一种带共模电流抑制的光伏并网逆变器及其抑制方法
【专利摘要】一种共模电流抑制逆变器，包括：太阳能极板PV，太阳能极板PV的一个输出端顺序连接电容C2的一端和差共模电感L1的第一端，太阳能极板PV的另一个输出端顺序连接电容C1的一端、电容C3的一端以及差共模电感L1的第二端，其中所述差共模电感的第一端和所述差共模电感的第二端为同名端。C1为太阳能极板，对地寄生电容，C2，C3的中点连接C4，L1为集成型差共模电感，L2，IG1，D1组成BOST升压电路，CD为母线滤波电容，C5，C6的中点连接C7，IG2?IG5组成全桥逆变电路，L3，C8，C9组成差模滤波电路，L3为集成型差共模电感，L5为共模电感。
【专利说明】
一种带共模电流抑制的光伏并网逆变器及其抑制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种带有共模电流抑制的光伏并网逆变器及其抑制方法，属于光伏发 电能源领域。
【背景技术】
[0002] 非隔离型光伏并网逆变器结构不含变压器，具有变换效率高，体积小，重量轻，成 本低的绝对优势，但是，变压器的缺失使得太阳能极板和电网有了电气连接，共模电流大幅 度增加，有可能带来安全问题。所以，如何降低共模电流，成为光伏并网逆变器的研究热点 之一。
[0003] -系列控制算法的出现力求将共模电压限制的最低值，即便如此，共模电流也很 难控制在标准以下。
【发明内容】
[0004] 根据本发明，在尽量降低共模电压的基础上，加入共模滤波电路，从而将共模电流 严格控制在标准以下。
[0005] 根据本发明的一实施例，提供了一种带有共模电流抑制的光伏并网逆变器，该逆 变器包括:太阳能极板PV，太阳能极板PV的一个输出端顺序连接电容C2的一端和差共模电 感L1的第一端，太阳能极板PV的另一个输出端顺序连接电容C1的一端、电容C3的一端以及 差共模电感L1的第二端，其中所述差共模电感的第一端和所述差共模电感的第二端为同名 端。电容C2和电容C3的中点连接电容C4。差共模电感L1的第三端连接电感L2的一端，差共模 电感L1的第四端顺序连接绝缘栅双极型晶体管IG1的发射极、电容Cd的一端、电容C6的一 端、绝缘栅双极型晶体管IG4的发射极以及绝缘栅双极型晶体管IG5的发射极。电感L2的另 一端连接到二极管D1的阳极和绝缘栅双极型晶体管IG1的集电极，电容C1的另一端连接到 第一接地端和第二接地端。二极管D1的阴极顺次连接到电容Cd的另一端、电容C5的一端、绝 缘栅双极型晶体管IG2集电极和绝缘栅双极型晶体管IG3的集电极。电容C5的另一端连接到 电容C6的另一端和电容C7的一端。绝缘栅双极型晶体管IG2的发射极连接绝缘栅双极型晶 体管IG4的集电极，绝缘栅双极型晶体管IG3的发射极连接绝缘栅双极型晶体管IG5的集电 极，绝缘栅双极型晶体管IG2和绝缘栅双极型晶体管IG4的中点连接到差共模电感L3的第一 端，绝缘栅双极型晶体管IG3和绝缘栅双极型晶体管IG5的中点连接到差共模电感L3的第二 端，差共模电感L3的第三端连接到电容C8的一端和差共模电感L5的第一端，差共模电感L3 的第四端连接到电容C9的一端和差共模电感L5的第二端，其中差共模电感L3的第一端和第 四端为同名端，差共模电感L5的第三端连接到电网一端，差共模电感L5的第四端连接到电 网的另一端和第二接地端，差共模电感L5的第一端和第二端为同名端。电容C4的另一端顺 次连接到电容C7的另一端，电容C8的另一端以及电容C9的另一端。
