附近是跳变的，而不是一直维持Udc（200 V）不变；同时由图6（d）可知，直流母线负端对交流电源地的共模电压同样在电网电压过零点附近出现跳变；由图6（e）可以看出共模电流在电网电压过零点附近峰值能达到2 A，但是由Simulink中RMS模块测出其有效值为25.386 mA，低于标准中30 mA的限制. 新型拓扑的仿真结果见图7，其中图7（a）～图7（e）分别与图6（a）～图6（e）相对应，但是从图7中可以清晰的看出，新型拓扑结构的共模电压波动远小于传统结构共模电压的波动，同时从图7（e）可以看出在电网电压过零点附近共模电流峰值接近1 A，但是由Simulink中RMS模块测出其有效值为10.324 mA，远低于标准中30 mA的限制. 图7 新型拓扑仿真结果 Fig.7 simulation results of new model 4 结论 （1）克服了因分裂电容参数不同引起漏电流增加这一弊端； （2）在很大程度上消除了共模电压中的高频分量，削减了逆变器中的漏电流； （3）由于此种结构前级DC 部分能将直流侧中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    第6期 赵乃卓，等：一种低漏电流高效率逆变器新型拓扑结构 辽宁工程技术大学（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 651电压泵生到输入电压的2倍，因而可以省略传统逆变器中前级DC/DC升压部分，降低前级DC部分损耗，提升整机逆变效率. 参考文献： [1] BLAABJERG F,CHEN Zhe,KJAER S B.Power electronics as efficient interface in dispersed power generationsystems[J].IEEE Trans.on Power Electronics,2004,19(5):1 184-1 194. [2] KJAER S B,PEDERSON J K,BLAABJERG F.A review of single phase grid connected inverters for photovoltaic modules[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2005,41(5):1 292-1 306. [3] YU W,LAI J S,QIAN H,et al.High-efficiency inverter with H6-type configuration for photovoltaic non-isolated ACmodule applications[C]// IEEE Applied Power Electronics Conference.IEEE,2010:1 971-1 977. [4] 张兴,孙龙林,许颇,等.单相非隔离型光伏并网系统中共模电流抑制的研究[J].太阳能学报,2009,30(9) :1 203-1 207. ZHANG Xing,SUN Longlin,XU Po,et al.Research on common-mode current reduction of nonisolated single-phase grid-connected photovoltaic systems[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2009,30(9): 1 203-1 207. [5] VICTOR M,GREIZER F,BREMICKER S,et al.Method of converting a direct current voltage from a source of direct current voltage,more specifically from a photovoltaic source of direct current voltage,into a alternating current voltage[P].United States:7411802.2008. [6] KEREKES T,TEODORESCU R,RODRIGUEZ P,et al.A new high-efficiency single-phase transformerless PV inverter topology[J]. IEEE Trans.on Industrial Electronics,2011,58(1):184-191. [7] 马琳,孙凯,Teodorescu R,等.高效率中点钳位光伏逆变器拓扑比较[J].电工技术学报,2011,26(2):108-114. MA Lin,SUN Kai.TEODORESCU R,et al.Comparison of the topologies of high efficiency neutral point clamping photovoltaic inverters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(2): 108-114. [8] 肖华锋,杨晨,谢少军.NPC三电平并网逆变器共模电流消除抑制技术研究[J].中国电机工程学报,2010,30(33):23-29. XIAO Huafeng,YANG Chen,XIE Shaojun.NPC three-level grid-connected inverter with leakage current suppression[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(33) :23-29. [9] GONZALEZ R,GUBIA E,LOPEZ J,et al.Transformerless single-phase multilevel-based photovoltaic inverter[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics,2008,55(7):2 694-2 702. [10] XIAO Huafeng,XIE Shaojun.Leakage current analytical model and application in single-phase transformerless photovoltaic grid connected inverter[J].IEEE Trans.on Electromagnetic Compatibility, 2010,52(4):902-913. [11] 嵇保健,王建华,赵剑锋.一种高效率 H6 结构不隔离单相光伏并网逆变器[J].中国电机工程学报,2012,32(18):9-15. JI Baojian,WANG Jianhua,ZHAO Jianfeng.A high efficiency non-isolated single-phase photovoltaic grid-connected inverter with H6-type configuration[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(18):9-15. [12] 张犁,孙凯,冯兰兰,等.中点钳位非隔离全桥光伏并网逆变器[J].中国电机工程学报,2012,32(18):16-22. ZHANG Li,SUN Kai,FENG Lanlan,et al.Neutral point clamped non-isolated full bridge PV grid-connected inverters[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(18):16-22. [13] 王晓军,徐鹏,段景春,等.基于单片机的晶闸管电子软启动器设计[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2010,29(3):447-450. WANG Xiaojun,XU Peng,DUAN Jingchun,et al.Design electronic soft starter of thyristor based on MCU[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2010,29(3):447-450. [14] 王晓军,孙倩,张凤龙,等.基于ATMega16L的矿用锚杆静态电阻应变仪设计[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2011,30(2): 288-291. WANG Xiaojun,SUN Qian,ZHANG Fenglong,et al.Design on static resistance strain gauge of mine roof bolt based on ATMega16L[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2011,30(2): 288-291. [15] YUKIHIKO Sato,TOMOTUGU Ishizuka,KAZUYOSHI Nezu,et al.A new control strategy for voltage-type PWM rectifiers to realize zero steady-state control eror in input current[J].IEEE Transactions on Industry Appheations,1998,34(3):480-486.  中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料