无重叠时间单电感电流逆变器及其控制方法和系统

技术领域

本发明涉及电流型并网逆变器技术领域，尤其涉及一种无重叠时间单电感电流逆变器及其控制方法和系统。

背景技术

电流型并网逆变器(Current Source Grid-connected Inverter，CSGCI)采用电感来作为其直流侧储能元件，与电容相比，电感性能稳定且可以用直流电压电源配合大电感来等效电流源，可允许电流在桥臂上出现直通现象。因此与电压型逆变器相比，CSGCI具有更高的安全性和可靠性。在CSGCI电路中，滤波电感的体积和损耗占有较大的比例，所以若要降低逆变器体积和重量，提高其功率密度，必须要在降低滤波电感的体积、重量和损耗等方面进行探究。

为减小滤波电感的体积和重量，提出了一种单电感配置CSGCI，如图1所示，从图1中可以看出该逆变器仅含有1支滤波电感。与对称电感配置CSGCI相比具有更低的体积、重量和磁性元件损耗。该逆变器结构简单，具有单极性调制和三电平输出等特性。但该逆变器当跨接在电流源两侧的开关同时断开时，电流的充电路径将被阻塞，开关管之间将承受巨大的电压峰值。因此需要在同一桥臂上当开关管在切换时，需要在开关之间加入重叠时间。而重叠时间的引入会增加并网电流谐波含量，降低GCI的电能质量。此外，德国VDE-0126-1-1标准规定，漏电流幅值高于300mA时光伏GCI必须在0.3s内从电网中切除。研究表明当单电感配置CSGCI采用半周期调制时，该逆变器的共模电压高频变化，存在较大的高频共模漏电流。若要并入电网需加入隔离变压器，但又会增大逆变器的体积和成本，降低了系统的功率密度。

发明内容

本发明的目的在于提供无重叠时间单电感电流逆变器及其控制方法和系统，解决现有技术中，单电感配置CSGCI拓扑同桥臂开关管需要设置重叠时间以及共模漏电流较大的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

无重叠时间单电感电流逆变器，该逆变器由光伏电池阵列PV、储能电感L、功率开关管S

所述光伏电池阵列PV直流电压正端与所述储能电感L的一端相连，所述储能电感L的另一端与所述功率开关管S

所述功率开关管S

所述功率开关管S

所述滤波电容C

所述滤波电容C

所述滤波电容C

所述电网u

优选地，所述光伏电池阵列PV直流电压正端对地分布电容为C

另一方面，本发明还提出了一种上述无重叠时间单电感电流逆变器的控制方法，该方法包括：

通过锁相环电路获取并网电压的相位角θ；

查询该相位角θ对应正弦表数据，得到并网电流的参考信号；

根据并网电流与其参考信号的偏差值，得到调制信号u

采用半周期调制方法将调制信号u

优选地，所述逆变器的工作模态控制包括：当检测到并网电流i

优选地，所述逆变器的工作模态控制包括：当检测到并网电流i

优选地，所述逆变器的工作模态控制包括：当检测到并网电流i

优选地，所述逆变器的工作模态控制包括：当检测到并网电流i

优选地，所述逆变器的工作模态控制包括：在所述功率开关管S

另外，本发明还提出了一种上述无重叠时间单电感电流逆变器的控制系统，该系统包括传感器、PLL电路、PI控制器和半周期调制模块；

所述PLL电路用于获取并网电压的相位角θ；

所述传感器用于获取并网电压的并网电流；

所述PI控制器根据并网电流与并网电流参考信号的偏差值，得到调制信号u

所述半周期调制模块用于将调制信号u

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、在直流侧储能电感两端并联一个功率开关管和二极管组成的串联支路，无需隔离变压器，且仅需一支电感，具有较低的成本和较高的功率密度；

