一种混源型光伏逆变器及其控制方法

本发明涉及电力电子，具体而言，涉及一种混源型光伏逆变器及其控制方法。

背景技术：

1、并网逆变器主要用于将能源设备产生的直流电转变成电网所需的交流电。按照能源设备的不同，并网逆变器一般可分为光伏发电并网逆变器、风力发电并网逆变器、动力设备发电并网逆变器等等。

2、在现有技术中存在各种类型的并网逆变器。比如，按照直流侧电源性质的不同，可分为电压源型并网逆变器和电流源型并网逆变器；按照隔离方式的不同，可分为隔离型并网逆变器和非隔离型并网逆变器。按照转换能级次数的不同，并网逆变器又可分为单级并网逆变器、两级并网逆变器、多级并网逆变器。

3、现有技术中，单级并网逆变器包括单级单一变压并网逆变器、单级可升降压并网逆变器。图1为现有技术中单级电压源型并网逆变器的电路拓扑图。其中，q1至q4为绝缘栅双极性晶体管，lg2为第二滤波电感。参照图1，单级电压源型并网逆变器可实现降压逆变，即输出的交流电压的峰值小于输入的直流电压值。图2为现有技术中单级电流源型并网逆变器的电路拓扑图。参照图2，单级电流源型并网逆变器可实现升压逆变，即输出的交流电压的峰值大于输入的直流电压值。在实际应用中，将可再生能源作为等效直流电源进行并网发电过程中，其输入的直流电压可能在一个较大范围内变动。比如，在不同天气情况下，同一光伏电池组产生的直流电压可能在300v-700v范围内变动。因此，传统的单级单一变压并网逆变器的应用受到了很大限制。

4、单级可升降压并网逆变器包括两种典型电路拓扑，z源并网逆变器(z-source1并网逆变器)和自然软开关并网逆变器。图3为现有技术中z源并网逆变器的电路拓扑图。参照图3，z源并网逆变器能通过一级电路实现升压或降压逆变，减少了功率器件的数量。图4为现有技术自然软开关并网逆变器的电路拓扑图。其中，q5为绝缘栅双极性晶体管。当图4中的第五绝缘栅双极性晶体管q5闭合时，其等效于一个直流输入侧为lc滤波电路、交流输出侧为lcl滤波电路的电压源型并网逆变器。当图4中的第五绝缘栅双极性晶体管s5断开时，其等效于一个交流输出侧为lcl滤波电路的电流源型并网逆变器。z源并网逆变器改变了等效直流输入电源的性质，使其既具备电压源又具备电流源特性。自然软开关逆变器在不同工作需求阶段，其直流输入电源呈现电压源或电流源特性。目前，其它单级可升降压并网逆变器的原理与这两类并网逆变器类似。但是，与传统电压源型并网逆变器相比，这两类并网逆变器都有一个缺点，即由于其功率回路中额外串接了一个、两个甚至多个平波电感，增加了额外的功率损失。

5、在现有技术中，传统的两级并网逆变器由boost(升压)dc-dc(直流-直流)电路和逆变电路构成，并且在其两级电路中的功率开关均以高频工作，开关损耗很大。图5为现有技术中两级时分式复合并网逆变器。参照图5所示，在两级时分式复合并网逆变器中，当直流输入电压低于电网电压时，此时并网逆变器可等效为工作在boost(升压)模式下的电流源逆变器；当直流输入电压高于电网电压时，此时并网逆变器可等效为工作在buck(降压)模式下的电压源逆变器。图6为现有技术中两级时分式复合并网逆变器的boost(升压)工作状态图；

6、图7为现有技术中两级时分式复合并网逆变器的buck(降压)工作状态图。参照图6以及图7，两级时分式复合并网逆变器降低了开关损耗，但是在以boost模式高频工作期间，输出滤波器等效为cl-cl滤波器，虽然滤波效果得到加强，但同时也带来了功率损耗加大与控制难度加大的问题。

7、针对现有技术的缺陷，在对变化范围较大的直流输入电压进行220v/380v低压并网时，亟需一种既能降低各种功率损耗，如开关损耗、输电线路损耗，提高效率的并网逆变器，又能抑制漏电流，开关器件少的并网逆变器。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种混源型光伏逆变器及其控制方法，主要是为了解决在现有技术中并网逆变器功率损耗高，不能抑制漏电流，控制难度大，结构复杂的问题。

2、一个方面，本发明提出了一种混源型光伏逆变器，包括：

3、直流电源e1、第一电容c1、第二电容c2、滤波电容cg、第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1、第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2、第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1、第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2、第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3、第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4、第一直流电感ldc1、第二直流电感ldc2、第一滤波电感lg1、第一二极管d1和交流电源vg；

4、其中，所述第一电容c1和第二电容c2的大小相等；

5、所述直流电源e1的正极连接所述第一电容c1的第一端和所述第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3的第一端，所述直流电源e1的负极连接所述第二电容c2的第一端和所述第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4的第一端；

