光伏發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用 教學(xué)課件作者 魏學(xué)業(yè) 第六章

1、6.1.1 硬、軟開(kāi)關(guān)方式及開(kāi)關(guān)過(guò)程器件損耗1硬開(kāi)關(guān)方式 所謂的硬開(kāi)關(guān)或硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換Hard-Switching transformation，是指開(kāi)關(guān)器件在其端電壓不為零時(shí)開(kāi)通硬開(kāi)通，在其電流不為零時(shí)關(guān)斷硬關(guān)斷，硬開(kāi)通、硬關(guān)斷統(tǒng)稱(chēng)為硬開(kāi)關(guān)。 無(wú)論是在DC/DC變換或是DC/AC變換中，電路多按PWM方式工作，器件處于重復(fù)的開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程。由于器件上的電壓uT、電流iT會(huì)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中同時(shí)存在，因而會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)功率損耗。以圖6-1a Buck變換電路為例，設(shè)開(kāi)關(guān)器件VF為理想器件，關(guān)斷時(shí)無(wú)漏電流，導(dǎo)通時(shí)無(wú)管壓降，因此穩(wěn)定通或斷時(shí)應(yīng)無(wú)損耗。圖6-1b為開(kāi)關(guān)過(guò)程中VF上的電壓、電流及損耗p的波形，設(shè)負(fù)載

2、電流io=Io恒定。第6章 光伏逆變器相關(guān)技術(shù)圖6-1 Buck直流變換電路硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓、電流損耗p的波形a) Buck變換電路 b) 硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中的波形2軟開(kāi)關(guān)方式開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通過(guò)程中端電壓很小，在關(guān)斷過(guò)程中其電流也很小，這種開(kāi)關(guān)過(guò)程的功率損耗不大，稱(chēng)之為軟開(kāi)關(guān)。理想軟開(kāi)關(guān)波形如圖6-3a所示，器件開(kāi)通時(shí)，器件兩端電壓uT首先下降為零，然后施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug，器件的電流iT才開(kāi)始上升；器件關(guān)斷時(shí)，通過(guò)某種控制方式使器件中電流iT下降為零后，撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug，電壓uT才開(kāi)始上升。實(shí)際軟開(kāi)關(guān)波形如圖6-3b所示，器件開(kāi)通時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)管施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電流上升的開(kāi)通過(guò)程中，電壓不大且迅速下降為零。

3、器件關(guān)斷時(shí)，撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電流下降的關(guān)斷過(guò)程中，電壓不大且上升很緩慢。實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的具體措施是在開(kāi)關(guān)電路中增設(shè)小值電感、電容等儲(chǔ)能元件，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前、后引入諧振，確保在電壓或電流諧振過(guò)零時(shí)刻實(shí)現(xiàn)開(kāi)通和關(guān)斷。如在降壓型零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路中見(jiàn)圖6-4，增加了諧振電感Lr和諧振電容Cr，與濾波電感Lf、電容Cf相比，Lr和Cr的值小得多，同時(shí)開(kāi)關(guān)管VF增加了反并聯(lián)二極管VD1，而硬開(kāi)關(guān)電路中不需要這個(gè)二極管。在該電路中，由于開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，消除了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流的重疊，從而大大減小甚至消除開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)，諧振過(guò)程限制了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流的變化

4、率，這使得開(kāi)關(guān)噪聲也顯著減小。圖6-3 軟開(kāi)關(guān)特性a) 零電壓開(kāi)通，零電流判斷波形 b) 軟開(kāi)通，軟判斷波形圖6-4 Buck直流變換電路的軟開(kāi)關(guān)電路6.1.2 軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)器件導(dǎo)通前兩端電壓就已為零的開(kāi)通方式稱(chēng)為零電壓開(kāi)通，器件關(guān)斷前流過(guò)的電流就已為零的關(guān)斷方式為零電流關(guān)斷，這都是靠電路開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般無(wú)需具體區(qū)分開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程，稱(chēng)為零電壓開(kāi)關(guān)ZVS和零電流開(kāi)關(guān)ZCS。根據(jù)電路中主要開(kāi)關(guān)器件是零電壓開(kāi)通還是零電流關(guān)斷，首先可將軟開(kāi)關(guān)電路劃分為零電壓電路和零電流電路兩大類(lèi)；其次按軟開(kāi)關(guān)技術(shù)開(kāi)展的歷程和諧振機(jī)理可將軟開(kāi)關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路

5、。1準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器2零開(kāi)關(guān)PWM電路3零轉(zhuǎn)換PWM電路6.1.3 典型的軟開(kāi)關(guān)電路1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路ZVSQRC以DC/DC降壓變換電路為例的零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖如圖6-8a所示，開(kāi)關(guān)管VF與諧振電容Cr并聯(lián)，諧振電感Lr與VF串聯(lián)，假設(shè)電感Lf和電容Cf很大，可以等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。開(kāi)關(guān)電路的工作過(guò)程是按開(kāi)關(guān)周期重復(fù)的，在分析時(shí)可以選擇開(kāi)關(guān)周期中任意時(shí)刻為分析的起點(diǎn)，選擇適宜的起點(diǎn)，可以使分析得到簡(jiǎn)化。假定t0，VF處于通態(tài)，iT=iL=Io，uT=ucr=0，續(xù)流二極管VD截止。在t=0時(shí)撤除VF的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug，把一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中的通、斷過(guò)程可分為7個(gè)開(kāi)關(guān)狀

