联网单相光伏逆变器的无变压器拓扑

1 安阳师范学院本科学生论文联网单相光伏逆变器的无变压器拓扑作 者：系（院） ： 物理与电气工程学院专 业： 电气工程及其自动化年 级：学 号： 111154021 指导老师：日 期：2 联网单相光伏逆变器的无变压器拓扑（安阳师范学院 物理与电气工程学院 , 河南 安阳 455000 ）摘要： 为了提高光伏系统的效率和降低成本，利用无变压器的光伏逆变器是一个备受关注的可选方案。 但此一线路结构仍需要仔细的研究， 因为它存在一些问题， 涉及到网络与光伏发电机之间的电路连接（即效率下降及安全问题） 。本文， 对基于无变压器拓扑的联网单相光伏逆变器进行了评价， 一方面提出了基于传统拓扑的一些可供选择的方案；另一方面，对基于多电平逆变器拓扑的可能性也进行了探讨，且对比传统的拓扑，这已显示出不会产生漏电流的优越性。关键词： 多电平逆变器 无变压器逆变器 光伏逆变器 可再生能源1、引言可再生能源， 尤其是经过验证的光伏发电系统， 由于全球变暖意识的深化以及政府对这种技术的认可，近年来已有较大的发展。可再生能源的电力转换过程， 借助于功率变换器完成， 但存在效率和成本之类关键因数的一些问题。在联网的光伏逆变器特殊情况下， 大多数功率变换器拓扑采用了在低频或高频工作的变压器， 它为光伏配电板和电网之间提供了电路的绝缘。 低频的变压器体积大、 笨重且昂贵， 且在系统中产生附加损耗。 绝缘变压器的尺寸通过两级拓扑可大幅减小， 该拓扑中的变压器以高频运行， 但这一解决途径因需要最少两个级联的功率变换器，而使效率下降。因此，最近几年来，提出了基于无变压器拓扑的大量逆变器，致使功率处理系统更便宜，结构更紧凑和效率更高。此外，当应用无变压器的逆变器时，必须采用为测量绝缘电阻和剩余电流的一些技术， 以便使无变压器的逆变器比带变压器的逆变器更加安全。功率 100kW 以上大的中心逆变器，可由小尺寸的逆变器取代，这些逆变器处理的能源是由单串或少量组串的太阳能电池板提供的。下面的这一解决方法，可以改善大型光伏电站电池板组的 MPPT（最3 大功率点跟踪） ，因为它能接受到很多不同的太阳辐照度，由于这个原因，对单相逆变器的应用功率已高达 5kW 很感兴趣。鉴于上述理由， 提出了大量小功率的拓扑， 以实现联网的单相无变压器逆变器， 在这种逆变器中， 光伏电池板和电网之间没有电路的绝缘，结果会出现一些问题，需要特别小心。如横跨在光伏板上的共模电压和漏电电流。 由于光伏电池和装置接地之间存在不容忽视的寄生电容，在一定的运行条件下（例如潮湿度、灰尘或安装模式） ，该电容能达到很大的数值。 对于晶体硅电池， 这一典型的电容值在 50～150nF/kwp 之间变化；对于薄膜电池，则达到 1μ F/ kwp。2、 共模电压问题（ common mode voltage ）逆变器开关的切换，在光伏板的极位上可能产生交变的共模电压 ， 这 将 引 起 电 容 性 漏 电 流 ， 如 图 1 （ a ） 和 （ b ） 所 示 。4 共模电压值可按下式（ 1）估算，式中，网络滤波电感 L1 和 L2值之间的失配应予以考虑，这在共模电压问题上起着重要的作用。(1)因为此二者的影响， 光伏板的寄生电容和逆变器的共模电压， 将引发接地的漏电流，这可能在光伏功率板上产生严重的问题（例如，保护的动作、效率的下降、安全性、网络电流的附加畸变以及电磁兼容问题） 。在无变压器全 H-桥逆变器中，当采用单极 PWM调制时，有一高频的共模电压施加到光伏板上， 因而将出现一不可忽视的漏电流， 如图 2 所示。 其实验条件选择如下： 输出功率 5kW； 网络电压 230V/50Hz；滤波器电感电容 LC为 2× 850μ H/12μ F；开关频率 10KHz；接地电阻1 ；漏电容 2× 140nF。5 此外， 在应急光电元件技术中发现到涉及漏电流的附加问题。 当利用运行在高电压值的反向接点光伏电池时， 漏电池在电池的前表面形成负电荷，影响到再结合的机理并降低电池的效率。