6、所述第一电容c1的第二端和所述第二电容c2的第二端连接并接地；

7、所述第一二极管d1的阴极连接所述第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3的第二端和所述第一直流电感ldc1的第一端，所述第一二极管d1的阳极连接所述第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4的第二端和所述第二直流电感ldc2的第一端；

8、所述第一直流电感ldc1的第二端连接所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1的第一端和所述第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1的第一端；

9、所述第二直流电感ldc2的第二端连接所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2的第二端和所述第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2的第二端；

10、所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1的第二端连接所述滤波电容cg的第二端、所述交流电源vg的第二端和所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2的第一端；

11、所述第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1的第二端连接所述滤波电容cg的第一端、所述第一滤波电感lg1第一端和所述第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2的第一端；

12、所述第一滤波电感lg1的第二端连接交流电源vg的第一端，且所述交流电源vg第二端接地；

13、所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2的第二端连接所述第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2的第二端和第二直流电感ldc2的第二端。

14、在本技术的一些实施例中，所述第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1为逆阻型绝缘栅双极性晶体管或串联一个二极管和一个场效应晶体管。

15、在本技术的一些实施例中，所述第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2为逆阻型绝缘栅双极性晶体管或串联一个二极管和一个场效应晶体管。

16、在本技术的一些实施例中，所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1、第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2、第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3和第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4为场效应晶体管或高频功率开关管。

17、另一个方面，本发明提出了一种混源型光伏逆变器的控制方法，包括第一变流方法、第二变流方法和第三变流方法；

18、所述第一变流方法包括：

19、当直流电源e1的直流输入电压大于交流电源vg的交流电压绝对值时，所述混源型光伏逆变器拓扑工作在降压模式，其中：

20、在交流电压正半周时，第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3高频工作，第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1导通，第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1、第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2、第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2和第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4关断；

21、在交流电压负半周时，第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4高频工作，第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2导通，第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1、第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2、第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1和第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3关断；

22、当直流电源e1的直流输入电压小于交流电源vg的交流电压绝对值时，所述混源型光伏逆变器拓扑工作在升压模式，其中：

23、在交流电压正半周时，第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3和第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1导通，第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1高频工作，第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2、第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2和第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4关断；

24、在交流电压负半周时，第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4和第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2导通，第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2，第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1、第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1和第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3关断。

25、在本技术的一些实施例中，所述第二变流方法包括：

26、当直流电源e1的直流输入电压大于交流电源vg的交流电压绝对值时，所述混源型光伏逆变器拓扑工作在降压模式，其中：

27、在交流电压正半周时，第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3和第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4高频工作，第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2和第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1导通，第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1和第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2关断；

28、在交流电压负半周时，第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3和第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4高频工作，第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1和第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2导通，第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2和第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1关断；

29、当直流电源e1的直流输入电压小于交流电源vg的交流电压绝对值时，所述混源型光伏逆变器拓扑工作在升压模式，其中：

30、在交流电压正半周时，第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2和第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3导通，第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1、第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1和第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4高频工作，且第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1和第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1互补导通，第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2关断；

31、在交流电压负半周时，第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1和第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4导通，第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2、第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2和第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3高频工作，且第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2和第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2互补导通，第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1关断。

32、在本技术的一些实施例中，所述第三变流方法包括：

33、当直流电源e1的直流输入电压大于或小于交流电源vg的交流电压绝对值时，所述混源型光伏逆变器拓扑工作在降压-升压模式，其中：

34、在交流电压正半周时，第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1、第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3和第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4高频工作，第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2和第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1导通，第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2关断；

35、在交流电压负半周时，第二金属氧化物半导体场效应晶体管s2、第三金属氧化物半导体场效应晶体管s3和第四金属氧化物半导体场效应晶体管s4高频工作，第一金属氧化物半导体场效应晶体管s1和第二逆阻型绝缘栅双极性晶体管t2导通，第一逆阻型绝缘栅双极性晶体管t1关断。

36、与现有技术相比，本发明存在以下有益效果：

37、本发明的混源型光伏逆变器和现有技术的逆变器相比，其优点在于，本发明相对于传统的各种逆变器功率回路电感压降最小，当直流输入电压的一半高于交流电压瞬时值的绝对值时，该混源型光伏逆变器拓扑的等效电路是采用lcl滤波器的电压源逆变器；当直流输入电压的一半低于交流电压瞬时值的绝对值时，该混源型光伏逆变器拓扑的等效电路是采用cl滤波器的电流源逆变器。

38、本发明可使用场效应晶体管作为开关器件，其导通损耗较小，仅有一级电路在高频状态下工作，从而降低开关损耗，实现高频情况下的高效率。

39、本发明中混源型光伏逆变器的控制方法具有多种变流方式，逆变器在电解电容出现部分老化后，将逐步从电压源逆变器转化至电流源型逆变器的工作方式，并使直流侧电感部分参与功率解耦，以补偿电容老化后带来的不足。在牺牲可接受的效率的基础上，延长了逆变器整体的使用寿命，节省了成本。