[0006] 根据本发明的一个实施例，所述差共模电感L1和差共模电感L5相同，中心柱开气 隙，其中气隙的宽度根据所需电感量进行设置，气隙的电感量与所需要的差模电感量成反 比。
[0007]根据本发明的一个实施例，所述差共模电感L3的气隙开在两侧的侧边柱上。
[0008]根据本发明的一个实施例，所述左侧侧边柱上的气隙和右侧侧边柱上的气隙均各 自包括上下两个气隙，其中上气隙和下气隙均由两个相对的直角三角形组成，其中上气隙 的两个直角三角形的两个直角位于上方并位于两侧相对设置，两个直角三角形所包围的磁 芯尖端向上，其中下气隙的两个直角三角形的两个直角位于下方并位于两侧相对设置，两 个直角三角形所包围的磁芯尖端向下。
[0009] 根据本发明的一个实施例，假设将所述左右侧边柱的线圈缠绕的磁芯长度进行5 等分，其中左侧和右侧侧边柱上的上气隙和下气隙之间的间隔为所述5等分距离中一个等 分距离的两倍，但是左侧侧边柱的上气隙和右侧侧边柱的上气隙在高度上错开一个等分距 离。
[0010] 根据本发明的一个实施例，所述每个上、下气隙中直角三角形在高度方向上的直 角边的长度满足下面的条件：
[0011]
[0012]兵甲X衣不上、卜1隙中直角三角形在高度方向上的直角边的长度，μ〇表示真空磁 导率，Ν表示左侧或右侧侧边柱上线圈的匝数，Ae表示侧边柱的截面积，L表示最大电流时 所需的电感量，该电感量由最大输出电流时的纹波限值决定。
[0013] 根据本发明的一个实施例，所述差共模电感L3的中心柱的宽度远小于左右两侧侧 边柱的宽度，所述远小于指的是相差一个数量级。
[0014] 根据本发明的一实施例，提供了一种使用上述逆变器进行共模电流抑制的方法。
【附图说明】
[0015] 附图1是本发明的具有共模电流抑制功能的光伏并网逆变器的示意图；
[0016] 附图2是本发明逆变器中的差共模一体电感L1和L5的结构图；
[0017]附图3是本发明逆变器中差共模一体电感L3的结构图； 附图4是本发明中差共模一体电感L3中使用的上气隙的形状； 附图5是本发明中差共模一体电感L3中使用的下气隙的形状。
【具体实施方式】
[0018] 下面将在结合附图的基础上详细描述本发明的具有共模电流抑制功能的光伏并 网逆变器及其抑制方法：
[0019] 该具有共模电流抑制功能的光伏并网逆变器包括:太阳能极板PV，太阳能极板PV 的一个输出端顺序连接电容C2的一端和差共模电感L1的第一端，太阳能极板PV的另一个输 出端顺序连接电容C1的一端、电容C3的一端以及差共模电感L1的第二端，其中所述差共模 电感的第一端和所述差共模电感的第二端为同名端。电容C2和电容C3的中点连接电容C4。 差共模电感L1的第三端连接电感L2的一端，差共模电感L1的第四端顺序连接绝缘栅双极型 晶体管IG1的发射极、电容Cd的一端、电容C6的一端、绝缘栅双极型晶体管IG4的发射极以及 绝缘栅双极型晶体管IG5的发射极。电感L2的另一端连接到二极管D1的阳极和绝缘栅双极 型晶体管IG1的集电极，电容Cl的另一端连接到第一接地端和第二接地端。二极管D1的阴极 顺次连接到电容Cd的另一端、电容C5的一端、绝缘栅双极型晶体管IG2集电极和绝缘栅双极 型晶体管IG3的集电极。电容C5的另一端连接到电容C6的另一端和电容C7的一端。