光伏并网逆变器拓扑结构的研究

光伏并网逆变器拓扑的研究陈德双，陈增禄（西安工程大学电子信息学院，西安 710048）摘要： 本文介绍了多种光伏并网逆变器常用的拓扑方案， 分析了各自拓扑结构的特点、功率及适用场合，对逆变器的选型与设计提供了借鉴和参考。关键词： 光伏并网；并网逆变器；拓扑结构； Buck-boost ；三相1 引言跨入 21 世纪之后，全球正在面临能源危机，新能源已经成为世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能光伏发电技术作为新能源的重要一员得到了持续的发展。太阳能光伏发电系统可区分为两大类： 一是独立系统， 二是并网系统。 独立系统是由太阳能电池直接给负载提供功率， 多用于向偏远无电地区供电， 易受到诸如时间和季节的影响。独立系统结构图如图 1-1 所示。图 1-1 独立系统结构图随着电力电子技术的进步和控制理论的发展， 光伏并网发电已经成为太阳能利用的主要形式。 并网发电系统的特点是通过控制逆变器， 直接将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，输向电网，如图 1-2 所示。寻求高性能、低造价的光伏材料和器件以减小光伏发电系统的自身损耗是其研究热点之一。 作为光伏阵列与电网系统间进行能量变换的逆变器， 其安全性、 可靠性、 逆变效率、 制造成本等因素对发电系统的整体投资和收益具有举足轻重的地位。 因此， 对于拓扑结构的合理选择、 提高系统效率和降低生产成本有着极其重要的意义。图 1-2 并网发电系统结构图太阳能电池板 逆变器直流电 交流电 电网太阳光太阳能电池板直流负荷逆变器 交流负荷直流电 交流电太阳光蓄电池2 光伏并网逆变器拓扑方案并网逆变器作为并网发电系统进行电能变换的核心，具体电路拓扑众多，根据直流侧电源性质的不同可分为两种： 电压型逆变器和电流型逆变器， 结构如图 2-1。 电流型逆变器，其直流侧输入为电流源， 需要串联一大电感提供较为稳定的直流电流输入， 但此大电感会导致系统动态响应差， 因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用直流侧以电压源为输入的电压型逆变器。根据逆变器的输入端和输出端是否隔离，可将逆变器分为隔离型和非隔离型。隔离型逆变器一般都采用变压器进行隔离。隔离型逆变器又可分为高频变压器型和工频变压器型。也可以根据功率变换的级数将逆变器分为单级式和多级式。图 2-1 按直流侧电源性质分类的并网逆变器结构图2.1 按是否隔离分类工频变压器型逆变器采用一级 DC/AC 主电路， 变压器置于逆变器与电网之间， 如图 2-2所示。这种方式可有效阻止逆变器输出波形中的直流分量注入电网，减少对电网的污染。图 2-2 工频变压器型逆变器拓扑高频变压器型逆变器采用两级或多级变换实现并网逆变。 以两级变换为例， 如图 2-3 所示。前级将直流电压斩波为高频脉冲，通过高频变压器后整流，后级通过逆变器并网。DC AC LId + Ud C uDC AC L+ Ud Cd u+ 电流型逆变器 电压型逆变器a b Cd LT us PV + La b Cd T us Cs PV + + 图 2-3 高频变压器型逆变器拓扑高频变压器与工频变压器相比，体积小、重量轻，大大减小了投资成本。因此，一般倾向于采用高频变压器实现升降压和隔离的功能。 为了尽可能提高效率和降低成本， 并网逆变器向无变压器的非隔离型发展。 与隔离型逆变器相比， 非隔离型逆变器具有体积小、 成本低、效率高等优点。但由于输出与输入之间没有隔离，光伏模块存在一个较大的对地寄生电容，从而导致较大的对地漏电流。此漏电流会严重影响逆变器工作模式，也可能引发安全事故。2.2 按功率变换的级数分类单级式并网逆变器如图 2-4 所示， 由于直接将太阳能光伏板发出的直流电通过逆变器并入电网，因此结构简单，所需元器件少，体积较小，高效低功耗，减少资金投入，目前已成为研究热点。