6、態(tài)，其電壓、電流波形如圖6-8b所示。圖6-8 零電壓開(kāi)通準(zhǔn)諧振變換電路工作過(guò)程a) 電路 b) 電壓、電流波形2零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路ZCSQRC 以DC/DC降壓變換電路為例的零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路如圖6-11a所示，電路中Cf足夠大，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中輸出負(fù)載電流Io和輸出電壓Uo都恒定不變。如果濾波電感Lf足夠大，那么Ts中If=Io恒定不變。 假定t0時(shí)，ug=0，VF處于斷態(tài)，VD續(xù)流。iT=iL=0，ID=If=Io，uT=Ud，=0，續(xù)流二極管VD截止，在t=0時(shí)VF施加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug，把一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中的通、斷過(guò)程可分為5個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其電壓、電流波形如圖6-11be所示。圖6

7、-11 零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路工作過(guò)程3零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路ZVS PWM零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路是在 ZVS QRC電路的諧振電感Lr上并聯(lián)一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管VD2和VF2組成的，如圖6-12所示。圖6-12 Buck ZVS PWM變換電路和工作波形a) 電路圖 b) 波形圖4零電流轉(zhuǎn)換PWM電路ZCS PWMZCS PWM變換電路是在 ZCS QRC電路的諧振電容Cr上并聯(lián)一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管VF2和其并聯(lián)的VD2組成的，如圖6-13所示。圖6-13 Buck零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖和主要電量波形圖a) 電路圖 b) 主要波形圖5諧振直流環(huán)在光伏逆變器中的變換電路中多存在中間直流環(huán)節(jié)，DC/AC逆變

8、電路中的功率器件都將在恒定直流電壓下以硬開(kāi)關(guān)方式工作，如圖6-14a所示，導(dǎo)致器件開(kāi)關(guān)損耗大、開(kāi)關(guān)頻率提不高，相應(yīng)輸出特性受到限制。如果在直流環(huán)節(jié)中引入諧振，使直流母線(xiàn)電壓高頻振蕩，出現(xiàn)電壓過(guò)零時(shí)刻，如圖6-14b所示，就為逆變電路功率器件提供了實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件，這就是諧振直流環(huán)節(jié)電路的根本思想。圖6-15為用于電壓型逆變器的諧振直流環(huán)原理電路及其等效電路。原理電路中，Lr、Cr為諧振電感、電容；諧振開(kāi)關(guān)器件VF保證逆變器中所有開(kāi)關(guān)工作在零電壓開(kāi)通方式。實(shí)際電路中，VF的開(kāi)關(guān)動(dòng)作可用逆變器中開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷來(lái)代替，無(wú)需專(zhuān)門(mén)開(kāi)關(guān)。圖6-15 諧振直流環(huán)電路a) 原理電路 b) 等效電路由于諧

9、振周期相對(duì)于逆變器開(kāi)關(guān)周期短得多，故在諧振過(guò)程分析中可以認(rèn)為逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)不變。此外電壓源逆變器負(fù)載多為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電流變化緩慢，分析中可認(rèn)為負(fù)載電流恒定為，故可導(dǎo)出圖6-15b的等效電路，其中VF的作用用開(kāi)關(guān)S表示。諧振直流環(huán)的工作過(guò)程可用圖6-16所示波形來(lái)說(shuō)明。圖6-16 諧振直流環(huán)工作波形圖6.2.1 逆變器并聯(lián)運(yùn)行控制模式1集中控制方式2主從控制方式3分布式并聯(lián)控制4無(wú)互連線(xiàn)獨(dú)立控制方式6.2 逆變器并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)6.2.2 逆變器并聯(lián)運(yùn)行條件 由于PWM逆變器并聯(lián)系統(tǒng)不具有自同步能力，所以為確保PWM逆變器并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定與可靠，系統(tǒng)中的各個(gè)逆變器必須滿(mǎn)足一定的條件。下面以

10、兩臺(tái)逆變器并聯(lián)為例，分析逆變器并聯(lián)所需的條件，其等效電路如圖6-21所示。其中、表示兩個(gè)逆變器的橋臂中點(diǎn)輸出電壓向量；L1、L2和C1、C2分別是兩個(gè)逆變器的濾波電感和濾波電容；RL是兩個(gè)逆變器的公共負(fù)載。圖6-21 兩逆變器并聯(lián)運(yùn)行等效電路6.2.3 逆變器并聯(lián)均流控制方法1有功、無(wú)功控制2電壓和頻率下垂控制3瞬時(shí)調(diào)制控制技術(shù)6.2.4 逆變器并聯(lián)的環(huán)流分析與抑制1逆變模塊工作于逆變狀態(tài)分析對(duì)于逆變模塊并聯(lián)時(shí)工作于逆變狀態(tài)，其主電路的工作狀態(tài)可分別由圖6-23、圖6-24、圖6-25的各個(gè)狀態(tài)圖進(jìn)行說(shuō)明。圖6-23、圖6-24、圖6-25中的工作狀態(tài)圖是對(duì)正半周母線(xiàn)電壓這里指逆變模塊并聯(lián)后輸

