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光伏并网逆变器的电路拓扑

橘子汽水
2024-06-07 / 0 评论 / 0 点赞 / 21 阅读 / 22960 字

光伏并网逆变器通常根据有无隔离可以分为隔离型和非隔离型,其中隔离型根据变压器工作频率可分为工频隔离型和高频隔离型,但由于变压器的存在(无论是工频还是高频)都会增加电源的重量,降低转换效率;非隔离型逆变器可以按照拓扑结构分为单级和多级,且由于少了变压器电能-->磁能-->电能的过程,所以结构变得更简单,质量也有所减轻,效率相对也更高。

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光伏逆变器分类

1 隔离型光伏并网逆变器

1.1 工频隔离型光伏并网逆变器

光伏阵列发出的直流电能通过逆变器转换为50Hz的交流电,经过工频变压器(LFT)输入电网,工频变压器同时完成电压匹配以及隔离功能。变压器的隔离可以有效的防止人接触到光伏侧的正极或者负极时,电网电流通过桥臂形成回路对人构成伤害的可能性,提高了系统安全性;另外也保证了系统不会往电网注入直流分量,有效地防止配电变压器饱和。

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隔离工频隔离型光伏并网逆变器结构图

工频变压器具有体积大、质量重的缺点,通常占逆变器总重量的50%左右,使得逆变器也体积设计难以减小;此外工频变压器增加了系统损耗、成本,以及运输和安装难度。而高频隔离型光伏并网逆变器便是在保留了工频变压器的优点的同时,减小逆变器体积和重量。

隔离工频变压器对系统效率的影响

显然“逆变器+兆瓦变压器”的组合对系统的效率有着明显的影响。

工频隔离型光伏并网逆变器常规的拓扑形式有单相结构、三相结构、以及三相多重结构。

1.1.1 工频隔离系统--单相结构

单相结构的工频隔离型光伏并网逆变器如下图所示,一般可采用全桥和半桥结构。这类单相结构常用于几KW一下功率等级的光伏并网系统,其直流工作电压一般小于600V,工作效率一般不高于96%。

工频隔离系统--单相结构

1.1.2 工频隔离系统--三相结构

三相结构的工频隔离型光伏逆变器如下图所示,一般可采用全桥和三电平半桥结构。这类三相结构常用于几十KW~几百KW的光伏并网系统。其中三相全桥结构的直流工作电压一般在450V~820V,工作效率可达97%;三电平半桥结构的直流工作电压一般在600V~1000V,工作效率可达98%(三电平半桥结构波形品质更好)。

工频隔离系统--三相结构

1.1.3 工频隔离系统--三相多重结构

三相多重结构的工频隔离型光伏并网逆变器如下图所示,一般采用三相全桥结构。这类三相多重结构常用于数百KW以上功率等级的光伏并网系统。其中三相全桥结构的直流工作电压一般在450V~820V,工作效率可达97%。三相多重结构可以根据太阳辐照度的变化,进行光伏阵列与逆变器连接组合的切换来提高逆变器运行效率(若太阳辐照度较小时将所有阵列接入一台逆变器;若太阳辐照度足够大时,才将两台逆变器投入运行)。此外,三相多重结构当两台你比切奶同时工作时还可以利用变压器二次侧绕组链接消除低次谐波电流,也可以通过移相多重化技术提高等效开关频率,降低每台逆变器的开关损耗。

工频隔离系统--三相多重结构

1.2 高频隔离型光伏并网逆变器

高频隔离型逆变器主要采用高频链逆变技术。使用高频变压(HFT)替代低频逆变技术中的工频变压器来实现输入与输出的电气隔离,从而具有较小的体积和质量,克服了工频隔离型逆变器的主要缺点。同时,随着功率器件和控制技术的改进,高频隔离型逆变器效率可以做得很高。

按电路拓扑结构,高频隔离型逆变器主要分为:DC/DC变换型和周波变换型。

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高频隔离型光伏并网逆变器结构

目前,在光伏发电系统中,市面上已有多重基于高频链技术的高频光伏并网逆变器。一般按照拓扑结构分类的方法研究高频链并网逆变器。主要包括DC/DC变换型(DC-->HFAC-->DC-->LFAC)和周波变换型(DC-->HFAC-->LFAC)两大类。

