第5章光伏并网逆变器的电路拓扑(3)剖析.ppt

2019/10/22,第五章 光伏并网逆变器的电路拓扑,5.1 光伏并网逆变器的分类 5.2 隔离型光伏并网逆变器 5.3 非隔离型光伏并网逆变器 5.4 多支路光伏并网逆变器 5.5 微型光伏并网逆变器 5.6 由H桥拓扑派生出的逆变器结构 5.7 由NPC拓扑派生出的逆变器结构,2019/10/22,,隔离型多支路光伏并网逆变器,2019/10/22,非隔离型多支路光伏并网逆变器,图5-21 基于Boost变换器的非隔离型光伏并网逆变器结构,,2019/10/22,非隔离级联型光伏并网逆变器,2019/10/22,,电压型高频链微型光伏并网逆变器,图5-22 电压型高频链MI典型拓扑 a) 反激式 b) 推挽式,2019/10/22,图5-22 电压型高频链MI典型拓扑 c) 半桥式 d) 全桥式,2019/10/22,电流型高频链微型光伏并网逆变器,,图5-23 电流型高频链MI典型拓扑 a) 反激式 b) 推挽式,2019/10/22,,图5-23 电流型高频链MI典型拓扑 a) 半桥式 b) 全桥式,2019/10/22,由H桥拓扑派生出的逆变器结构,H5逆变器（SMA）,2019/10/22,5.6.3 HERIC逆变器（Sunways）,2006年，Sunways公司申请了一项称之为HERIC（高效率和可靠逆变器概念）的逆变器拓扑结构专利，拓扑如图：,特点是在交流侧增加了一个采用两个背靠背IGBT器件的旁路桥臂。

2019/10/22,交流旁路提供了两个重要功能：,1）在零电压状态时避免了L1(2)和CPV之间无功功率的交换，从而提高了效率2）在零电压状态时将光伏模块和电网隔离，从而消除了VPE中的高频成分电流的状态如图所示：,S1和S4以高频方式开关，S+以电网频率开关2019/10/22,S1和S4以高频方式开关，S+以电网频率开关输出正向电流,输出负向电流,S2和S3以高频方式开关，S-以电网频率开关2019/10/22,输出负向电流,S2和S3以高频方式开关，S-以电网频率开关2019/10/22,这种变换器的主要特征：,1） S1-S4和 S2-S3 以高频方式开关， S+ （ S- ）以电网频率开关2）输出电压中存在两种零电压状态：S+=ON和S-= ON（当桥臂关断时）优点：,1）滤波器上的电压是单极性的，从而降低了铁芯损耗2）效率可高达97%，这是因为零电压状态时在L1(2)和CPV之间没有无功功率交换，并且一个桥臂的开关频率低2019/10/22,3）VPE中只含有电网频率分量而没有开关频率分量，因此产生的漏电流和EMI都很小缺点：,需要两个额外的开关评论：,HERIC改善了采用双极性调制的全桥逆变器的性能，它通过交流旁路为电路增加零电压状态提高了效率。

由于这种拓扑结构效率高、漏电流及EMI低，因此非常适合应用于无变压器型光伏逆变器2019/10/22,Sunways公司已经将这种拓扑结构商业化，最高效率可达95.6% 应用于AT（2.7---5kw）系列数据来源：Photon International, 2008年7月HERIC和H5的表现极为相似，两者在零电压状态时分别在交流侧和直流侧将发电单元和电网进行解耦，并且都使用两个以高频方式工作的开关和一个以电网频率工作的开关2019/10/22,5.6.4 REFU逆变器（Refu Solar）,2007年， Refu Solar公司申请了一项称之为REFU的逆变器拓扑结构专利，拓扑如图：,特点是使用了交流侧旁路的一个半桥电路以及一个可旁路的DC-DC变换器2019/10/22,交流旁路提供了两个重要功能：,1）在零电压状态时避免了L和CPV之间无功功率的交换，从而提高了效率2）在零电压状态时将光伏模块和电网隔离，从而消除了VPE中的高频成分2019/10/22,电流的状态如图所示：,交流旁路的实现方式与HERIC不同它采用的是标准IGBT模块和二极管串联组成的单向开关，从而消除了续流路径。

