聯(lián)網(wǎng)單相光伏逆變器的無變壓器拓撲

1、安陽師范學院本科學生論文聯(lián)網(wǎng)單相光伏逆變器的無變壓器拓撲作 者： 系（院）： 物理與電氣工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 學 號： 111154021 指導老師： 日 期： 聯(lián)網(wǎng)單相光伏逆變器的無變壓器拓撲（安陽師范學院 物理與電氣工程學院, 河南 安陽 455000）摘要：為了提高光伏系統(tǒng)的效率和降低成本，利用無變壓器的光伏逆變器是一個備受關(guān)注的可選方案。但此一線路結(jié)構(gòu)仍需要仔細的研究，因為它存在一些問題，涉及到網(wǎng)絡(luò)與光伏發(fā)電機之間的電路連接（即效率下降及安全問題）。本文，對基于無變壓器拓撲的聯(lián)網(wǎng)單相光伏逆變器進行了評價，一方面提出了基于傳統(tǒng)拓撲的一些可供選擇的方案；另一方面

2、，對基于多電平逆變器拓撲的可能性也進行了探討，且對比傳統(tǒng)的拓撲，這已顯示出不會產(chǎn)生漏電流的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：多電平逆變器 無變壓器逆變器 光伏逆變器 可再生能源1、 引言可再生能源，尤其是經(jīng)過驗證的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于全球變暖意識的深化以及政府對這種技術(shù)的認可，近年來已有較大的發(fā)展?？稍偕茉吹碾娏D(zhuǎn)換過程，借助于功率變換器完成，但存在效率和成本之類關(guān)鍵因數(shù)的一些問題。在聯(lián)網(wǎng)的光伏逆變器特殊情況下，大多數(shù)功率變換器拓撲采用了在低頻或高頻工作的變壓器，它為光伏配電板和電網(wǎng)之間提供了電路的絕緣。低頻的變壓器體積大、笨重且昂貴，且在系統(tǒng)中產(chǎn)生附加損耗。絕緣變壓器的尺寸通過兩級拓撲可大幅減小，該拓撲中的變

3、壓器以高頻運行，但這一解決途徑因需要最少兩個級聯(lián)的功率變換器，而使效率下降。因此，最近幾年來，提出了基于無變壓器拓撲的大量逆變器，致使功率處理系統(tǒng)更便宜，結(jié)構(gòu)更緊湊和效率更高。此外，當應(yīng)用無變壓器的逆變器時，必須采用為測量絕緣電阻和剩余電流的一些技術(shù)，以便使無變壓器的逆變器比帶變壓器的逆變器更加安全。功率100kW以上大的中心逆變器，可由小尺寸的逆變器取代，這些逆變器處理的能源是由單串或少量組串的太陽能電池板提供的。下面的這一解決方法，可以改善大型光伏電站電池板組的MPPT（最大功率點跟蹤），因為它能接受到很多不同的太陽輻照度，由于這個原因，對單相逆變器的應(yīng)用功率已高達5kW很感興趣。鑒于上述

4、理由，提出了大量小功率的拓撲，以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的單相無變壓器逆變器，在這種逆變器中，光伏電池板和電網(wǎng)之間沒有電路的絕緣，結(jié)果會出現(xiàn)一些問題，需要特別小心。如橫跨在光伏板上的共模電壓和漏電電流。由于光伏電池和裝置接地之間存在不容忽視的寄生電容，在一定的運行條件下（例如潮濕度、灰塵或安裝模式），該電容能達到很大的數(shù)值。對于晶體硅電池，這一典型的電容值在50150nF/kwp之間變化；對于薄膜電池，則達到1F/kwp。2、 共模電壓問題（common mode voltage ）逆變器開關(guān)的切換，在光伏板的極位上可能產(chǎn)生交變的共模電壓，這將引起電容性漏電流，如圖1（a）和（b）所示。共模電壓值可按下式（1

5、）估算，式中，網(wǎng)絡(luò)濾波電感L1和L2值之間的失配應(yīng)予以考慮，這在共模電壓問題上起著重要的作用。 (1)因為此二者的影響，光伏板的寄生電容和逆變器的共模電壓，將引發(fā)接地的漏電流，這可能在光伏功率板上產(chǎn)生嚴重的問題（例如，保護的動作、效率的下降、安全性、網(wǎng)絡(luò)電流的附加畸變以及電磁兼容問題）。在無變壓器全H-橋逆變器中，當采用單極PWM調(diào)制時，有一高頻的共模電壓施加到光伏板上，因而將出現(xiàn)一不可忽視的漏電流，如圖2所示。其實驗條件選擇如下：輸出功率5kW；網(wǎng)絡(luò)電壓230V/50Hz；濾波器電感電容LC為2850H/12F；開關(guān)頻率10KHz；接地電阻1；漏電容2140nF。此外，在應(yīng)急光電元件技術(shù)中發(fā)