绝缘栅双 极型晶体管IG2的发射极连接绝缘栅双极型晶体管IG4的集电极，绝缘栅双极型晶体管IG3 的发射极连接绝缘栅双极型晶体管IG5的集电极，绝缘栅双极型晶体管IG2和绝缘栅双极型 晶体管IG4的中点连接到差共模电感L3的第一端，绝缘栅双极型晶体管IG3和绝缘栅双极 型晶体管IG5的中点连接到差共模电感L3的第二端，差共模电感L3的第三端连接到电容C8 的一端和差共模电感L5的第一端，差共模电感L3的第四端连接到电容C9的一端和差共模电 感L5的第二端，其中差共模电感L3的第一端和第四端为同名端，差共模电感L5的第三端连 接到电网一端，差共模电感L5的第四端连接到电网的另一端和第二接地端，差共模电感L5 的第一端和第二端为同名端。电容C4的另一端顺次连接到电容C7的另一端，电容C8的另一 端以及电容C9的另一端。
[0020] 其中PV为太阳能极板，C1为太阳能极板，对地寄生电容，C2，C3的中点连接C4，L1为 差共模电感，L2，IG1，D1组成B0ST升压电路，Cd为母线直流滤波电容，C5，C6的中点连接C7， IG2-IG5组成全桥逆变电路，L3，C8，C9组成差模滤波电路，L3为差共模电感，L5为差共模电 感，其中L1和L5相同。
[0021] 其中，图2示出了差共模一体电感L1和L5的结构图，其中示出了 1和2为同名端。实 线表;^共模电流磁场的方向，虚线表;^差模电流磁场的方向，其中中心柱开气隙，其中气隙 的宽度根据所需电感量进行设置，气隙的电感量与所需要的差模电感量成反比。
[0022] 图3示出了差共模一体电感L3的结构图，其中示出了3.2和3.3表示线圈的同名端。 在图3中虚线箭头表示共模电流磁场方向，实线箭头表示差模电流磁场方向。斜线区域表示 磁芯分布区域，没有斜线的空白区域表示气隙。其中的虚线将线圈在长度方向上进行5等 分。其中的气隙开在两侧的侧边柱上，3.6表示左侧侧边柱上的气隙，3.5表示右侧侧边柱上 的气隙。其中每个侧边柱上的气隙都包括上下两个气隙，其中图4示出了上气隙的形状，图5 示出了下气隙的形状，也即上气隙和下气隙均由两个相对的直角三角形组成，其中上气隙 的两个直角三角形的两个直角位于上方并位于两侧相对设置，两个直角三角形所包围的磁 芯尖端向上，其中下气隙的两个直角三角形的两个直角位于下方并位于两侧相对设置，两 个直角三角形所包围的磁芯尖端向下。其中左侧和右侧侧边柱上的上气隙和下气隙之间的 间隔为所述5等分距离中一个等分距离的两倍，但是左侧侧边柱的上气隙和右侧侧边柱的 上气隙在高度上错开一个等分距离。并且每个上、下气隙中直角三角形在高度方向上的直 角边的长度满足下面的条件：
[0023]
[0024]其中X表示上、下气隙中直角三角形在高度方向上的直角边的长度，训表示真空磁 导率，Ν表示左侧或右侧侧边柱上线圈的匝数，Ae表示侧边柱的截面积，L表示最大电流时所 需的电感量，该电感量由最大输出电流时的纹波限值决定。
[0025] C2-C4，LI，C5-C7，L3的共模分量，C8，C9共同构成共模电流抑制回路。将流过地线 的共模电流旁路掉，可以将漏电流限制在标准值以下。
[0026] 由此，根据本发明的控制电路，可以解决现有技术中共模电流难以抑制到标准值 以下的难题。很好的实现了低共模电流的技术效果。这种技术效果是由本发明的电路结构 整体决定的，由于使用了本发明独创的差共模电感，正常工作时气隙处所产生的漏磁对绕 线的涡流效应小，因为磁场会束缚在磁芯内，其中的气隙采用了分段错开形式，漏磁小。三 角形气隙电流小时电感大，电流大时电感小，会产生逐步饱和效应。由于光伏发电时，面临 各种各样的天气，例如阴天下雨，不满载时多，轻载少，这样，这样的电路结构，在处于多数 的轻载时，可使得电流纹波小。
【主权项】