多级式并网逆变器相对于单级式来说需要多一级的能量转换，其中前几级具备升降压或隔离的功能，用以实现电压调整和 MPPT 的功能；最后一级实现单位功率因数并网、孤岛检测等功能，如图 2-5 所示。此类拓扑结构简化了各级的控制方法，提高了各级控制方法的效率。图 2-4 单级式逆变器拓扑方案图 2-5 多级式逆变器拓扑方案3 单级式并网逆变器拓扑结构单级式并网逆变器根据输入电压和输出电压的关系，可分为 Buck 逆变器、 Boost 逆变器和 Buck-Boost 逆变器。在市场上 Buck-Boost 逆变器使用较为广泛。图 3-1 为一个四开关非隔离型半桥 Buck-Boost 逆变器，其将输入端的光伏电源分为两部分，分别为两组 Buck-Boost 电路交替工作：当交流电网在正半周期时，开关管 V 2 常通，开关管 V 1 处于高频工作， V 1 导通时， PV 1 向 L1 供电， V 1 关断时， L1 中的电流通过 D1、 V 2DC AC PV 滤波器us DC AC PV 滤波器us DC AC PV AC DC DC AC 滤波器us 双级式DC DC 多级式图 3-1 四开关非隔离型半桥 Buck-Boost 逆变器拓扑和 Ls 向电网回馈；当交流电网在负半周期时，开关管 V 4 常通，开关管 V 3 处于高频工作，V 3 导通时， PV 2 向 L2 供电， V3 关断时， L2 中的电流通过 D 2、 V 4 和 Ls向电网回馈。本电路在每半个周期内只有两个开关管工作在高频状态，具有开关损耗低、 EMI 弱等优点。但是该拓扑结构光伏模块利用率较低，所需直流滤波电容体积较大。图 3-2 为一个隔离型反激式逆变器拓扑结构， 变压器可看作是一对相互耦合的电感， 其只用三个功率开关管和一个隔离变压器就可实现 Buck-Boost 变换：当交流电网在正半周期时，开关管 V 2 常通，开关管 V 1处于高频工作， V 1 导通时， D 1 和 V 2 处于断态， PV 向电感充电， V1 关断时，变压器中的磁场能量通过绕组 L1、 D1、 V 2 和 Ls 向电网回馈；当交流电网在负半周期时， 开关管 V 3 常通， 开关管 V 1 仍处于高频工作， V1 导通时， D2 和 V 3 处于断态，PV 向电感充电， V 1 关断时，变压器中的磁场能量通过绕组 L2、 D 2、 V 3 和 Ls 向电网回馈。该拓扑将光伏阵列和电网隔离， 但损耗有所增加。 因受反激式变压器初级绕组电感量的限制，该拓扑常用于微型光伏并网系统。图 3-2 隔离型反激式逆变器拓扑单级式 Buck-Boost 并网逆变器省去了工频变压器，结构简单、体积小、投资成本小。但需要电感储能实现升压， 因此仅适用于小功率场合。 在大功率场合， 多级式并网逆变器更为适合。PV 2 CPV CPV + + PV 1 us L1 L2 Ls V 1 V 2 V 3 V 4 D 1 D2 PV CPV + us L1 Ls V 2 D1 L2 V 4 D 2 V 1 4 多级式并网逆变器拓扑结构4.1 DC-DC-AC 双级式图 4-1 为两级式非隔离 Boost 逆变器的典型应用。该拓扑由前级 Boost 升压电路和后级全桥逆变电路组成。前级变换器实现对光伏阵列的升压保证直流电压波动在系统允许范围内， 并且实现 MPPT 功能。 后级变换器采用 PWM 控制方式以单位功率因数并网， 并实现孤岛检测等功能。 该拓扑应用两种典型成熟电路，简单可靠，并且前后级控制目标分离， 分别独立控制， 大大简化了控制算法，易于实现。 但该拓扑没有变压器，在有电气隔离要求的场合不适用。图 4-1 两级式非隔离 Boost 逆变器拓扑图 4-2 为一种高功率解耦隔离型反激式逆变器拓扑。