6、現(xiàn)到涉及漏電流的附加問題。當利用運行在高電壓值的反向接點光伏電池時，漏電池在電池的前表面形成負電荷，影響到再結(jié)合的機理并降低電池的效率。幸而，這是一個可逆效應(yīng)，如果功率光伏逆變器設(shè)計成負的光伏串極點接地的話，這樣，將產(chǎn)生負的電壓梯度（遞減率），可避免這一現(xiàn)象。在非晶硅薄膜電池（-si）和鎘碲化物（CdTe）情況下，如果在模塊內(nèi)面濕氣冷凝并存在負電壓接地，在TCO（透明的導體氧化物）上可能起動一不可逆的腐蝕過程。這一現(xiàn)象將導致效率的下降，因而縮短了光伏模塊的使用壽命。為防止這一現(xiàn)象，必須遵循：通過模塊周邊的嚴格密封以免在光伏模塊內(nèi)出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。但難于保證這一系統(tǒng)的所具功能超過一年。另一種高度有效

7、措施是將光伏板的負極接地，由于電場的定向性可避免該腐蝕過程。無變壓器逆變器的研究致力于尋求一種具有漏電流小的拓撲，試圖保持或改善傳統(tǒng)拓撲的性能，例如半H-橋拓撲，因為中性線接到輸入電壓的中點，它可提供很小的漏電流。如圖3所示，其實驗條件的選用同圖2的實驗條件。 圖 3：在半H-橋光伏逆變器中產(chǎn)生的漏電流本文對實現(xiàn)單相無變壓器光伏逆變器的各種拓撲進行了評論，包括施加于光伏板上的共模電壓，產(chǎn)生電流的質(zhì)量以及在每一拓撲中使用半導體元件的數(shù)目和特性。3、 從電橋拓撲引伸出來的功率變換器這些逆變器是基于全H-橋和半H-橋結(jié)構(gòu)，并在文獻中已廣泛研究。本節(jié)將分析以下的無變壓器拓撲：帶單極和雙極調(diào)制的全H-橋

8、、半H-橋、HERIC拓撲（高效率和可靠的逆變器方案），H5拓撲以及帶附加發(fā)電控制電路的半H-橋。3.1 全H-橋 在聯(lián)網(wǎng)光伏逆變器中最廣泛應(yīng)用的拓撲是全H-橋，它由4個晶體三極管組成，如圖4所示，由于大多數(shù)工業(yè)用的逆變器采用這一拓撲與低頻變壓器結(jié)合，故應(yīng)用無變壓器逆變器的研究備受關(guān)注。 圖 4：全H-橋拓撲用于這一拓撲最普通的調(diào)制為單極PWM，因它與雙極調(diào)制比較存在一些優(yōu)點（例如高頻時的電流脈動較小，較高的效率和較小的電磁干擾發(fā)射）。然而，當單極PWM調(diào)制用于無變壓器全H-橋逆變器時，幅值Vdc/2的高頻共模電壓將施加到光伏板上，這樣,因光伏板的寄生電容會引發(fā)不可忽視的漏電流，這就是在無變壓

9、器逆變器中不提倡采用這種調(diào)制的原因。為了解決在全H-橋光伏逆變器中的漏電流問題，可以應(yīng)用雙極的PWM調(diào)制。這一調(diào)制消除了光伏板上共模電壓的高頻分量，因而共模電壓僅有一次諧波的低頻分量，由此減小了漏電流。但為了限制漏電流的峰值，在H-橋晶體管的控制極信號之間同步性好是關(guān)鍵。否則，漏電流將大幅增加。因此，這一拓撲對于無變壓器光伏逆變器，即使采用雙極的PWM調(diào)制也不能認為是一個好的選擇方案。3.2 半H-橋 半H-橋拓撲由2個晶體管和接到光伏模塊的電容分配器組成，如圖5所示。網(wǎng)絡(luò)中性線接到電容分配器的中點確保了幾乎恒定的共模電壓，這樣就防止了通過光伏模塊寄生電容的漏電流。 圖 5：半H-橋逆變器拓撲