幸而，这是一个可逆效应，如果功率光伏逆变器设计成负的光伏串极点接地的话，这样，将产生负的电压梯度（递减率） ，可避免这一现象。在非晶硅薄膜电池（ α -si）和镉碲化物（ CdTe）情况下，如果在模块内面湿气冷凝并存在负电压接地，在 TCO（透明的导体氧化物）上可能起动一不可逆的腐蚀过程。 这一现象将导致效率的下降， 因而缩短了光伏模块的使用寿命。为防止这一现象，必须遵循：通过模块周边的严格密封以免在光伏模块内出现冷凝现象。 但难于保证这一系统的所具功能超过一年。 另一种高度有效措施是将光伏板的负极接地， 由于电场的定向性可避免该腐蚀过程。6 无变压器逆变器的研究致力于寻求一种具有漏电流小的拓扑， 试图保持或改善传统拓扑的性能，例如半 H-桥拓扑，因为中性线接到输入电压的中点，它可提供很小的漏电流。如图 3 所示，其实验条件的选用同图 2 的实验条件。图 3：在半 H- 桥光伏逆变器中产生的漏电流本文对实现单相无变压器光伏逆变器的各种拓扑进行了评论， 包括施加于光伏板上的共模电压， 产生电流的质量以及在每一拓扑中使用半导体元件的数目和特性。3、 从电桥拓扑引伸出来的功率变换器这些逆变器是基于全 H-桥和半 H-桥结构，并在文献中已广泛研究。本节将分析以下的无变压器拓扑：带单极和双极调制的全 H-桥、半 H-桥、 HERIC拓扑（高效率和可靠的逆变器方案） ， H5拓扑以及带7 附加发电控制电路的半 H-桥。3.1 全 H-桥 在联网光伏逆变器中最广泛应用的拓扑是全 H-桥，它由 4 个晶体三极管组成，如图 4 所示，由于大多数工业用的逆变器采用这一拓扑与低频变压器结合， 故应用无变压器逆变器的研究备受关注。图 4：全 H- 桥拓扑用于这一拓扑最普通的调制为单极 PWM，因它与双极调制比较存在一些优点 （例如高频时的电流脉动较小， 较高的效率和较小的电磁干扰发射） 。然而，当单极 PWM调制用于无变压器全 H-桥逆变器时，幅值 Vdc/2 的高频共模电压将施加到光伏板上，这样 , 因光伏板的寄生电容会引发不可忽视的漏电流， 这就是在无变压器逆变器中不提倡采用这种调制的原因。为了解决在全 H-桥光伏逆变器中的漏电流问题，可以应用双极的 PWM调制。 这一调制消除了光伏板上共模电压的高频分量， 因而共模电压仅有一次谐波的低频分量， 由此减小了漏电流。 但为了限制漏电流的峰值，在 H-桥晶体管的控制极信号之间同步性好是关键。否则，漏电流将大幅增加。因此，这一拓扑对于无变压器光伏逆变器，即使采用双极的 PWM调制也不能认为是一个好的选择方案。8 3.2 半 H-桥 半 H-桥拓扑由 2 个晶体管和接到光伏模块的电容分配器组成， 如图 5 所示。 网络中性线接到电容分配器的中点确保了几乎恒定的共模电压，这样就防止了通过光伏模块寄生电容的漏电流。图 5：半 H- 桥逆变器拓扑尽管这一变换器比 H-桥拓扑成本较低，结构简单（主要因半 H-桥较之 H-桥用了一半的半导体） ，这一拓扑在实际中应用稀少，因为有某些难于克服的缺点 （如输出波形仅有 2 级， 输出电流高度失真并引起大的电磁干扰发射，以及与全 H-桥拓扑比较，开关必须支持双倍电压） ，因而要求较高截止（ blocking ）电压的功率晶体管，致使开关损耗增大。为了改善半 H-桥的性能，文献中提出了这一拓扑的几种变型，用于无变压器逆变器中，最重要的几种如下所示。3.3 高效率可靠的逆变器方案 （ HERIC） 这一拓扑结合单极 PWM调制减小漏电池和高效率的优点，正成为一些工业上用逆变器的拓扑，尤其是用于太阳能光伏发电的逆变器中。如前节所述， 对利用 3 电平输出电压的无变压器逆变器将光伏板9 接到电网上很感兴趣。但是，图 2 所示结果，利用全 H-桥已表明这一配置在光伏电极上引入了高频纹波，这将引发不可忽视的漏电流，通过光伏板的寄生电容接地。为避免该漏电流且保持 3 电平输出电压，开发了一种基于全 H-桥的新拓扑，并取得了由缩写字（ HERIC）的专利技术。