该拓扑由前级 Buck-Boost 升斩波电路和后级半桥逆变电路组成。前级变换器实现对光伏阵列的电压变换，并且实现 MPPT功能：当 V 1 和 V 4 导通时， PV 阵列通过 V 1、 V 4、 D1 和 D 2 向电容 Cd 传递能量；当 V 1、 V 4关断， V 2 和 V3 导通时， Cd 中的能量传递给反激变压器并存储在励磁电感中；当 V2 和 V 3 图 4-2 两级式高功率解耦隔离型反激式逆变器拓扑关断时，励磁电感中的能量传递至变压器的副边。当电网在正半周时，开关管 V 5 常通，绕组 L1 通过 V 5、 D 3 和 Ls 向电网回馈能量；当电网在负半周时，开关管 V 6 常通，绕组 L2 通过V 6、 D4 和 Ls向电网回馈能量。 中间电容 Cd 被用作能量的缓存器， 其两端电压由直流分量和两倍负载频率的交流电压组成。 该拓扑的结构是用中间电容取代了电解电容， 使逆变器的整体寿命大大延长。CPV + us L1 L2 Ls V 1 V 5 V 4 V 6 D 1 D2 + PV V 2 V 3 D 3 D 4 Cs a b Cd Ls us PV CPV + Lf 4.2 DC-AC-DC-AC 多级式高升压比的多级式逆变器拓扑通常由高频 DC-AC-DC 变流器和工频（或高频）逆变器两部分组成。高频 DC-AC-DC 变流器将 PV 阵列输出电压变为可调直流电压；逆变器将该直流电转换成为工频交流电并网。 图 4-3 为后级是一个电流源型工频逆变器的多级式光伏并网逆变器。前级逆变器开关管 V 1、 V 2、 V 3 和 V 4 工作在高频状态：当 V 1 和 V 4 导通时， D 1和 D 4导通，电感 L 的电流逐渐上升；当 V 2 和 V 3 导通时， D2 和 D 3 导通，电感 L 的电流也上升。当四个开关管都关断时，四个二极管均导通，电感 L 的电流逐渐下降。控制得当即可在电感 L 上得到电流全波。后级逆变器工作在工频状态：当电网在正半周期时， V 5 和 V 8导通；当电网在负半周期时， V 6 和 V 7导通。该拓扑中间不需要电容，但如果 V 1、 V 4 和 V 2、V 3 的导通时间不对称，交流电压 uab中将含有直流分量，会在变压器一次电流中产生很大的直流分量，造成磁路饱和。图 4-3 电流源型多级式逆变器拓扑多级式光伏并网逆变器通常在前级接入高频变压器，提高升压比例，实现电气隔离；后级是工频逆变器， 减少必要的开关损耗。 但该类拓扑需要开关器件较多， 导致开关损耗有所增加。5 三相并网逆变器拓扑结构三相逆变桥是光伏系统的核心， 可将 PV 阵列输出的直流电转换成工频交流电源并入三相电网。 三相逆变器逆变桥主要有两点平逆变桥、 三电平逆变桥、 H 桥并联等几种典型拓扑，如图 5-1 所示。a b CPV T Cs + La b us V 1 V 2 V 3 V 8 V 4 V 5 V 6 V 7 D 1 D3 D 4 D 2 a b c （ a） 两电平逆变桥拓扑结构图 5-1 三相逆变桥拓扑结构目前在光伏三相并网发电系统中， 两电平逆变器拓扑结构应用最为广泛， 主要因为该拓扑结构简单，易于控制，易于实现 SPWM 和 SVPWM 调制技术。三电平逆变器拓扑结构输出电流谐波含量低，电感体积较小，但算法较为复杂，目前处在研究试验阶段。6 结束语光伏并网发电作为太阳能发电形式的一种，由于其自身的优点逐渐成为光伏发电的趋势， 同时世界各国新建光伏电站通过并网形式向电网馈电以实现商业化运作， 因此相关的并网技术成为研究热点。 本文对光伏并网逆变器的几种典型拓扑结构进行了简要分析， 对逆变器的选型与设计提供了借鉴和参考。参考文献：[1] 赵为 . 太阳能光伏并网发电系统的研究 [D]. 合肥 : 合肥工业大学， 2003. 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