10、盡管這一變換器比H-橋拓撲成本較低，結(jié)構(gòu)簡單（主要因半H-橋較之H-橋用了一半的半導體），這一拓撲在實際中應(yīng)用稀少，因為有某些難于克服的缺點（如輸出波形僅有2級，輸出電流高度失真并引起大的電磁干擾發(fā)射，以及與全H-橋拓撲比較，開關(guān)必須支持雙倍電壓），因而要求較高截止（blocking）電壓的功率晶體管，致使開關(guān)損耗增大。為了改善半H-橋的性能，文獻中提出了這一拓撲的幾種變型，用于無變壓器逆變器中，最重要的幾種如下所示。3.3 高效率可靠的逆變器方案（HERIC） 這一拓撲結(jié)合單極PWM調(diào)制減小漏電池和高效率的優(yōu)點，正成為一些工業(yè)上用逆變器的拓撲，尤其是用于太陽能光伏發(fā)電的逆變器中。如前節(jié)所述，

11、對利用3電平輸出電壓的無變壓器逆變器將光伏板接到電網(wǎng)上很感興趣。但是，圖2所示結(jié)果，利用全H-橋已表明這一配置在光伏電極上引入了高頻紋波，這將引發(fā)不可忽視的漏電流，通過光伏板的寄生電容接地。為避免該漏電流且保持3電平輸出電壓，開發(fā)了一種基于全H-橋的新拓撲，并取得了由縮寫字（HERIC）的專利技術(shù)。 圖6：HERIC拓撲在HERIC拓撲中，加上兩個分支電路與輸出濾波器并聯(lián)，如圖6所示。這些附加的分支開關(guān)處于電網(wǎng)頻率下，為的是T1在正半周時為接通狀態(tài)，在負半周時為斷開狀態(tài)；而T2在負半周時為接通狀態(tài)，在正半周時為斷開狀態(tài)。這就允許二極管D1和D2的工作分別作為在正半周和負半周時的續(xù)流（free-

12、wheeling）二極管。從而防止輸出電流流過全H-橋的二極管。該所述特點是導致光伏板與電網(wǎng)隔離和得到第三電平的原因，也即當D1或D2導通時相同的一個保持短路，逆變器輸出電壓0V。該HERIC拓撲允許光伏板保持-浮動（可變）的電壓接地，這樣就得到了實際恒定的共模電壓。而且，與通用的H-橋比較，可以提高效率，由于在續(xù)流期間電流不流過H-橋的半導體，當逆變器運行在輕載情況下，這一特性能得到充分利用。HERIC拓撲的主要缺點是開關(guān)數(shù)比通用的全H-橋拓撲的多，這將導致變換器結(jié)構(gòu)更復雜。3.4 H5拓撲 這一拓撲與全H-橋比較只需一附加的晶體三極管，這就是它的名字H5（4+1=5）的原因。H5拓撲已由S

13、MA取得專利，SMA被認為是全球光伏逆變器的主導制造廠商之一。H5也是基于HERIC拓撲的相同理念，也即在電流續(xù)流期間，從電網(wǎng)斷開光伏板，以防止光伏板電極接地電壓的開關(guān)頻率脈動，因而具有幾乎恒定的共模電壓。 圖 7:H5拓撲圖7中表明H5拓撲利用了由4個開關(guān)S1、S2、S3和S4組成的全橋電路和一直流旁路（DC-bypass）開關(guān)S5.開關(guān)S1和S2運行于電網(wǎng)頻率，而S3，S4和S5則運行于高頻率。在電流續(xù)流期間，S5開路，從逆變器的全H-橋斷開了光伏板。續(xù)流的路徑沿晶體管S1和電網(wǎng)正半周時S3的反向二極管閉合；以及沿晶體管S3和負半周時S1的反向二極管閉合。利用H5無變壓器逆變器拓撲，有可能

14、得到高的頻率，尤其是在局部負載下。與全H-橋拓撲比較，它只需要一附加的晶體管。但是，因晶體管與全H-橋逆變器串聯(lián)，如果半導體的選擇不是最優(yōu)，則導通損耗可能會增大。目前，某些工業(yè)上用的逆變器利用這一拓撲，特別是有專利權(quán)的那些，是實現(xiàn)無變壓器光伏逆變器的正確有效選擇。3.5 帶發(fā)電控制電路（GCC）的半H-橋 帶GCC的半H-橋是基于帶2個以上附加晶體管的半橋逆變器，這使其各光伏串有獨立的最大功率點跟蹤（MPPT）功能。這一拓撲的線路圖如圖8所示。在此圖中，由開關(guān)S1與S2及電感器L1組成的GCC電路，和由開關(guān)S3與S4及電感器L2組成的半H-橋電路，二者可視為等同。 圖 8：帶發(fā)電控制電路的半橋

