5kW单相光伏逆变器的系统设计
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Key words: three-level neutral-point-clamped；common mode voltage；system model；midpoint potential voltage
近年来随着石油、煤炭等不可再生资源的日 益匮乏，太阳能风能等新能源技术越来越受到关 注。特别是近期国家电网推出相关政策允许个 人用户太阳能并网发电，家庭或小商户发电上网 成为可能。另外光伏电池板的价格持续降低，光伏 发电系统的投资成本已能够被个人用户所接受。
3. Ministry of Education Smart Grid Laboratory，Tianjin University，Tianjin 300072，China）
Abstract: Studied on the system design of 5 kW single-phase solar inverter. The inverter adopted single-phase split-capacitor three-level neutral-point-clamped（NPC）half bridge structure to solve the common mode voltage problem of solar inverter. The model and control method of the single phase NPC solar inverter were analyzed. A new capacitance midpoint potential voltage of NPC control method based feedback to the grid current control was proposed. It solved the problem of the unbalance of capacitance midpoint potential voltage. Finally the system design of 5 kW single-phase solar inverter was verified by simulation and experiment.
电气传动 2016 年 第 46 卷 第 8 期
ELECTRIC DRIVE 2016 Vol.46 No.8
5 kW 单相光伏逆变器的系统设计
李钊 1，张立强 2，袁绍民 2，邢文超 2，王议锋 3 （1. 天津电气科学研究院有限公司，天津 300180；2. 天津天传新能源电气有限公司，
天津 300180；3. 天津大学 智能电网教育部重点实验室，天津 300072）
摘要：研究了单相光伏逆变器的系统设计，采用三电平半桥技术解决了单相光伏逆变器的共模电压问题；
系统分析了单相三电平光伏逆变器的模型与控制方法；提出了一种基于馈网电流的三电平电容中点电压控制
方式，成功解决了中点电压不平衡问题。通过仿真和样机实验分别对 5 kW 单相光伏逆变器的系统设计进行
了验证。
关键词：中点钳位三电平；共模电压；系统模型；中点电压
光伏逆变器作为把光伏板Байду номын сангаас直流电转变为 与电网同频率同相位的交流电的重要环节，其运 行的可靠性、安全性、效率、谐波等技术指标变得 十分重要。由于电池板对地分布电容较大，如果 逆变器工作过程中产生对地共模电压，就会生成 较大的共模电流即漏电流，造成安全隐患。北京 鉴衡认证中心认证技术规范 CGC/GF004：2011 中
对逆变器的漏电流有明确的要求。通过增加变 压器可以解决此问题，但是变压器又会带来效率 的降低和成本的增加。无变压器型光伏逆变器 怎样抑制由功率管开关带来的共模电压干扰成 为近期研究的焦点。
现有单相光伏逆变器大多采用 H 桥的拓扑 结构［1］。H 桥拓扑的开关调制方式可分为双极性 调制和单极性调制。单极性调制由于控制方式 的原因会产生很大的共模电压，需要增加较复杂 的共模抑制电路（例如Π型滤波器），双极性调制 原理上不会产生共模电压，但其每次开关换流过 程都是在 2 个 IGBT 和 2 个二极管间进行，开关损 耗大，效率低。SMA 公司推出的 H5 结构在较高
1 单相光伏逆变器拓扑结构和共模 干扰抑制方法分析
本文所采用的三电平半桥结构可较好地解 决共模电压问题，如图 1 所示，三电平半桥结构的 C1，C2中点加在电网的 N 线上，由于电网的 N 线与 大地相连、电容上电压不会突变，所以光伏板正 负极与大地电压恒定，不会出现共模电压干扰。 另外三电平半桥结构在开关调制过程中，每次开 关换流过程只在 1 个 IGBT 和 1 个二极管间进行： 在电网电压为正时，V1，V3在 PWM 的互补的方式 工作，V2 常通，V4 关断；在电网电压为负时，V4，V2 在 PWM 的互补的方式工作，V3常通，V1关断。开 关损耗小，系统效率高。
作者简介：李钊（1983-），男，硕士，工程师，Email:lizhao@
36
李钊，等：5 kW 单相光伏逆变器的系统设计
电气传动 2016 年 第 46 卷 第 8 期
效率下能够较好地解决 H 桥电路的共模电压问 题，但该方法具有专利保护限制，不能直接应用 于装置研发。
针对于此，本文重点分析并设计了一款用于 家庭或小商户的 5 kW 单相光伏逆变器，其特点 是采用三电平半桥无变压器结构。半桥三电平 电路可以有效地解决共模电压问题。另外三电 平电路中每个开关管的耐压值为两电平的一半， 因此开关管的开关速度更快、损耗小、逆变器效 率高。逆变器控制系统采用矢量控制方式，电流 谐波小，系统运行稳定。
中图分类号：TM461
文献标识码：A
5 kW Single Phase Solar Inverter System Design LI Zhao1，ZHANG Liqiang 2，YUAN Shaomin 2，XING Wenchao2，WANG Yifeng3
（1. Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China； 2. Tianjin TRIED New Energy Electric Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China；
近年来随着石油、煤炭等不可再生资源的日 益匮乏，太阳能风能等新能源技术越来越受到关 注。特别是近期国家电网推出相关政策允许个 人用户太阳能并网发电，家庭或小商户发电上网 成为可能。另外光伏电池板的价格持续降低，光伏 发电系统的投资成本已能够被个人用户所接受。
3. Ministry of Education Smart Grid Laboratory，Tianjin University，Tianjin 300072，China）
Abstract: Studied on the system design of 5 kW single-phase solar inverter. The inverter adopted single-phase split-capacitor three-level neutral-point-clamped（NPC）half bridge structure to solve the common mode voltage problem of solar inverter. The model and control method of the single phase NPC solar inverter were analyzed. A new capacitance midpoint potential voltage of NPC control method based feedback to the grid current control was proposed. It solved the problem of the unbalance of capacitance midpoint potential voltage. Finally the system design of 5 kW single-phase solar inverter was verified by simulation and experiment.
