一种逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种逆变器。

背景技术

近年来，随着传统能源石油、煤炭、天然气的过度开采，其储备量已经日渐枯竭，目前人类正面临着能源危机带来的各种生产生活问题。此外，传统能源的大量消耗对环境带来了诸多不可逆的负面影响，如污染大气质量，引发温室效应，破坏生态平衡等严重问题，因此人类开发可再生清洁能源迫在眉睫。而太阳能作为一种新型可再生能源，具有无污染、分布广、贮量足等优点，目前在全球范围内得到了广泛开发。而充分利用太阳能的一种方式是进行光伏发电，逆变器作为将光伏阵列产生的直流电形式转变为交流电形式的核心部件，是光伏发电系统中不可或缺的部分。传统逆变器多采用带有变压器的隔离型电路结构，然而变压器存在体积大，效率低，功率密度小等缺点，因此近年来非隔离型逆变器成为研究热点。由于失去变压器的隔离作用，非隔离型逆变器直流侧、交流侧、大地之间可形成共模回路，由此引发的共模漏电流问题一直是逆变器技术的关键。共模漏电流是引发光伏发电系统停机的重要原因，漏电流过大会带来EMI干扰(Electromagnetic Interference，电磁干扰)、降低输出波形质量，其还会对人身安全构成威胁，存在安全隐患。

传统光伏逆变器主要从调制策略或电路结构解决漏电流问题，但是改进后的调制策略算法复杂，对控制系统的性能有较高要求，且调制策略过于复杂还会降低光伏发电系统的可靠性，增加系统故障概率。从电路结构解决漏电流通常会将电路配置为对称结构，然而这将造成电路器件数目过多，体积偏大，损耗较高等缺点。此外，以上两种解决方法都只能尽可能保持共模漏电流不超过规定的安全范围，但是光伏发电系统易受天气因素影响，如当雨雪天气时光伏阵列对地寄生电容容值会发生变化，此时极有可能造成漏电流超过规定阈值而引发停机。

发明内容

本发明的目的是提供一种具备升降压能力的逆变器，能够有效抑制共模漏电流。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种单相逆变器，包括：

直流电源和逆变器电路；

所述逆变器电路，具体包括：

第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电容、第二电容和第一电感；

所述直流电源的正极分别与所述第一开关管的第一端和所述第二开关管的第一端连接，所述第一开关管的第二端分别与所述第一电感的第一端和所述第一二极管的截止端连接，所述第二开关管的第二端分别与所述第一二极管的导通端和所述第一电容的第一端连接，所述第一电感的第二端分别与所述第三开关管的第一端和所述第三二极管的导通端连接，所述第三开关管的第二端与所述直流电源的负极连接；

所述第一二极管的导通端与所述第二电容的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述第二二极管的导通端连接，所述第二二极管的截止端与所述直流电源的负极连接；

所述第二电容的第二端分别与所述第三二极管的截止端、所述第四开关管的第一端和所述第五开关管的第一端连接，所述第四开关管的第二端与所述直流电源的负极连接；

所述第六开关管的第一端与所述第五开关管的第二端连接，所述第六开关管的第二端与所述第二二极管的导通端连接；所述第五开关管的第二端连接交流负载的一端或交流电源的一端，交流负载的另一端或交流电源的另一端与所述直流电源的负极连接；

在所述交流负载或所述交流电源的电压处于前半周期时，所述第一开关管、所述第二开关管和所述第三开关管的状态为导通与关断交替进行，并且所述第一开关管、所述第二开关管和所述第三开关管同时导通或同时关断，所述第四开关管和所述第六开关管为关断状态，所述第五开关管为导通状态；

在所述交流负载或所述交流电源的电压处于后半周期时，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的状态为导通与关断交替进行，并且所述第一开关管、所述第三开关管和所述第四开关管同时导通或同时关断，在所述第一开关管导通时所述第二开关管关断，在所述第一开关管关断时所述第二开关管导通，所述第五开关管为关断状态，所述第六开关管为导通状态。

可选的，所述逆变器电路，还包括：

滤波电路；

所述滤波电路的一端与所述第五开关管的第二端连接，所述滤波电路的另一端与所述直流电源的负极连接，所述交流负载或所述交流电源与所述滤波电路连接。

可选的，所述滤波电路，具体包括：

滤波电容和滤波电感；

所述滤波电感的第一端与所述第五开关管的第二端连接，所述滤波电感的第二端与所述滤波电容的第一端连接，所述滤波电容的第二端与所述直流电源的负极连接；所述交流负载或所述交流电源与所述滤波电容并联连接。