1.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器

DC/DC变换型高链光伏并网逆变器单级容量在几KW以内,系统效率在93%以上,其结构如下图所示。光伏阵列输出的电能经过DC/HFAC/DC/LFAC变换并入电网,其中DC/AC/HFT/AC/DC环节构成了DC/DC变换器。在DC/DC变换型高频光伏并网逆变器电路结构中,其输入和输出侧分别设计两个DC/AC环节:在输入侧的DC/AC将光伏阵列输出的直流电能变换成高频交流电能,以便利用高频变压器进行变压和隔离,再经高频整流得到所需电压等级的直流;在输出侧使用的DC/AC则将中间级直流电逆变为低频正弦交流电压,并入电网。

DC/DC变换器高频链光伏并网逆变器电路结构示意图

DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器主要有两种工作模式:

第一种工作模式如下图所示:光伏阵列输出的直流电能经过前级高频逆变器变换成占空比为50%的高频方波电压,经高频变压器隔离后,由整流电路正流程直流电,然后在经过后级PWM逆变器以及LC滤波器滤波后将电能馈入工频电网。

DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器工作模式1

第二种工作模式如下图所示:光伏阵列输出的直流电能经过前级高频逆变器逆变成高频正弦脉宽脉位调制(Sinusoidal Pulse Width Position Modulation, SPWPM)波,经高频隔离变压器后,在进行整流滤波成半正弦波形(馒头波),最后经过后级的工频逆变将电能馈入工频电网。(关于SPWPM专门出文分析)

DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器工作模式2

DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器其前级的高频逆变器部分可以采用推挽式、半桥是以及全桥式等变换电路的形式,而后后级的逆变器部分可以采用半桥式和全桥式等变换电路的形式。一般而言:推挽式电路适用于抵押输入变换场合;半桥和全桥电路适合高压输入场合,实际应用根据最终输出的电压等级以及功率大下而定。

以全桥式DC/DC变换器高频链光伏并网逆变器拓扑结构(如下图所示)分析:

全桥式DC/DC变换器高频链光伏并网逆变器由一个高频电压型全桥逆变器、一个高频变压器(HFT)、一个不可控桥式二极管全波整流器、一个直流滤波电感和一个极性反转逆变器组成。

全桥式DC/DC变换器高频链光伏并网逆变器拓扑图

高频电压型全桥逆变器采用SPWPM调制方式,将光伏阵列付出的直流电压逆变成双极性三电平SPWPM高频脉冲信号。高频变压器将信号升压后传输给后级桥式二极管全波整流电路,SPWPM信号在此整流,经直流滤波电感滤波后变换成半正弦波形(馒头波);最后由极性反转逆变桥将半波正弦波翻转为工频的正弦全波,并将电能馈入工频电网。可见全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器采用了前述的第二种工作模式,其高频侧采用了SPWPM调制方式,其开关时序如下所示。(不具体分析)

开关时序图

该电路具有高频电气隔离,技术成熟,且变压器可以使前级逆变输出电压升高,减小系统电流,方便功率器件的选择;前后级控制相互独立,控制简单;后级电路电压应力低,可以实现零电压、导通零电流关断(ZVS、ZCS),前级电路也可以实现零电压导通(ZVS)。

1.2.2 周波变换型高频链光伏并网逆变器

DC/DC变换型高频链光伏并网逆变电路结构中使用了三级功率变换(DC/HFAC/DC/LFAC),由于变换环节较多,因而增加了功耗。为了提高高频光伏并网逆变电路的效率,希望可以直接利用高频变压器同时完成变压、隔离、SPWM逆变的任务。所以周波变换型高频链光伏并网逆变器实现以上功能。功率变换环节只有两级,提高了系统的效率。还可以实现功率的双向传输。少用一级功率逆变器,简化了结构、减小了体积和质量、提高了效率。

周波变换型高频链光伏并网逆变器结构图

周波变换型高频链光伏并网逆变器也有两种工作模式:

第一种工作模式如下图所示:光伏阵列输出的直流电能首先经过高频PWM逆变器逆变成等占空比(50%)的高频方波电压,经高频隔离变压器后,由周波变换器控制直接输出工频交流电。