2、通过在两桥臂的两开关管间引入了防止电流型GCI开路的滤波电容，因此，该逆变器无需设置重叠时间；

3、二极管D

4、半周期调制方法使功率开关管处于半周期工作模式，降低了功率开关管的损耗，输出电流为三电平；

5、半周期调制方法使无重叠时间非隔离单电感配置CSGCI的模态1、模态2、模态3以及模态4的共模电压u

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有技术中无重叠时间单电感电流逆变器的拓扑结构图；

图2为本发明无重叠时间单电感电流逆变器的拓扑结构图；

图3为本发明的半周期调制方法原理示意图；

图4为本发明的无重叠时间单电感电流逆变器的控制信号流向图；

图5为本发明的无重叠时间单电感电流逆变器简化共模等效电路；

图6为本发明无重叠时间单电感电流逆变器模态1的电路结构示意图；

图7为本发明无重叠时间单电感电流逆变器模态2的电路结构示意图；

图8为本发明无重叠时间单电感电流逆变器模态3的电路结构示意图；

图9为本发明无重叠时间单电感电流逆变器模态4的电路结构示意图；

图10为本发明无重叠时间单电感电流逆变器的实际驱动信号波形图；

图11为本发明由模态1转换为模态2的过渡过程等效电路结构示意图；

图12为本发明直流侧储能电感电流i

图13为本发明电网u

图14为本发明并网电流i

图15为本发明u

图16为本发明漏电流i

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

无重叠时间单电感电流逆变器，如图2所示，该逆变器主要由光伏电池阵列PV、储能电感L、功率开关管S

其中，光伏电池阵列PV直流电压正端与储能电感L的一端相连，储能电感L的另一端与功率开关管S

功率开关管S

功率开关管S

滤波电容C

滤波电容C

滤波电容C

电网u

其中C

本实施例的逆变器能够有效抑制高频共模漏电流，同时还在两桥臂的两开关管间引入了防止电流型并网逆变器开路的滤波电容，在无需设置重叠时间情况下，即可顺利完成换流。

实施例2

本实施例采用半周期调制方法对上述实施例1提出的无重叠时间单电感电流逆变器的工作模态进行控制，本实施例的半周期调制方法原理如图3所示，功率开关管S

具体如图4所示，本实施例的控制过程(基于如图4所示的控制系统实现，控制系统包括锁相环电路、PI控制器、传感器和半周期调制模块)具体为：

通过锁相环电路(Phase locked loop circuit，PLL)获取u

执行程序查询对应正弦表数据sinθ，得到i

比较i

u

通过驱动信号来控制逆变器的各功率开关管S

设并网电流i

由图5和式(1)可知，回路中的漏电流i

设并网电流i

模态1：

当并网电流i

模态2：

当并网电流i

u

其中u

进一步，由图7和KVL定律可得：

u

联立式(1)和(3)-(6)可得：

模态3：

当并网电流i

模态4：

当并网电流i

综上，从上述可得本实施例的无重叠时间单电感电流逆变器开关状态及其共模电压如表1所示。

表1本实施例的无重叠时间单电感电流逆变器开关状态及其u

从表1可得，模态1、模态2、模态3和模态4具有相同的u

理想情况下，在正半周期，功率开关管S

同理可知，本实施例的无重叠时间单电感电流逆变器在负半周期模态3与模态4的换流过程，其换流等效电路如图11所示，其分析与正半周期相同。此外，高性能二极管D

因此，本申请提出的无重叠时间单电感电流逆变器拓扑通过在两桥臂的两功率开关管间引入了防止电流型GCI开路的滤波电容，具有无需设置重叠时间，并网电流总谐波畸变小和并网电能质量高等优点。因此，本实施例的无重叠时间单电感电流逆变器可广泛应用于光伏并网发电、燃料电池并网发电、不间断电源和航空航天电源等对电能质量和可靠性要求较高的应用场合。

进一步地，在本实施例中，对提出的无重叠时间单电感电流逆变器进行了验证，具体包括：搭建了基于MATLAB/simulink的电路仿真模型，在该电路仿真模型中，输出功率P

表2主电路参数

仿真结果参见图12-图16，其中，图12为直流侧储能电感电流i

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。