电气传动 2016 年 第 46 卷 第 8 期
ELECTRIC DRIVE 2016 Vol.46 No.8
5 kW 单相光伏逆变器的系统设计
李钊 1，张立强 2，袁绍民 2，邢文超 2，王议锋 3 （1. 天津电气科学研究院有限公司，天津 300180；2. 天津天传新能源电气有限公司，
天津 300180；3. 天津大学 智能电网教育部重点实验室，天津 300072）
摘要：研究了单相光伏逆变器的系统设计，采用三电平半桥技术解决了单相光伏逆变器的共模电压问题；
系统分析了单相三电平光伏逆变器的模型与控制方法；提出了一种基于馈网电流的三电平电容中点电压控制
方式，成功解决了中点电压不平衡问题。通过仿真和样机实验分别对 5 kW 单相光伏逆变器的系统设计进行
了验证。
关键词：中点钳位三电平；共模电压；系统模型；中点电压
光伏逆变器作为把光伏板Байду номын сангаас直流电转变为 与电网同频率同相位的交流电的重要环节，其运 行的可靠性、安全性、效率、谐波等技术指标变得 十分重要。由于电池板对地分布电容较大，如果 逆变器工作过程中产生对地共模电压，就会生成 较大的共模电流即漏电流，造成安全隐患。北京 鉴衡认证中心认证技术规范 CGC/GF004：2011 中
对逆变器的漏电流有明确的要求。通过增加变 压器可以解决此问题，但是变压器又会带来效率 的降低和成本的增加。无变压器型光伏逆变器 怎样抑制由功率管开关带来的共模电压干扰成 为近期研究的焦点。
现有单相光伏逆变器大多采用 H 桥的拓扑 结构［1］。H 桥拓扑的开关调制方式可分为双极性 调制和单极性调制。单极性调制由于控制方式 的原因会产生很大的共模电压，需要增加较复杂 的共模抑制电路（例如Π型滤波器），双极性调制 原理上不会产生共模电压，但其每次开关换流过 程都是在 2 个 IGBT 和 2 个二极管间进行，开关损 耗大，效率低。SMA 公司推出的 H5 结构在较高
1 单相光伏逆变器拓扑结构和共模 干扰抑制方法分析
本文所采用的三电平半桥结构可较好地解 决共模电压问题，如图 1 所示，三电平半桥结构的 C1，C2中点加在电网的 N 线上，由于电网的 N 线与 大地相连、电容上电压不会突变，所以光伏板正 负极与大地电压恒定，不会出现共模电压干扰。 另外三电平半桥结构在开关调制过程中，每次开 关换流过程只在 1 个 IGBT 和 1 个二极管间进行： 在电网电压为正时，V1，V3在 PWM 的互补的方式 工作，V2 常通，V4 关断；在电网电压为负时，V4，V2 在 PWM 的互补的方式工作，V3常通，V1关断。开 关损耗小，系统效率高。
作者简介：李钊（1983-），男，硕士，工程师，Email:lizhao@
36
李钊，等：5 kW 单相光伏逆变器的系统设计
电气传动 2016 年 第 46 卷 第 8 期
效率下能够较好地解决 H 桥电路的共模电压问 题，但该方法具有专利保护限制，不能直接应用 于装置研发。
针对于此，本文重点分析并设计了一款用于 家庭或小商户的 5 kW 单相光伏逆变器，其特点 是采用三电平半桥无变压器结构。半桥三电平 电路可以有效地解决共模电压问题。另外三电 平电路中每个开关管的耐压值为两电平的一半， 因此开关管的开关速度更快、损耗小、逆变器效 率高。逆变器控制系统采用矢量控制方式，电流 谐波小，系统运行稳定。
中图分类号：TM461
文献标识码：A
5 kW Single Phase Solar Inverter System Design LI Zhao1，ZHANG Liqiang 2，YUAN Shaomin 2，XING Wenchao2，WANG Yifeng3
（1. Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China； 2. Tianjin TRIED New Energy Electric Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China；