图 6： HERIC 拓扑在 HERIC拓扑中，加上两个分支电路与输出滤波器并联，如图 6所示。这些附加的分支开关处于电网频率下，为的是 T1 在正半周时为接通状态， 在负半周时为断开状态； 而 T2 在负半周时为接通状态，在正半周时为断开状态。 这就允许二极管 D1和 D2的工作分别作为在正半周和负半周时的续流（ free-wheeling ）二极管。从而防止输出电流流过全 H-桥的二极管。该所述特点是导致光伏板与电网隔离和得到第三电平的原因，也即当 D1或 D2导通时相同的一个保持短路，逆变器输出电压 0V。该 HERIC拓扑允许光伏板保持 - 浮动（可变）的电压接地，这样就得到了实际恒定的共模电压。而且，与通用的 H-桥比较，可以提高效率，由于在续流期间电流不流过 H-桥的半导体，当逆变器运行在轻载情况下，这一特性能10 得到充分利用。HERIC拓扑的主要缺点是开关数比通用的全 H-桥拓扑的多， 这将导致变换器结构更复杂。3.4 H5 拓扑 这一拓扑与全 H-桥比较只需一附加的晶体三极管， 这就是它的名字 H5（ 4+1=5） 的原因。 H5拓扑已由 SMA取得专利，SMA被认为是全球光伏逆变器的主导制造厂商之一。 H5 也是基于HERIC拓扑的相同理念，也即在电流续流期间，从电网断开光伏板，以防止光伏板电极接地电压的开关频率脉动， 因而具有几乎恒定的共模电压。图 7:H5 拓扑图 7 中表明 H5拓扑利用了由 4 个开关 S1、 S2、 S3和 S4组成的全桥电路和一直流旁路（ DC-bypass）开关 S5.开关 S1 和 S2 运行于电网频率，而 S3， S4 和 S5 则运行于高频率。在电流续流期间， S5开路，从逆变器的全 H-桥断开了光伏板。续流的路径沿晶体管 S1 和电网正半周时 S3 的反向二极管闭合；以及沿晶体管 S3 和负半周时S1的反向二极管闭合。利用 H5 无变压器逆变器拓扑，有可能得到高的频率，尤其是在局部负载下。与全 H-桥拓扑比较，它只需要一附加的晶体管。但是，11 因晶体管与全 H-桥逆变器串联，如果半导体的选择不是最优，则导通损耗可能会增大。目前， 某些工业上用的逆变器利用这一拓扑， 特别是有专利权的那些，是实现无变压器光伏逆变器的正确有效选择。3.5 带发电控制电路 （ GCC） 的半 H-桥 带 GCC的半 H-桥是基于带 2 个以上附加晶体管的半桥逆变器， 这使其各光伏串有独立的最大功率点跟踪 （ MPPT） 功能。 这一拓扑的线路图如图 8 所示。 在此图中，由开关 S1 与 S2 及电感器 L1 组成的 GCC电路，和由开关 S3 与 S4 及电感器 L2 组成的半 H-桥电路，二者可视为等同。图 8：带发电控制电路的半桥拓扑GCC是传统的降压 -升压斩变器，利用直流回路电容器组的中点和负极作为输入，而利用直流回路电容器组的正极和中点作为输出。这样，则可均匀分配不同光伏串之间的负载电流。不管是否存在不同于 GCC实现若干光伏板独立 MPPT的选择方案，这一拓扑当用于成对光伏串时，是最令人感兴趣的，因它需要像全H-桥那样相同的元件数，也即 4 个晶体管和 2 个电感器可保持半 H-12 桥变换器的共模电压性能。由此，确保了低的共模电流。此外， GCC开关的 dc/dc 仅是光伏串之间的功率差，总的功率损耗降低。值得指出的是，该逆变器的性能与半 H-桥的性能类似，缺点也相同，即比全 H-桥有较大的电流脉动，较高的功率损耗和较大的电磁干扰。然而， 利用 GCC则可能改善光伏板的性能，由于两个光伏板的最大功率点能独立跟踪， 在这些装置中这点很重要， 因其中不同的光伏串承受着不同的装置条件（例如，不同的方向性，局部的阴影以至每串光伏板数的微小差别） 。4. 基于多电平拓扑的逆变器多电平拓扑是基于这一方式逆变器的半导体和无源部件的特殊布局， 在这一方式的功率变换器输出上， 可获得三个或三个以上分立的 DC电压电平。