11、出的交流電壓，以下同進(jìn)行描述的，對(duì)于負(fù)半周交流電壓，也可作相同分析。圖6-23表示VF1、VF4導(dǎo)通，直流側(cè)能量饋入母線(xiàn)電壓，電流IL以圖中箭頭所示的方向增加。圖6-24表示，VF1、VF3導(dǎo)通，直流側(cè)能量對(duì)電容C進(jìn)行充電，電感L儲(chǔ)存能量通過(guò)VF1及VD3組成回路與母線(xiàn)電壓進(jìn)行能量交換。如電流IL的絕對(duì)值減小，表示主電路工作于逆變狀態(tài)，電感IL儲(chǔ)能減??；反之，那么表示主電路工作于可控整流狀態(tài)，電感IL儲(chǔ)能增加。圖6-23 主電路工作狀態(tài)1圖6-24 主電路工作狀態(tài)2圖6-25 主電路工作狀態(tài)32主功率管驅(qū)動(dòng)波形分析3環(huán)流分量的抑制6.2.5 逆變器并聯(lián)的同步控制逆變系統(tǒng)中，為抑制模塊間環(huán)流的影

12、響，模塊實(shí)現(xiàn)功率均分，必須保證電壓、相位和頻率的一致性。保證各逆變模塊的輸出電壓的相位及頻率的一致性，實(shí)現(xiàn)同步控制，這是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)控制關(guān)鍵的前提條件。并聯(lián)逆變系統(tǒng)輸出電壓的同步原理如圖6-26所示。在并聯(lián)控制器中設(shè)置一個(gè)公共同步基準(zhǔn)信號(hào)，各并聯(lián)逆變器均能接受該同步信號(hào)，并使輸出電壓跟蹤該信號(hào)，從而到達(dá)各逆變器輸出電壓同步的目的。輸出電壓跟蹤同步信號(hào)鎖相環(huán)電路完成。由于晶振的振蕩頻率精度很高，并具有良好的穩(wěn)定性，因此可認(rèn)為不同逆變器的輸出電壓頻率近似相等，同步的主要任務(wù)是使與的相位一致。6.3.1 移相多重疊加法由信號(hào)分析理論可知，一個(gè)方波信號(hào)如圖6-27所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為式6-6

13、，從式中可看出包含基波分量和奇次諧波分量。而諧波分量特6.3 逆變器的多重疊加技術(shù)圖6-27 方波信號(hào)6.3.2 多重疊加法的根本原理假設(shè)將N個(gè)單相方波逆變器的輸出變壓器次級(jí)，按照?qǐng)D6-28所示的方式串聯(lián)起來(lái)，就組成了單相串聯(lián)多重疊加式逆變器，如果N個(gè)單相方波逆變器用的都是橋式逆變電路，那么此單相串聯(lián)多重疊加式逆變器既能改善輸出電壓波形，又能調(diào)節(jié)輸出電壓。圖6-28 單相串聯(lián)多重疊加式逆變器圖6-29 單臺(tái)橋式逆變器及其波形圖a) 電路圖 b) 輸出電壓波形圖6-30 逆變器輸出電壓的諧波特性圖6-31 兩個(gè)單相橋式逆變器的串聯(lián)疊加a) 電路圖 b) 疊加波形圖6.3.4 三個(gè)單相橋式逆變器的串聯(lián)疊加圖6-32 三個(gè)單相橋式逆變器的串聯(lián)疊加電路及波形圖a) 電路 b) 向量圖 c) 疊加波形圖多電平逆變器作為一種新型的高壓大功率逆變器從電路拓?fù)淙胧?，在得到高質(zhì)量的輸出波形的同時(shí)，克服兩電平電路的諸多缺點(diǎn)：無(wú)需輸出變壓器和動(dòng)態(tài)均壓電路，開(kāi)關(guān)頻率低，因而開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力小、系統(tǒng)效率高、對(duì)電網(wǎng)污染少等。目前應(yīng)用成熟的有主要有二極管鉗位型、電容鉗位型和獨(dú)立直流源級(jí)聯(lián)型3種拓?fù)洌娖揭矎娜娖?、五電平開(kāi)展到了更多電平，這3種結(jié)構(gòu)具有共同的優(yōu)點(diǎn)： 電平數(shù)越高，輸出電壓諧波含量越低； 器件開(kāi)關(guān)頻率低，開(kāi)關(guān)損耗??；