15、拓撲GCC是傳統(tǒng)的降壓-升壓斬變器，利用直流回路電容器組的中點和負極作為輸入，而利用直流回路電容器組的正極和中點作為輸出。這樣，則可均勻分配不同光伏串之間的負載電流。不管是否存在不同于GCC實現(xiàn)若干光伏板獨立MPPT的選擇方案，這一拓撲當用于成對光伏串時，是最令人感興趣的，因它需要像全H-橋那樣相同的元件數(shù)，也即4個晶體管和2個電感器可保持半H-橋變換器的共模電壓性能。由此，確保了低的共模電流。此外，GCC開關(guān)的dc/dc僅是光伏串之間的功率差，總的功率損耗降低。值得指出的是，該逆變器的性能與半H-橋的性能類似，缺點也相同，即比全H-橋有較大的電流脈動，較高的功率損耗和較大的電磁干擾。然而，利

16、用GCC則可能改善光伏板的性能，由于兩個光伏板的最大功率點能獨立跟蹤，在這些裝置中這點很重要，因其中不同的光伏串承受著不同的裝置條件（例如，不同的方向性，局部的陰影以至每串光伏板數(shù)的微小差別）。4. 基于多電平拓撲的逆變器多電平拓撲是基于這一方式逆變器的半導體和無源部件的特殊布局，在這一方式的功率變換器輸出上，可獲得三個或三個以上分立的DC電壓電平。這些拓撲廣泛應(yīng)用于大功率場合，它用于小功率無變壓器逆變器時并未認為是一個可選方案，主要由于額外要求的功率二極管和三極管的成本。但是幸虧半導體的價格下降，最近，多電平拓撲正應(yīng)用于開發(fā)小功率無變壓器的逆變器中。著重指出這種變換器應(yīng)克服兩個重要的局限性，

17、一方面減少須完成檢測的數(shù)量；另一方面，多電平變換器的組裝部件應(yīng)設(shè)計成減小寄生電感。為克服這些缺點，半導體的制造廠家研發(fā)了集成基本多電平結(jié)構(gòu)的功率模塊。下面介紹的無變壓器多電平拓撲有：級聯(lián)的H-橋（CHB）。NPC（中點箝位）半橋，飛跨電容器（FC），NPC半橋的變型，Conergy-NPC和有源NPC（ANPC）。4.1 級聯(lián)的H-橋（CHB） 最簡單的多電平結(jié)構(gòu)是通過交流側(cè)串聯(lián)連接H-橋光電元件，與此同時，利用了每一直流回路的光伏板。帶第二級輸出濾波器的二級CHB多電平逆變器示于圖9。 圖 9：級聯(lián)H-橋多電平逆變器必須指出這一多電平拓撲，如同H-橋功率級一樣要求很多隔離電源，這是當它用于傳

18、統(tǒng)的電力電子應(yīng)用場合時（如大功率電動機驅(qū)動）要考慮的問題。然而光伏模塊滿足這一要求，在光伏功率逆變器設(shè)計過程中，它可依次使CHB拓撲處于有利的選擇。在此拓撲中最感興趣的特點之一是能充分提升逆變器交流側(cè)的電壓，不用變壓器或者附加的升壓變換器，就能將電流注入電網(wǎng)，由于像所期望的很多模塊一樣，可以串聯(lián)堆積，因而可增加輸出電壓電平的數(shù)值（例如，圖9中在逆變器輸出電壓Vinv下獲得了Vpv1+Vpv2的最大值）。事實上，這一特性激發(fā)推動了對各種最大功率點跟蹤策略的研究，這就可能實現(xiàn)每組光伏模塊的獨立控制，與此同時，也可控制注入電網(wǎng)的電流。值得指出的是一些工程已利用這一模塊結(jié)構(gòu)，即使以損壞的功率光電元件工

19、作，也提高了系統(tǒng)的可靠性。最后，應(yīng)該指出的是，所需半導體的元件數(shù)會影響到價格和可靠性，漏電流可能大，取決于光電元件串聯(lián)連接的數(shù)目。4.2 NPC半橋 NPC半橋是用于大功率電動機驅(qū)動場合的多電平拓撲之單相修正版。這是新近提出的可供選擇的用于光伏逆變器設(shè)計的拓撲，它由帶4個晶體管和2個箝位二極管的分支電路組成，如圖10所示。二極管為輸出電流提供一續(xù)流路徑，導致OV輸出電壓狀態(tài)。 圖 10：NPC半橋逆變器一方面，NPC半橋拓撲的工作方式類似于半橋的工作，但它的效率更好，電流脈動較小和恒定的共模電壓，由此防止了漏電流。另一方面，NPC拓撲有類似于帶單極PWM調(diào)制的全橋拓撲的性能，也即3個輸出的逆變

