H5型非隔离光伏逆变器的共模电流控制方法

摘要

本发明公开了一种H5型非隔离光伏逆变器的共模电流控制方法，其包括：在母线电压下，所述开关管S5不打驱动，对所述检测支路的分压电阻之间的电压进行采样，得到第一采样电压，将所述第一采样电压与第一阈值比较，若所述第一采样电压小于所述第一阈值，则判定所述开关管S5没有短路，允许并网；否，则不允许并网。本发明的共模电流控制方法减小H5型非隔离型光伏逆变器因光伏组件对大地寄生电容导致的共模电流。

说明书

技术领域

本发明涉及一种H5型非隔离光伏逆变器的共模电流控制方法。

背景技术

目前，小功率的单相逆变器，通常采用具有变换效率高、功率密度高、成本低等优点的非隔离型光伏并网逆变器。参照图1所示，无变压器的非隔离型H5拓扑光伏并网逆变器系统，因电网和光伏阵列之间存在直接的电气连接，由于光伏阵列和大地之间存在寄生电容Cm，从而形成了由寄生电容、滤波元件和电网阻抗组成的共模谐振回路；而寄生电容上变化的共模电压Vcm则能够激励这个谐振回路而产生相应的共模电流。共模电流的存在，会造成电网电流畸变、电磁干扰、系统的额外损失及安全隐患。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目是提供一种H5型非隔离光伏逆变器的共模电流控制方法，减小因光伏组件对大地寄生电容导致的共模电流。

本发明的采用的技术方案如下：

一种H5型非隔离光伏逆变器的共模电流控制方法，所述光伏逆变器包括H5逆变电路，所述H5逆变电路包括开关管S1、S2、S3、S4及S5，其中所述开关管S1和S2连接构成第一逆变桥臂，所述开关管S3和S4连接构成第二逆变桥臂，所述开关管S5的集电极和正直流母线电性连接；所述光伏逆变器还包括检测支路，所述检测支路的一端和所述开关管S5的发射极电性连接而另一端和负直流母线电性连接；所述检测支路包括相互串联的多个分压电阻；

所述共模电流控制方法包括：在母线电压下，所述开关管S5不打驱动，对所述检测支路的分压电阻之间的电压进行采样，得到第一采样电压，将所述第一采样电压与第一阈值比较，若所述第一采样电压小于所述第一阈值，则判定所述开关管S5没有短路故障，允许并网；否，则不允许并网。

在一些优选的实施例中，在并网之前还包括如下步骤：

在母线电压下，所述开关管S5打驱动，对所述检测支路的分压电阻之间的电压进行采样，得到第二采样电压，将所述第二采样电压与第二阈值比较，若所述第二采样电压大于所述第二阈值，则判定所述开关管S5导通正常，允许并网；否，则不允许并网。

在一些优选的实施例中，所述第二阈值大于所述第一阈值。

在一些优选的实施例中，所述检测支路包括相串联的多个第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻之间连接有电阻分压采样端子，通过所述电阻分压采样端子获取所述第一采样电压和所述第二采样电压。

在一些优选的实施例中，所述第一电阻的阻值大于所述第二电阻的阻值。

在一些优选的实施例中，所述开关管S5的发射极和所述电阻分压采样端子之间串联有多个第一电阻，所述电阻分压采样端子和所述负直流母线之间连接有一个第二电阻，所述第一电阻的阻值大于所述第二电阻的阻值的40倍以上。

在一些优选的实施例中，所述开关管S1、S2、S3、S4及S5的基极和所述电阻分压采样端子均电性连接于MCU芯片。

在一些优选的实施例中，所述开关管S1、S2、S3、S4及S5分别反向并联有二极管。

本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：

本发明的方法在逆变器并网之前检测H5拓扑的开关管S5的状态，判断其是否存在短路故障，可以有效避免因开关管S5短路导致的非隔离型光伏逆变器的光伏组件对大地寄生电容导致的共模电流问题，减小非隔离型光伏逆变器的因光伏组件对大地寄生电容导致的共模电流，还可以做到提前检测预防并告警的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为H5型非隔离光伏逆变器系统的拓扑图。