这些拓扑广泛应用于大功率场合，它用于小功率无变压器逆变器时并未认为是一个可选方案， 主要由于额外要求的功率二极管和三极管的成本。但是幸亏半导体的价格下降，最近，多电平拓扑正应用于开发小功率无变压器的逆变器中。着重指出这种变换器应克服两个重要的局限性， 一方面减少须完成检测的数量； 另一方面， 多电平变换器的组装部件应设计成减小寄生电感。 为克服这些缺点， 半导体的制造厂家研发了集成基本多电平结构的功率模块。下面介绍的无变压器多电平拓扑有： 级联的 H-桥 （ CHB） 。 NPC（中点箝位）半桥，飞跨电容器（ FC） ， NPC半桥的变型， Conergy-NPC和有源 NPC（ ANPC） 。4.1 级联的 H-桥（ CHB） 最简单的多电平结构是通过交流侧串联连接 H-桥光电元件，与此同时，利用了每一直流回路的光伏板。带第二级输出滤波器的二级 CHB多电平逆变器示于图 9。13 图 9：级联 H- 桥多电平逆变器必须指出这一多电平拓扑，如同 H-桥功率级一样要求很多隔离电源， 这是当它用于传统的电力电子应用场合时 （如大功率电动机驱动）要考虑的问题。然而光伏模块满足这一要求，在光伏功率逆变器设计过程中，它可依次使 CHB拓扑处于有利的选择。在此拓扑中最感兴趣的特点之一是能充分提升逆变器交流侧的电压，不用变压器或者附加的升压变换器，就能将电流注入电网，由于像所期望的很多模块一样， 可以串联堆积， 因而可增加输出电压电平的数值 （例如， 图 9 中在逆变器输出电压 Vinv 下获得了 Vpv1+Vpv2的最大值） 。事实上，这一特性激发推动了对各种最大功率点跟踪策略的研究，这就可能实现每组光伏模块的独立控制，与此同时，也可控制注入电网的电流。值得指出的是一些工程已利用这一模块结构，即使以损坏的功率光电元件工作，也提高了系统的可靠性。最后， 应该指出的是， 所需半导体的元件数会影响到价格和可靠14 性，漏电流可能大，取决于光电元件串联连接的数目。4.2 NPC 半桥 NPC 半桥是用于大功率电动机驱动场合的多电平拓扑之单相修正版。 这是新近提出的可供选择的用于光伏逆变器设计的拓扑， 它由带 4 个晶体管和 2 个箝位二极管的分支电路组成， 如图10 所示。 二极管为输出电流提供一续流路径， 导致 OV输出电压状态。图 10 ： NPC 半桥逆变器一方面， NPC半桥拓扑的工作方式类似于半桥的工作，但它的效率更好，电流脉动较小和恒定的共模电压，由此防止了漏电流。另一方面， NPC拓扑有类似于带单极 PWM调制的全桥拓扑的性能，也即 3个输出的逆变器电压电平和类似的电压方案。 因此， 该变换器的输出滤波器和性能均与单极 PWM调制的全桥相同。这一拓扑的主要缺点可列于下： 它需要大量的功率半导体， 要求电容器的大电容组合， 以及为全桥输入电压两倍的高输入电压。 另一个重要的问题是， 由于缺乏并联电容器而发生在内部晶体管上的瞬时过电压，虽然这一问题可利用缓冲电路（ snubber circuit ）来解决，但在所有半导体元件上的功率损耗还是分配不均匀的。最后，值得提出的是：这一选择方案比级联的 H 桥（ CHB）或飞跨电容器（ FC）拓扑，价格便宜约 15%，而且结构简单，坚固耐用，15 因此，在某些工业上用的无变压器逆变器中可见到它的应用。图 11 ： FC 逆变器4.3 飞跨电容器 （ FC） 飞跨电容器拓扑的结构和性能类似于上述的 NPC拓扑， 因而它的漏电流很小， 图 11 中的浮充电容器 CFC取代了用于 NPC半桥拓扑中的箝位二极管， 并提供在输出电压上的第三电平，也即 OV电平。为了避免起动期间在晶体管上不期望的过电压， 要求为浮充电容器与预充电的一个特殊电路， 此外， 为保持其电压值在给定的基准值，浮充电容器的电压必须予以控制。这样， FC控制策略比 NPC控制策略更复杂。但是， 有少数输出电平时，可应用由逆变器电感性输出阻抗的简单技术，该技术是基于逆变器多余（重复）的开关状态。