可选的，所述第一电容、所述第二电容和所述滤波电容均为非电解电容。

可选的，所述直流电源的负极接地。

本发明还提供一种基于分立式电源的三相逆变器，包括：

三个如上所述的单相逆变器；

三个所述单相逆变器的电源负极连接在一起。

本发明还提供一种基于单电源的三相逆变器，包括：

直流电源和三个逆变器电路；

所述逆变器电路，具体包括：

第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电容、第二电容和第一电感；

所述第一开关管的第一端和所述第二开关管的第一端连接，所述第一开关管的第二端分别与所述第一电感的第一端和所述第一二极管的截止端连接，所述第二开关管的第二端分别与所述第一二极管的导通端和所述第一电容的第一端连接，所述第一电感的第二端分别与所述第三开关管的第一端和所述第三二极管的导通端连接；

所述第一二极管的导通端与所述第二电容的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述第二二极管的导通端连接；

所述第二电容的第二端分别与所述第三二极管的截止端、所述第四开关管的第一端和所述第五开关管的第一端连接；

所述第三开关管的第二端、所述第二二极管的截止端和所述第四开关管的第二端连接在一起；

所述第六开关管的第一端与所述第五开关管的第二端连接，所述第六开关管的第二端与所述第二二极管的导通端连接；所述第五开关管的第二端连接交流负载的一端或交流电源的一端，交流负载的另一端或交流电源的另一端与所述直流电源的负极连接；

在所述交流负载或所述交流电源的电压处于前半周期时，所述第一开关管、所述第二开关管和所述第三开关管的状态为导通与关断交替进行，并且所述第一开关管、所述第二开关管和所述第三开关管同时导通或同时关断，所述第四开关管和所述第六开关管为关断状态，所述第五开关管为导通状态；

在所述交流负载或所述交流电源的电压处于后半周期时，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的状态为导通与关断交替进行，并且所述第一开关管、所述第三开关管和所述第四开关管同时导通或同时关断，在所述第一开关管导通时所述第二开关管关断，在所述第一开关管关断时所述第二开关管导通，所述第五开关管为关断状态，所述第六开关管为导通状态；

所述直流电源的正极和每一个所述逆变器电路的第一开关管的第一端连接，所述直流电源的负极和每一个所述逆变器电路的第二二极管的截止端连接。

可选的，所述逆变器电路，还包括：

滤波电路；

所述滤波电路的一端与所述第五开关管的第二端连接，所述滤波电路的另一端与所述第二二极管的截止端连接，所述交流负载或所述交流电源与所述滤波电路连接。

可选的，所述滤波电路，具体包括：

滤波电容和滤波电感；

所述滤波电感的第一端与所述第五开关管的第二端连接，所述滤波电感的第二端与所述滤波电容的第一端连接，所述滤波电容的第二端与所述第二二极管的截止端连接；所述交流负载或所述交流电源与所述滤波电容并联连接。

可选的，所述第一电容、所述第二电容和所述滤波电容均为非电解电容。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种单相逆变器，直流电源的负极分别与第三开关管的第二端、第二二极管的截止端和第四开关管的第二端连接，并且交流负载的另一端或交流电源的另一端与所述直流电源的负极连接，光伏阵列对大地寄生电容被短路，能够有效抑制漏电流。

此外，逆变器电路中不含有电解电容，均采用电容值较小的非电解电容，有利于提高电路的整体寿命以及电路性能。

本发明还提出了基于分立式电源的三相逆变器和基于单电源的三相逆变器，在具备升降压能力和能够有效抑制共模漏电流的基础上，提高了逆变器电路的应用范围，更加适用于大功率光伏应用场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中单相逆变器结构图；