1. 一种具有共模电流抑制功能的光伏并网逆变器，其特征在于:包括:太阳能极板PV， 太阳能极板PV的一个输出端顺序连接电容C2的一端和差共模电感LI的第一端，太阳能极板 PV的另一个输出端顺序连接电容Cl的一端、电容C3的一端以及差共模电感Ll的第二端，其 中所述差共模电感Ll的第一端和所述差共模电感Ll的第二端为同名端；电容C2和电容C3的 中点连接电容C4;差共模电感Ll的第三端连接电感L2的一端，差共模电感Ll的第四端顺序 连接绝缘栅双极型晶体管IG1的发射极、母线直流电容Cd的一端、电容C6的一端、绝缘栅双 极型晶体管IG4的发射极以及绝缘栅双极型晶体管IG5的发射极；电感L2的另一端连接到二 极管Dl的阳极和绝缘栅双极型晶体管IGl的集电极，电容Cl的另一端连接到第一接地端和 第二接地端;二极管D1的阴极顺次连接到母线直流滤波电容Cd的另一端、电容C5的一端、绝 缘栅双极型晶体管IG2集电极和绝缘栅双极型晶体管IG3的集电极;电容C5的另一端连接到 电容C6的另一端和电容C7的一端;绝缘栅双极型晶体管IG2的发射极连接绝缘栅双极型晶 体管IG4的集电极，绝缘栅双极型晶体管IG3的发射极连接绝缘栅双极型晶体管IG5的集电 极，绝缘栅双极型晶体管IG2和绝缘栅双极型晶体管IG4的中点连接到差共模电感L3的第一 端，绝缘栅双极型晶体管IG3和绝缘栅双极型晶体管IG5的中点连接到差共模电感L3的第二 端，差共模电感L3的第三端连接到电容C8的一端和差共模电感L5的第一端，差共模电感L3 的第四端连接到电容C9的一端和差共模电感L5的第二端，其中差共模电感L3的第一端和第 四端为同名端，差共模电感L5的第三端连接到电网一端，差共模电感L5的第四端连接到电 网的另一端和第二接地端，差共模电感L5的第一端和第二端为同名端；电容C4的另一端顺 次连接到电容C7的另一端、电容C8的另一端以及电容C9的另一端，所述差共模电感L3的气 隙开在两侧的侧边柱上，所述左侧侧边柱上的气隙和右侧侧边柱上的气隙均各自包括上下 两个气隙，其中上气隙和下气隙均由两个相对的直角三角形组成，其中上气隙的两个直角 三角形的两个直角位于上方并位于两侧相对设置，两个直角三角形所包围的磁芯尖端向 上，其中下气隙的两个直角三角形的两个直角位于下方并位于两侧相对设置，两个直角三 角形所包围的磁芯尖端向下，假设将所述左右侧边柱的线圈缠绕的磁芯长度进行5等分，其 中左侧和右侧侧边柱上的上气隙和下气隙之间的间隔为所述5等分距离中一个等分距离的 两倍，但是左侧侧边柱的上气隙和右侧侧边柱的上气隙在高度上错开一个等分距离，所述 每个上、下气隙中直角三角形在高度方向上的直角边的长度满足下面的条件：其中X表示上、下气隙中直角三角形在高度方向上的直角边的长度，μ〇表示真空磁导率， N表示左侧或右侧侧边柱上线圈的匝数，Ae表示侧边柱的截面积，L表示最大电流时所需的 电感量，该电感量由最大输出电流时的纹波限值决定。2. 根据权利要求1所述的具有共模电流抑制功能的光伏并网逆变器，其中所述差共模 电感L3的中心柱的宽度远小于左右两侧侧边柱的宽度，所述远小于指的是相差一个数量 级。3. -种应用权利要求1或2所述的具有共模电流抑制功能的光伏并网逆变器进行共模 电流进行抑制的方法。
【文档编号】H02M7/5387GK105932896SQ201610367965
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】黄敏, 张晓宏, 李松涛, 任芝, 方刚, 卢进军, 仝冠生
【申请人】江苏固德威电源科技股份有限公司, 华北电力大学（保定）