FC 逆变器的一个有趣的特点是：当电平数足够高时，可能得到的容许故障（ fault-tolerant ）运行，即使在晶体管或浮充电容器损坏时这一运行也能允许逆变器持续工作。4.4 带电容分配器的 NPC半桥 这一拓扑加上电容分配器到上述的 NPC半桥，因而避免了中性线直接连到直流回路的中点，如图12 所示。16 图 12 ：带电容分配器的 NPC 半桥通过附加的电容分配器这就确保了光伏串电极的电压保持恒定。因而，漏电流也减小了。着重指出，如果中性线直接接到直流回路的中点，必须利用高精度的传感器以保证没有直流电注入，这样一来，整个系统的成本和复杂性就增加了。带电容分配器的 NPC半桥拓扑中， 各电容器随着时间累积了输出电流的直接分量， 从而可用低精度的电压传感器，简化了它的检测，故尽管两个附加的大电流电容器，成本仍然较低。 应注意到提出拓扑的其余优点和缺点， 都与 NPC半桥拓扑的相同。4.5 Conergy NPC Conergy NPC 是 NPC半桥的另一变形，这是由 Conergy 开发和取得专利的。图 13 所示为该拓扑的基本线路图。它是由半桥逆变器和一个能施加 0V到输出电压的分支电路组成的。17 图 13： Conergy NPC 逆变器这一拓扑的特性类似于 NPC半桥的， 但它的效率更高， 使其适用于小功率应用场合。4.6 有源 NPC（ ANPC） 由带反向并联二极管的功率晶体管取代NPC逆变器的箝位二极管是可能的，这导致了图 14 所示拓扑，该拓扑被称为有源 NPC（ ANPC） , 且其主要特点在于续流期间对电流路径的控制。 这使得损耗的分布得到改善， 因而功率晶体管上的负载均匀，并增加了变换器的最大输出功率。 然而， 有时选择较大电流的 NPC拓扑，尤其在小功率应用场合可能更经济。图 14：有源 NPC 逆变器5. 无变压器光伏（ PV）逆变器的特性18 为了掌握迄今为止提到的若干拓扑， 以获得更好的性能， 将前面定义的下列关键项进行比较是有利的。（ 1）输入电容器及电容的数量：输入电容器是用于提供输入电流的交流成分。 在一些拓扑中需要多个电容器 （或多于一组电容器） ，故直流回路的设计更复杂：在某些拓扑中，输入电流的频率低，故所需输入电容能达到很大的值。（ 2）功率半导体：利用的功率开关应力求数量最少，因为它直接影响到变换器的成本。 半导体的电压定额通常影响其功率损耗， 故开关中低电压定额的拓扑令人感兴趣。（ 3）输出电压：好的输出电压质量意味着好的输出电流质量，电流谐波含量低则容易滤波，这意味着能获得 3 电平输出电压的拓扑， 较之仅有 2 电平输出电压的拓扑， 具有较好的性能和较低的电磁干扰。（ 4） MPPT的数目：光伏逆变器应能控制输入电压，以便管理好从光伏模块上得到的功率， 某些拓扑能控制一个以上的输入电压， 这样就能跟踪若干个最大功率点，故在不同的隔离条件下改善了性能。（ 5）漏电流：如前面引言中所述，必须遵照的原则是要减小无变压器逆变器中的漏电流。表 1 列出， 通过上述定义的各项， 所提出的各种拓扑之间的比较。第 1 页表 1 ：所提供各种拓扑的比较H-桥（单极 PWM）H- 桥（双极 PWM）半桥 HERIC 拓扑H5 拓扑带 GCC 半桥级联 H-桥（ n光电元件）NPC 半桥飞跨电容（ FC）输入电容器 1 1 2 1 1 2 n 2 3 输入电容 低 低 高 低 低 中等 很高 高 高开关 4 4 2 6 5 4 4n 4 4 二极管 0 0 0 2 0 0 0 2 0 晶体管电压 400V 400V 800V 400V 400V 800V 400V/n 400V 400V 输出电压电平 3 2 2 3 3 2 2n-1 3 3 一次谐波 2fsw fsw fsw 2fsw 2fsw fsw 2nfsw 2fsw 2fsw 电磁干扰 （ EMI） 低 高 高 低 低 高 很低 低 低MPPT数 1 1 1 1 1 2 n 1 1 漏电流 大 小 很小 很小 很小 很小 中等 很小 很小图 14 （ c）仿真正弦波