周波变换型高频链光伏并网逆变器工作模式1

第二种工作模式如下图所示:光伏阵列输出的直流电能首先经过高频SPWPM逆变器变换成高频SPWPM波,经过高频隔离变压器后,由周波变换器直接输出工频交流电。

周波变换型高频链光伏并网逆变器工作模式2

此处本应该有一示例,考虑当前没有深入分析模态与控制结构,所以不深入考究,后续出文分析。

2 非隔离型光伏并网逆变器

采用非隔离型光伏并网逆变器结构就是为了提高转换效率、省去变压器成本、简化系统结构等。而非隔离型光伏并网逆变器可以按拓扑结构分为单级和多级。

2.1 单级非隔离型光伏并网逆变器

单级非隔离型并网逆变器结构如下图所示,只用一级能量变换完成DC/AC并网逆变功能,具有电路简单、元器件少、可靠性高、效率高、功耗低等诸多优点。

单级非隔离型并网系统结构

事实上,当光伏阵列的输出电压满足并网逆变要求且不需要隔离时,可以将工频隔离型光伏并网逆变器各种拓扑中的隔离变压器省略。从而演变出单级非隔离型光伏并网逆变器的各种拓扑:全桥式、半桥是、三电平式等等。

单级非隔离型光伏并网逆变器省去了工频变压器,单常规的单级非隔离型光伏并网逆变器网侧均有滤波电感,而该滤波电感均流过工频电流,所以也有一定体积和质量;此外,常规结构的单级非隔离型光伏并网逆变器要求光伏组件具有足够的电压以确保并网发电,所以提出两种新的单级非隔离型光伏并网逆变器。

2.1.1 基于Buck-Boost电路的单级非隔离型光伏并网逆变器

该拓扑意在减小光伏并网逆变器的质量、体积,其拓扑结构图如下所示:

基于Buck-Boost电路的单级非隔离型光伏并网逆变器主电路拓扑

该拓扑结构由两最光伏阵列和Buck-Boost斩波器组成,由于采用了Buck-Boost斩波器,故而无需变压器也可适配较宽的光伏阵列电压以满足并网发电要求。拓扑中的两个Buck-Boost斩波器在工作时静坐在固定开关频率的电流断续模式下(Discontinuous Current Mode, DCM),且在工频电网的正负半轴中控制两组光伏阵列交替工作。由于储能电感 L_1L_2的存在,该拓扑无需工频滤波电感,因此可实现逆变器的体积、质量大大减小。另外,该拓扑相交多级非隔离型光伏并网逆变器,该拓扑所需的开关器件相对较少。(不分析工作模态,另外出文分析)

通常该拓扑输出功率小于1KW,主要用于户用光伏并网系统。该拓扑理论不存在大地漏电流,系统结构比较简单,但由于每组PV只能在工频电网的半周内工作,因而效率相对较低。

2.1.2 基于Z源网络的单级非隔离型光伏并网逆变器

常规的电压源单级非隔离型并网逆变器拓扑存在以下问题:

  1. 只能应用于直流电压高于电网电压幅值的场合,因此要想实现并网,需满足光伏输入电压要高于电网电压。

  2. 同一桥臂的两个管子导通需要加入死区时间,以防止直通导致直流侧电容短路。

  3. 直流侧支撑电容需要足够大,以抑制直流电压纹波。

针对常规拓扑的不足,Z源网络的单级非隔离型光伏并网逆变器便可解决。它通过独特的直通状态来达到升压的目的,从而实现逆变器任意电压输出的要求。

该拓扑的特点:

  1. 理论上任意大小的光伏阵列输入电压均可通过Z源逆变器接入电网。

  2. 无需死区,因此并网电流具有更好的波形品质。

如下图为Z源逆变器的一般拓扑,该拓扑由光伏阵列、二极管VD、Z源对称网络(L_1=L_2C_1=C_2)、全桥逆变器( S_1\sim S_4)以及输出滤波环节五部分组成。

基于Z源网络的单级非隔离型光伏并网逆变器拓扑

传统电压型逆变器,同一桥臂上下开关管同时导通(直通状态)是不被允许的(轻则烧管,重则炸机)。但Z源网络的引入使之成为可能,整个Z源逆变器正式通过该直通状态为逆变器提供的独特升压特性的。(不做具体分析,专门出文分析)。

电压型Z源逆变器可以实现逆变器输出电压或高于、或低于直流输入电压,且不需要额外的中间级变换电路,是一种主动形态的Buck-Boost电路,具有较大的输入电压范围。