20、器電壓電平和類似的電壓方案。因此，該變換器的輸出濾波器和性能均與單極PWM調(diào)制的全橋相同。這一拓撲的主要缺點可列于下：它需要大量的功率半導體，要求電容器的大電容組合，以及為全橋輸入電壓兩倍的高輸入電壓。另一個重要的問題是，由于缺乏并聯(lián)電容器而發(fā)生在內(nèi)部晶體管上的瞬時過電壓，雖然這一問題可利用緩沖電路（snubber circuit）來解決，但在所有半導體元件上的功率損耗還是分配不均勻的。最后，值得提出的是：這一選擇方案比級聯(lián)的H橋（CHB）或飛跨電容器（FC）拓撲，價格便宜約15%，而且結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，因此，在某些工業(yè)上用的無變壓器逆變器中可見到它的應(yīng)用。 圖11：FC逆變器4.3 飛跨電

21、容器（FC） 飛跨電容器拓撲的結(jié)構(gòu)和性能類似于上述的NPC拓撲，因而它的漏電流很小，圖11中的浮充電容器CFC取代了用于NPC半橋拓撲中的箝位二極管，并提供在輸出電壓上的第三電平，也即OV電平。為了避免起動期間在晶體管上不期望的過電壓，要求為浮充電容器與預充電的一個特殊電路，此外，為保持其電壓值在給定的基準值，浮充電容器的電壓必須予以控制。這樣，F(xiàn)C控制策略比NPC控制策略更復雜。但是，有少數(shù)輸出電平時，可應(yīng)用由逆變器電感性輸出阻抗的簡單技術(shù)，該技術(shù)是基于逆變器多余（重復）的開關(guān)狀態(tài)。FC逆變器的一個有趣的特點是：當電平數(shù)足夠高時，可能得到的容許故障（fault-tolerant）運行，即使在

22、晶體管或浮充電容器損壞時這一運行也能允許逆變器持續(xù)工作。4.4 帶電容分配器的NPC半橋 這一拓撲加上電容分配器到上述的NPC半橋，因而避免了中性線直接連到直流回路的中點，如圖12所示。 圖12：帶電容分配器的NPC半橋 通過附加的電容分配器這就確保了光伏串電極的電壓保持恒定。因而，漏電流也減小了。著重指出，如果中性線直接接到直流回路的中點，必須利用高精度的傳感器以保證沒有直流電注入，這樣一來，整個系統(tǒng)的成本和復雜性就增加了。帶電容分配器的NPC半橋拓撲中，各電容器隨著時間累積了輸出電流的直接分量，從而可用低精度的電壓傳感器，簡化了它的檢測，故盡管兩個附加的大電流電容器，成本仍然較低。應(yīng)注意到

23、提出拓撲的其余優(yōu)點和缺點，都與NPC半橋拓撲的相同。4.5 Conergy NPC Conergy NPC是NPC半橋的另一變形，這是由Conergy開發(fā)和取得專利的。圖13所示為該拓撲的基本線路圖。它是由半橋逆變器和一個能施加0V到輸出電壓的分支電路組成的。 圖13：Conergy NPC逆變器這一拓撲的特性類似于NPC半橋的，但它的效率更高，使其適用于小功率應(yīng)用場合。4.6 有源NPC（ANPC） 由帶反向并聯(lián)二極管的功率晶體管取代NPC逆變器的箝位二極管是可能的，這導致了圖14所示拓撲，該拓撲被稱為有源NPC（ANPC）,且其主要特點在于續(xù)流期間對電流路徑的控制。這使得損耗的分布得到改善，因而功率晶體管上的負載均勻，并增加了變換器的最大輸出功率。然而，有時選擇較大電流的NPC拓撲，尤其在小功率應(yīng)用場合可能更經(jīng)濟。 圖14：有源NPC逆變器5. 無變壓器光伏（PV）逆變器的特性為了掌握迄今為止提到的若干拓撲，以獲得更好的性能，將前面定義的下列關(guān)鍵項進行比較是有利的。（1）輸入電容器及電容的數(shù)量：輸入電容器是用于提