图2为检测支路的连接示意图。

图3为S5管不打驱动时的测试波形。

图4为S5管打驱动时的测试波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

图1示出的是无变压器的非隔离型H5拓扑光伏并网逆变器系统，因电网Vg和光伏阵列1之间存在直接的电气连接，由于光伏阵列1和大地PE之间存在寄生电容Cm，从而形成了由寄生电容Cm、滤波元件和电网阻抗组成的共模谐振回路；而寄生电容Cm上变化的共模电压Vcm则能够激励这个谐振回路而产生相应的共模电流Icm。

参照图1所示，该非隔离型的光伏逆变器包括H5逆变电路，H5逆变电路包括开关管S1、S2、S3、S4及S5。其中，开关管S1和S2连接构成第一逆变桥臂，开关管S3和S4连接构成第二逆变桥臂；第一逆变桥臂和第二逆变桥臂并联在正直流母线201和负直流母线202之间，第一逆变桥臂的中间点、第二逆变桥臂的中间点分别作为交流侧输出端，和电网Vg连接。开关管S5的集电极和正直流母线201电性连接，开关管S1和S2的集电极分别和开关管S5的发射极电性连接。该光伏逆变器还包括检测支路21，检测支路21的一端和开关管S5的发射极电性连接而另一端和负直流母线202电性连接。该检测支路包括相互串联的多个分压电阻R1、R2、R3和R4。光伏阵列的输出端PV+和正直流母线201连接，输出端PV-和负直流母线连接；正直流母线201和负直流母线202之间并联有母线电容Cbus。

结合图1所示，检测支路包括相串联的多个第一电阻(R1、R2和R3)和第二电阻R4，第一电阻R3和第二电阻R4之间连接有电阻分压采样端子211。第一电阻的阻值大于第二电阻的阻值。在一定的母线电压下，通过R1、R2、R3、R4电阻分压网络，可得采样电压Vc。具体到本实施例中，开关管S5的发射极和电阻分压采样端子211之间串联有多个第一电阻R1、R2和R3，电阻分压采样端子211和负直流母线之间连接有一个第二电阻R4，第一电阻(R1、R2和R3)的阻值大于第二电阻R4的阻值的40倍以上。

开关管S1、S2、S3、S4及S5的基极和电阻分压采样端子211均电性连接于MCU芯片203。开关管S1、S2、S3、S4及S5分别反向并联有二极管。

本实施例的减小共模电流的原理阐述如下。下文出现的公式中，Cbus表示母线电容；Vc表示由电阻分压采样端子211采样得到的电阻分压网络电压值；Va表示逆变桥a点对直流负母线0点的电压；Vb表示逆变桥b点对直流负母线0点的电压；VL1表示L1上电感压降；VL2表示L2上电感压降；Vg表示电网电压；Icm表示共模谐振回路中的谐振电流；L1表示L线上逆变电感；L2表示N线上逆变电感；Cm表示光伏阵列对大地寄生电容；Vcm表示寄生电容两端产生的共模电压；Vbus表示BUS电压。

根据基尔霍夫电压定律，可列出共模回路的电压方程：

-Va+VL1+Vg+Vcm＝0 (1)

-Vb-VL2+Vcm＝0 (2)

由式(1)和式(2)相加得共模电压Vcm；因VL1＝VL2；

得Vcm＝0.5*(Va+Vb-Vg)＝0.5*(Va+Vb)-0.5*Vg (3)

则流过寄生电容上的共模电流Icm为：

Icm＝Cm*dCm/dt (4)

由(4)式可知，共模电流与共模电压的变化率成正比，由于Vg为工频电网电压，则由Vg在寄生电容上产生的共模电流一般可忽略，而Va和Vb为PWM高频脉冲电压，共模电流主要由此激励产生。因此，工程上并网逆变器的共模电压可近似表示为：

Vcm＝0.5*(Va+Vb) (5)

从以上分析可知，若能使Vcm为一定值，则能够基本消除共模电流，即逆变桥所采用的PWM开关序列应使Va和Vb点对0点的电压之和满足：

Va+Vb＝定值 (6)

1)H5拓扑完好时；

在电网电流正半周期，当S5、S1、S4导通时，共模电压为：

Vcm＝0.5*(Va+Vb)＝0.5*(Vpv+0)＝0.5*Vpv (7)

当S1导通，S5、S4关断，共模电压为：

Vcm＝0.5*(Va+Vb)＝0.5*(0.5*Vpv+0.5*Vpv)＝0.5*Vpv (8)