2.2 多级非隔离型光伏并网逆变器

传统拓扑的非隔离式光伏并网系统中,光伏电池组件输出电压必须在任何时刻都大于电网电压峰值,所以需要光伏电池板串联,以提高光伏系统输入电压等级。但是多个光伏电池组件串联金额能由于部分被云层遮挡等环境因素导致光伏电池组件输出能量严重损失,光伏电池组输出电压跌落,无法保证输出电压在任何时刻都大于电网电压峰值,使得整个光伏并网系统不能正常工作。而且一级能量变换往往难以很好的同时实现最大功率追踪和并网逆变两个功能,虽然前面提到的基于Buck-Boost的单级逆变器能克服这点不足,但由于其工作需要两组光伏组件交替工作,效率低。所以可以采用多级变换的逆变器解决该问题。

通常多级非隔离型光伏并网逆变器有两部分构成,前级DC/DC变换器以及后级的DC/AC变换器,如下图所示。

多级非隔离型并网逆变器结构

多级非隔离型光伏并网逆变器设计关键在与DC/DC变换器的电路拓扑选择。从DC/DC转换效率来看,Buck和Boost变换器效率是做搞得,但Buck是降压型变换器,若要并网发电,则必须使得光伏阵列的电压匹配在较高等级,这将给光伏系统带来很多问题。而Boost变换器是光伏阵列工作在一个宽泛的电压范围内,所以直流侧电池组件的电压配置更灵活,并且通过适当的控制策略可以使Boost变换器的输入端电压波动很小,所以提高了最大功率点跟踪的精度;同时Boost电路结构上与网侧逆变器下桥臂功率管更低,驱动电路实现相对简单,所以Boost变换器更适用于光伏并网发电系统。

2.2.1 基本Boost多级非隔离型光伏并网逆变器

基本Boost多级非隔离逆变器拓扑如下图所示。该电路为双级功率变换电路,前级采用Boost变换器完成直流侧光伏阵列输出电压的升压功能以及最大功率点跟踪(MPPT),后级DC/AC部分采用典型的全桥逆变电路完成系统的并网逆变功能。

基本Boost多级非隔离型光伏并网逆变器主电路拓扑

其模态分析此处不作分析,另出文分析。

2.2.2 双模式Boost多级非隔离型光伏并网逆变器

前面提到的基本Boost多级非隔离逆变器前级Boost变换器和后级全桥逆变都工作在高频状态,自然开关损耗也相对就大了。双模式(dual-mode)Boost多级非隔离逆变器的提出便可以解决该问题,且具有体积小、寿命长、损耗低、效率高的优点。其电路拓扑图如下所示。与基本Boost多级非隔离逆变器相比增加了旁路二极管 VD_b

Dual-mode Boost多级非隔离型光伏并网逆变器主电路拓扑

双模式Boost多级非隔离型逆变器无论工作在什么模式,同一时刻只有一级电路工作在高频模式下,与传统的基本Boost多级非隔离逆变器相比,降低了总的开关次数(开关损耗自然就下降了)。此外,当系统工作在全桥逆变模式下,输入电流走的是旁路二极管,而不是 L_b{VD}_c(减小了导通损耗),另外无需使中间直流环节保持恒定的电压,所以电路中间环节常用的大电容便可以换小,从而有效减小系统体积、质量和损耗,增加了系统的寿命、效率和可靠性。

其模态分析此处不作分析,另出文分析。

2.2.3 双重Boost光伏并网逆变器

随着系统功率等级越来越大,对谐波含量、动态响应的要求也就越来越高,以至于逆变器功率处理能力和开关频率之间矛盾越来越严重。通过将多重化、多电平以及工频调制技术结合解决该矛盾。如下图为双重Boost逆变器,其设计思路为:在输入级采用电流多重化设计,为利用电流多重化所以在输出级选用电流源逆变器拓扑结构,采用工频调制将输入级的电流多重化转化为逆变器输出的多电平电流波形,从而有效减小网侧滤波器体积和系统损耗。

双重Boost电流型并网逆变器主电路拓扑

其模态分析此处不作分析,另出文分析。

双重Boost电流型逆变器可以推广成多重Boost电流型逆变器,因为电路中有多重Boost电路,所以使得其功率等级可以用在大功率场合(MW级)。该拓扑由于多重、多电平的电流调制和平衡分配,降低了功率器件电流的上升率,减小了EMI和滤波器的体积及损耗,同时输出逆变器的工频调制也降低了开关损耗,这些优点有利于光伏并网系统的设计。但是这种多重结构存在:系统运行在较高电压等级运行时,电路的工作效率会有所下降,主要是由于拓扑中采用了大功率电感导致,所以要选择低损耗的电感。

