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基于改進(jìn)型全橋電路的非隔離光伏并網(wǎng)逆變器

發(fā)布時(shí)間：2011-09-13

中心議題：
  • 討論非隔離光伏并網(wǎng)逆變器
  • 研究非隔離并網(wǎng)逆變器常用電路拓?fù)?/strong>
解決方案：
  • 采用改進(jìn)型全橋非隔離光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/strong>
  • 實(shí)現(xiàn)對漏電流性能和變換效率進(jìn)行優(yōu)化

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1．非隔離光伏并網(wǎng)逆變器

1.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電對世界能源的貢獻(xiàn)逐年增大，這有目共睹。

IEA PVPS的數(shù)據(jù)顯示，2009年該項(xiàng)目成員國共安裝光伏容量6.2GW（全球安裝約7GW），其中超過95%為并網(wǎng)系統(tǒng)，如圖1。

圖1光伏發(fā)電對世界能源的貢獻(xiàn)逐年增加

1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列和并網(wǎng)逆變器組成（如圖2）。其中并網(wǎng)逆變器對發(fā)電系統(tǒng)的性能和成本起著重要的決定作用。

按照是否帶變壓器，并網(wǎng)逆變器可以分為隔離型和非隔離型，包括：工頻隔離并網(wǎng)逆變器、高頻隔離并網(wǎng)逆變器、非隔離并網(wǎng)逆變器（單級式和多級式）等。

工頻隔離并網(wǎng)逆變器（如圖3）具有電氣隔離、消除電流直流分量等優(yōu)點(diǎn)，但體積重量大、價(jià)格高，只有94%—96%的系統(tǒng)效率。

高頻隔離并網(wǎng)逆變器（如圖4）具有電氣隔離、體積、重量、成本降低等優(yōu)勢，但系統(tǒng)效率只有90%—95%。

非隔離并網(wǎng)逆變器分為單級式非隔離并網(wǎng)逆變器和兩級式非隔離并網(wǎng)逆變器。單級式非隔離并網(wǎng)逆變器適合更高PV電壓和功率；而兩級式非隔離并網(wǎng)逆變器適合寬電壓范圍的PV陣列，它們都具有98.8%的最高效率，體積小、重量輕、成本低，但其缺點(diǎn)是電池板和電網(wǎng)之間出現(xiàn)電氣連接。

圖2光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)
 
圖3工頻隔離并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖
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電氣連接為漏電流提供了流通路徑，是高效率的非隔離光伏并網(wǎng)逆變器應(yīng)用的最大障礙。漏電流問題會產(chǎn)生寄生電容150nF/kWp，引起開關(guān)頻率共模電壓源。目前大多采用電路結(jié)構(gòu)SPWM調(diào)制的策略。

圖4高頻隔離并網(wǎng)逆變器

2.非隔離并網(wǎng)逆變器常用電路拓?fù)?/strong>

過去，我們常采用雙極性SPWM調(diào)制的全橋并網(wǎng)逆變器（圖5為其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），因?yàn)槠湫什桓?，常?yīng)用在小功率場合，而且沒有專利壁壘。

圖5雙極性SPWM調(diào)制的全橋并網(wǎng)逆變器的拓

這里我們要介紹幾種具有專利的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.1 Sunways公司的專利拓?fù)?/strong>

單相兩級式系列：AT 2700/3000/3600/4500/5000：

單相單級式系列：NT 2500/3700/4200/5000；

三相兩級式系列：Three-phase IxIT 10000/11000/12000。

圖6 Sunways公司的專利拓?fù)?/div> 2.2 SMA公司的專利拓?fù)?/strong>

單相兩級式系列：SB3000TL/4000TL/5000TL;

單相單級式系列：SMC6000TL /7000TL /8000TL/9000TL /10000TL /11000Tlo

圖7SMA公司的專利拓?fù)?/div> [page]
2.3半橋型拓?fù)?/strong>

二電平SPWM半橋無專利壁壘，因而被廣泛采用；此外，還有單極性SPWM三電平半橋。

3．改進(jìn)型全橋非隔離光伏并網(wǎng)逆變器

先來看單相并網(wǎng)逆變器的漏電流分析的模型（如圖8）是如何解決單相并網(wǎng)逆變器的漏電流問題的。

濾波支路：受進(jìn)網(wǎng)濾波器、EMI濾波器和電網(wǎng)寄生參數(shù)支配，對共模電流回路阻抗起主導(dǎo)作用；

寄生支路：由橋臂中點(diǎn)寄生電容構(gòu)成，對共模電流回路阻抗起影響作用：

我們通過單相并網(wǎng)逆變器的漏電流分析模型（如圖9）歸納出兩種消除漏電流的途徑：

(1)在電路和寄生參數(shù)對稱的前提下（即滿足VCM-DM：0)，SPWM開關(guān)方式產(chǎn)生的VCM電壓為恒值；

圖8單相并網(wǎng)逆變器的漏電流分析的模型
 
圖9單相并網(wǎng)逆變器的漏電流分析的模型

(2)SPWM開關(guān)方式產(chǎn)生的VCM電壓為高頻時(shí)變時(shí)，通過電路參數(shù)匹配使得VCM+VCM-DM=consto。

全橋類單相并網(wǎng)逆變器漏電流抑制技術(shù)包括：

(1) 在電路和寄生參數(shù)對稱的前提下(即滿足VCM-DM：O)SPWM開關(guān)方式產(chǎn)生的v電壓為恒值。

常見電路有以下幾種：

帶交流旁路環(huán)節(jié)的全橋電路；

帶直流旁路環(huán)節(jié)的全橋電路；

帶直流側(cè)旁路箝位的全橋電路；

基于功能和效率優(yōu)化的改進(jìn)型全橋電路。

加入一支可控開關(guān)管和分壓電容構(gòu)成雙向箝位支路。
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4.理論分析與實(shí)驗(yàn)研究

4.1電路結(jié)構(gòu)與驅(qū)動時(shí)序

主電路結(jié)構(gòu)SPWM和驅(qū)動時(shí)序工作模態(tài)為電流正半周和電流負(fù)半周。

電壓箝位工作是續(xù)流階段中點(diǎn)電壓隨電網(wǎng)電壓波動，提升中點(diǎn)電壓或降低中點(diǎn)電壓。

4.2功率器件損耗分析與計(jì)算

以光伏電壓500V、功率5kW等級為例(如圖10)，我們在如下實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行研究。

輸入電壓：340—700VDG

光伏寄生電容：2×0.1 u F

電網(wǎng)：220V/50Hz

進(jìn)網(wǎng)濾波器：4mH+6.6 u F

功率：1kW

開關(guān)頻率：20kHz

以下羅列了4種電路實(shí)驗(yàn)形式：

A: Haric

B:H5

C: H6

D: Optimized H5
 
圖1 0功率器件損耗分析與計(jì)算


圖1 1實(shí)驗(yàn)A:Haric
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5．結(jié)論

非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器具有效率高、體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)；

根據(jù)橋式非隔離光伏并網(wǎng)逆變器漏電流分析模型，我們可以得出兩條抑制開關(guān)頻率漏電流的途徑；

我們希望提出一種改進(jìn)型全橋非隔離光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)洌梢詫?shí)現(xiàn)對漏電流性能和變換效率進(jìn)行優(yōu)化。

圖12實(shí)驗(yàn)B:H5
 
圖13實(shí)驗(yàn)C: H6
 
圖14實(shí)驗(yàn)D：Optimized H5
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