图2为本发明实施例中开关管控制信号示意图；

图3为本发明实施例中工作模态Ⅰ示意图；

图4为本发明实施例中工作模态Ⅱ示意图；

图5为本发明实施例中工作模态Ⅲ示意图；

图6为本发明实施例中工作模态Ⅳ示意图；

图7为本发明实施例中工作模态Ⅴ示意图；

图8为本发明实施例中工作模态Ⅵ示意图；

图9为本发明实施例中第一电容电压示意图；

图10为本发明实施例中第二电容电压示意图；

图11为本发明实施例中直流侧电感电流、第一电容电压、第二电容电压波形图；

图12为本发明实施例中在升压逆变下，直流输入电压以及输出交流电压波形图；

图13为本发明实施例中在等压逆变下，直流输入电压以及输出交流电压波形图；

图14为本发明实施例中在降压逆变下，直流输入电压以及输出交流电压波形图；

图15为本发明实施例中控制电路结构图；

图16为本发明实施例中基于分立式电源的三相逆变器结构图；

图17为本发明实施例中基于单电源的三相逆变器结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种具备升降压能力的逆变器，能够有效抑制共模漏电流。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

图1为本发明实施例中单相逆变器结构图，如图1所示，一种单相逆变器，包括：直流电源E和逆变器电路。

逆变器电路，具体包括：第一开关管S

直流电源E的正极通过直流母线P端分别与第一开关管S

第一二极管D

第二电容C

第六开关管S

在交流负载或交流电源的电压处于前半周期时，第一开关管S

在交流负载或交流电源的电压处于后半周期时，第一开关管S

滤波电路的一端与第五开关管S

其中，滤波电路，具体包括：滤波电容C

第一电容C

根据图2所示的开关逻辑，本发明的逆变器能够分为六种工作模态，其中属于输出电压为正的有模态Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，属于输出电压为负的有模态Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，具体如下：

工作模态Ⅰ

此模态下具体的逆变器工作形式如图3所示。第一开关管S

工作模态Ⅱ

此模态下具体的逆变器工作形式如图4所示。第一开关管S

工作模态Ⅲ

此模态下具体的逆变器工作形式如图5所示。第一开关管S

工作模态Ⅳ

此模态下具体的逆变器工作形式如图6所示。第一开关管S

工作模态Ⅴ

此模态下具体的逆变器工作形式如图7所示。第一开关管S

工作模态Ⅵ

此模态下具体的逆变器工作形式如图8所示。第一开关管S

以上六种工作模态如表1表示。

表1逆变器开关管组合状态

本发明电路为简化分析，做如下假设：

(1)电路中所有元器件均为理想器件；(2)电路工作于稳定状态。

由于本发明逆变器具备对称结构，因此可取单个电路进行分析。令第一开关管S

当第一电容C

i

结合(1)(2)(3)(4)(5)有：

定义电压纹波系数为

其中，i

由于逆变器适用于小功率应用环境，因此功率范围取100-3000W，为了能够很好地说明电容取值，将占空比d取为极限值即为1，输出电压有效值为220V，由于逆变器属于交流应用场合，对电容电压的纹波要求不是很高，因此纹波系数取γ

表2不同功率下第一电容取值

结合图10有如下关系：

忽略滤波电容上流过的电流有:

i

另有

结合(8)(9)(10)(11)(12)有

定义电压纹波系数为

其中i

同样由于逆变器适用于小功率应用环境，因此功率范围取100-3000W，为了能够很好地说明电容取值，将占空比d取为极限值即为1，输出电压有效值为220V，由于逆变器属于交流应用场合，对电容电压的纹波要求不是很高，因此纹波系数取γ

表3不同功率下第二电容取值

由表2、表3可知，本发明逆变器在较宽的功率范围内第一电容C

本发明的逆变器电路不含有电解电容，均采用电容值较小的非电解电容，有利于提高电路的整体寿命以及电路性能，电容电压波形如图11所示，由图11可知，采用非电解电容后电容电压波动很小，因此选择非电解电容合理。同时电感参数小，有利于减小电感体积和重量。本发明的第二电容C2耐压要求较其它逆变电路更低，其端电压一直保持为输出电压峰值即311V，利于减小成本，提高电路可靠性；第一电容C1作为直流母线电容，可在整个工频周期内进行充电，而仅在负半周期放电，达到对母线电容预充电目的，有利于提高波形质量，由图11可知电容电压在较小的范围内波动，能够很好地满足逆变器正常工作需求。