3 多支路光伏并网逆变器

为了在有限空间中提高光伏系统的总安装容量:一方面要提高单个电站的容量,另一方面将光伏发电系统与建筑相结合。当建筑情况较为复杂时,光照、温度、光伏组件规格都会因安装位置不同而有所差异,如此一来集中式光伏并网结构无法满足光伏系统的高性能应用要求,所以可采用多支路型光伏并网逆变器结构。该拓扑结构的各支路可独立进行最大功率跟踪,从而解决个支路因为光照、温度不同导致的功率支配问题。另外,多支路光伏逆变器安装灵活、维修方便、可以最大限度的利用太阳辐射能量、有效地克服之路见功率适配所带来的系统整体效率低下等缺点,可最大限度减少受单一支路故障的影响,具有良好的应用前景。

同样的,根据有无隔离变压器可以将多支路光伏逆变器分为隔离型和非隔离型。

3.1 隔离型多支路光伏并网逆变器

隔离型对支路逆变器可以设置较多支路,每个支路变换器的功率可以相对较小,所以这种结构可以使用高频链技术,其结构如下图所示,该结构由高频逆变器、高频变压器、整流器、直流母线、逆变器和输入、输出滤波器构成,其中输入级的高频链结构采用基于全桥高频隔离的多支路设计,而并网逆变器则采用集中式设计。

多支路高频链光伏并网逆变器结构

由于全桥高频隔离逆变器的前后级电路控制通过中间直流电容解耦,所以当有多个支路时,每个前级全桥电路可以单独控制,多个逐鹿输出的电流汇集到直流母线上,最后经过集中并网逆变器并网运行。

系统的整体控制框图如下所示。对于每个光伏输入支路,系统检测光伏组件的电压、电流信息,通过输入级高频全桥的占空比控制,一方面实现个支路的最大功率点跟踪控制,另一方面将整流后输出的直流电流并联到直流母线,后级并网逆变器采用直流电压外环与交流电流内环的双环控制策略,通过对直流母线期望电压的控制来实现光伏能量的平稳传输。

多支路高频链光伏并网逆变器系统整体控制框图

多支路高频链光伏并网逆变器的优缺点:

优点:

  • 电气隔离、质量轻;

  • 对每条支路分别进行最大功率跟踪,解决了各支路电流失配问题;

  • 适合多个不同倾斜面阵列接入,或某些阵列被遮挡的情况使用,即阵列1~n可以具有不同MPPT电压,互不干扰;

  • 适合光伏建筑一体化形式的分布式能源系统应用。

缺点:

  • 功率频率较高,系统EMC设计较难;

  • 系统的抗冲击性能较差;

  • 三级功率转换,系统功率器件偏多,系统整体效率偏低,成本相对较高。

3.2 非隔离型多支路光伏并网逆变器

非隔离型拓扑组建多支路光伏并网逆变器可以更好提高系统效率、降低损耗、减小系统体积。该结构可以有多个DC/DC变换器和一个集中并网逆变器组成,具有MPPT效率高、可靠性高、良好的扩展性、组合多样的优点。其DC-DC变换器常为Boost变换器,拓扑结构图如下所示。

基于Boost变换器的非隔离型多支路光伏并网逆变器主电路拓扑

该系统控制框图如下图所示。与多支路高频链光伏并网逆变器系统整体控制类似,输入级完成MPPT控制,而网侧逆变器通过输出电流的控制来稳定中间直流母线电压,并实现整个系统稳定并网运行。

非隔离型多支路光伏并网逆变器的控制框图

Boost变换器输出电压大于输入电压,这会限定光伏阵列输出电压范围,输入级可以使用双重Buck-Boost变换器的多支路逆变器结构使系统具有较大的光伏阵列输入电压范围。如下图为双重Buck-Boost多支路逆变器拓扑结构图。

双重Buck-Boost多支路光伏并网逆变器主电路拓扑

多个双重Buck-Boost电路并联后,各双重Buck-Boost电路的工作性彼此独立,不同的光伏组件的对大功率点可以通过调整没个支路中交错式双Buck-Boost的占空比进行独立调整。

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