从式(7)和式(8)可知，共模电压Vcm＝0.5*Vpv，在PV电压一定时，共模电压是恒定值，则不会由PWM高频脉冲电压产生共模电流。

2)H5拓扑S5管(CE极)短路时(S5管开路时H5拓扑不能正常工作)；

在电网电流正半周期，当S5管短路，S1、S4导通时，共模电压为：

Vcm＝0.5*(Va+Vb)＝0.5*(Vpv+0)＝0.5*Vpv (9)

当S5短路，S1导通，S4关断，共模电压为：

Vcm＝0.5*(Va+Vb)＝0.5*(Vpv+0.5*Vpv)＝0.75*Vpv (10)

从式(9)和式(10)可知，其共模电压不相等，则会由PWM高频脉冲电压产生共模电流。

可知，S5管CE极不能导通，H5拓扑不能正常工作，不会并网；S5管CE极短路，H5拓扑可正常工作，若此时并网会产生较大的共模电流。

故本实施例在并网前检测S5管是否存在短路故障，在确认S5管的CE极不能存在短路后才能允许光伏逆变器并网。具体为：在母线电压下，开关管S5不打驱动，对检测支路的分压电阻之间的电压进行采样，得到第一采样电压，将第一采样电压与第一阈值比较，若第一采样电压小于第一阈值，则判定开关管S5没有短路故障，允许并网；否，则不允许并网。进一步地，在并网之前还包括如下步骤：在母线电压下，开关管S5打驱动，对检测支路的分压电阻之间的电压进行采样，得到第二采样电压，将第二采样电压与第二阈值比较，若第二采样电压大于第二阈值，则判定开关管S5导通正常，允许并网；否，则不允许并网。具体通过电阻分压采样端子获取第一采样电压和第二采样电压。第二阈值大于第一阈值。

具体实例如下：

(1)在一定的母线电压下，通过R1、R2、R3、R4电阻分压网络，可得采样电压Vc；将采样电压Vc送MCU；

Vc＝Vbus*R4/(R1+R2+R3+R4) (11)

(2)在一定的母线电压下，预先设计R1、R2、R3、R4电阻比例关系，在逆变桥打开环电压之前先检测S5管；S5管不打驱动，驱动电平衡低；(S1、S2、S3、S4驱动电平衡低)，MCU读取Vc电压值，假如Vc<0.5V，判定S5管正常，没有短路；

(3)在一定的母线电压下，预先设计R1、R2、R3、R4电阻比例关系，在逆变桥打开环电压之前先检测S5管；S5管打驱动，驱动电平衡高；(S1、S2、S3、S4驱动电平衡低)，MCU读取Vc电压值，假如Vc>1V，判定S5管导通正常；

(4)允许光伏逆变器并网。

步骤(2)或(3)中，若判断结果相反，则不允许光伏逆变器并网，或光伏逆变器不能正常工作。

通过以上步骤，可以检测H5拓扑S5管是否短路、是否无法导通；可以有效避免因S5管短路，非隔离型光伏逆变器的由光伏组件对大地寄生电容导致的共模电流问题。

分压电阻R1、R2、R3、R4的取值按照图2所示，Ra、Rb、Rc、Rd及Re(5PCS 220kΩ)为R1、R2及R3的等效电阻，Rf(1PCS 4.99kΩ)为R4的等效电阻，构成电阻分压网络；电阻分压采样端子211将电压值Vc送MCU采样。

预设置PV电压＝350Vdc，在逆变桥打开环电压之前先检测S5管，S5管不打驱动，驱动电平衡低(S1/S2/S3/S4驱动电平衡低)，S5管不导通，此时MCU读取电阻分压网络电压值Vc＝34.23mV<0.5V(判定S5管正常，没有短路)；测试波形如图3所示。

预设置PV电压＝350Vdc，在逆变桥打开环电压之前先检测S5管，S5管打驱动，驱动电平衡高(S1/S2/S3/S4驱动电平衡低)，S5管导通，此时MCU读取电阻分压网络电压值Vc＝1.60V>1V(判定S5管正常导通)；测试波形如图4所示。

通过以上理论分析和测试验证，可以有效的检测H5拓扑S5管是否短路、是否无法导通，可以避免因S5管短路，非隔离型光伏逆变器光伏组件对大地寄生电容导致的共模电流问题，主动检测逆变桥里的关键器件及其功能是否异常，可以做到提前检测预防并告警的作用。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。