本发明能够实现升降压逆变，在升压输出工况下，输出交流电压峰值高于直流输入电压，从而说明逆变器具备升压逆变能力，其仿真波形如图12所示。在等压输出工况下，输出交流电压峰值等于直流输入电压，从而说明逆变器具备等压逆变能力，其仿真波形如图13所示。在降压输出工况下，输出交流电压峰值低于直流输入电压，从而说明逆变器具备降压逆变能力，其仿真波形如说明书附图中图14所示。

图15是本发明电路的控制电路结构图，控制策略采用电压或者电流单闭环控制，误差信号经过调节器调节输入至比较器产生PWM信号最终经过驱动电路驱动开关管。图15中的V

本发明可采用电压或者电流单闭环控制，控制结构简单，动态响应快，跟踪性能好，也可采用单周期控制，能够更好地抵抗直流输入扰动，提高电路的鲁棒性，更加适合光伏发电应用场合。

本发明的逆变器电路易于拓展为三相逆变器，拓展后的三相逆变器可采用分立电源，也可采用单电源，这使得使用更加灵活，拓展后的两种拓扑分别如说明书附图中图16、图17所示，其提高了电路的应用范围，更加适用于大功率应用场合。

实施例二

图16为本发明实施例中基于分立式电源的三相逆变器结构图，如图16所示，一种基于分立式电源的三相逆变器，包括：三个单相逆变器。三个单相逆变器的电源负极连接在一起。每个单相逆变器的结构和实施例一的单相逆变器结构相同。三个分立的直流电压源为每一相供电。

具体的，

第一个单相逆变器，包括：直流电源E

第二个单相逆变器，包括：直流电源E

第三个单相逆变器，包括：直流电源E

直流电源E

拓展后的三相逆变器采用分立电源，提高了电路的应用范围，更加适用于大功率应用场合。

实施例三

图17为本发明实施例中基于单电源的三相逆变器结构图，如图17所示，一种基于单电源的三相逆变器，包括：直流电源E和三个逆变器电路。一个直流电压源为每一相供电。

逆变器电路，具体包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电容、第二电容、第一电感和滤波电路。

第一开关管的第一端和第二开关管的第一端连接，第一开关管的第二端分别与第一电感的第一端和第一二极管的截止端连接，第二开关管的第二端分别与第一二极管的导通端和第一电容的第一端连接，第一电感的第二端分别与第三开关管的第一端和第三二极管的导通端连接；

第一二极管的导通端与第二电容的第一端连接，第一电容的第二端与第二二极管的导通端连接；

第二电容的第二端分别与第三二极管的截止端、第四开关管的第一端和第五开关管的第一端连接；

第三开关管的第二端、第二二极管的截止端和第四开关管的第二端连接在一起；

第六开关管的第一端与第五开关管的第二端连接，第六开关管的第二端与第二二极管的导通端连接；第五开关管的第二端连接交流负载的一端或交流电源的一端，交流负载的另一端或交流电源的另一端与直流电源的负极连接；

在交流负载或交流电源的电压处于前半周期时，第一开关管、第二开关管和第三开关管的状态为导通与关断交替进行，并且第一开关管、第二开关管和第三开关管同时导通或同时关断，第四开关管和第六开关管为关断状态，第五开关管为导通状态；

在交流负载或交流电源的电压处于后半周期时，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的状态为导通与关断交替进行，并且第一开关管、第三开关管和第四开关管同时导通或同时关断，在第一开关管导通时第二开关管关断，在第一开关管关断时第二开关管导通，第五开关管为关断状态，第六开关管为导通状态；

直流电源的正极和每一个逆变器电路的第一开关管的第一端连接，直流电源的负极和每一个逆变器电路的第二二极管的截止端连接。

滤波电路的一端与第五开关管的第二端连接，滤波电路的另一端与第二二极管的截止端连接，交流负载或交流电源与滤波电路连接。

滤波电路，具体包括：滤波电容和滤波电感；滤波电感的第一端与第五开关管的第二端连接，滤波电感的第二端与滤波电容的第一端连接，滤波电容的第二端与第二二极管的截止端连接；交流负载或交流电源与滤波电容并联连接。其中，第一电容、第二电容和滤波电容均为非电解电容。

具体的，

第一个逆变器电路，包括：第一开关管S

第二个逆变器电路，包括：第一开关管S

第三个逆变器电路，包括：第一开关管S

直流电源E分别与第一开关管S

拓展后的三相逆变器采用单电源，提高了电路的应用范围，更加适用于大功率应用场合。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。