另一个特点是，使用了一个升压型变换器，高升压变换器仅在输入直流电压低于电网电压时起作用S1以高频方式开关，S+以电网频率开关2019/10/22,S3以高频方式开关，S+以电网频率开关输出正向电流,S+以电网频率开关2019/10/22,输出负向电流,S2以高频方式开关，S-以电网频率开关S2以高频方式开关，S-以电网频率开关2019/10/22,输出负向电流,S-以电网频率开关2019/10/22,这种变换器的主要特征：,1） 当不需要升压（即VPE|Vg|）时，S1(S2)以高频方式开关2）当升压电路工作（即VPE|Vg|）时，S3(S4)以高频方式开关3）S+（S-）以电网频率开关工作，其通断取决于电压的极性1）滤波器上的电压是单极性的，从而降低了铁芯损耗优点：,2019/10/22,3）VPE中只含有电网频率分量而没有开关频率分量，因此产生的漏电流和EMI都很小缺点：,1）需要双直流电压2）效率会高达98%，这是因为零电压状态时在L1(2)和CPV之间不存在无功功率交换，升压电路只在必要时工作，并且一个桥臂的开关频率低2）需要两个额外的开关，但这两个开关都以低频方式开关2019/10/22,评论：,REFU拓扑是一种改进的半桥拓扑，它通过增加交流旁路来产生损耗最低的零电压状态。

由于这种拓扑结构的效率高、漏电流及EMI低，因此它非常适合应用于无变压器型光伏逆变器Refu公司已经将这种拓扑结构商业化，最高效率可达98% 应用于RefuSol（11/15kw）系列数据来源：Photon International, 2008年9月2019/10/22,5.6.5 带有直流旁路的全桥逆变器------ FB-DCBP（Ingeteam）,2007年， Ingeteam公司申请了一项称之为FB-DCBP的逆变器拓扑结构专利，拓扑如图：,特点是在传统H桥基础上加入了两个额外的直流侧开关，以及两个额外的钳位二极管，用于将输出电压钳位至接地的直流母线中点直流开关在零电压状态时将光伏板和电网分离，钳位二极管确保零电压状态是接地的2019/10/22,产生正向和负向交流电流的该拓扑的开关状态如下：,S5和S6以高频方式开关， S1和S4以电网频率开关输出正向电流,S5和S6以高频方式开关， S1和S4以电网频率开关2019/10/22,S5和S6以高频方式开关， S2和S3以电网频率开关S5和S6以高频方式开关， S2和S3以电网频率开关输出负向电流,2019/10/22,这种变换器的主要特征：,1）S5和S6以高频方式开关， S1（S2）和S3（S4）以电网频率开关。

2）将直流旁路开关S5和S6置于OFF状态可获得零输出电压 当S5和S6处于OFF状态并且S2和S3处于ON状态时，电流流通路径分成两条：一条由S1和续流二极管S3(D3)构成，另一条由S4和续流二极管S2(D2)构成这样S2和S3处在ON状态而没有电流流过，因此也就不会产生损耗在零电压状态时的电流流通路径为：对应正向电网电流的S4-D2或S1-D3，以及对应负向电网电流的S2-D4或S3-D1，D+和D-的作用仅仅是将旁路开关钳位至直流侧电压的一半2019/10/22,4）VPE中只含有电网频率分量而没有开关频率分量，因此产生的漏电流和EMI都很小3）由于零电压状态时在L1(2)和CPV1（2）之间不存在无功功率交换，全桥电路的开关频率低，以及S5和S6上的电压额定值低，因此该拓扑的效率高优点：,1）滤波器上的电压是单极性的，从而降低了铁芯损耗2）直流旁路开关的额定电压仅为直流电压的一半2019/10/22,1）需要两个额外的开关管和两个额外的二极管2）在非零电压工作状态时有4个开关管导通，因此导通损耗会增加，但是并不影响其总体的高效率缺点：,2019/10/22,评论：,由于BF-DCBP拓扑的效率高、漏电流及EMI低，因此它非常适合应用于无变压器型光伏逆变器。

Ingeteam公司已经将这种拓扑结构商业化，最高效率可达96.5% 应用于Inecon Sun TL（2.5/3.3/6kw）系列数据来源：Photon International, 2007年8月2019/10/22,5.6.6 全桥零电压整流器------FB-ZVR,拓扑如图：,特点是这种拓扑源自HERIC，并加入了一个双向电网短路开关，这个短路开关由一个二极管桥、一个开关管（S5）和一个钳位至直流侧中点电位的二极管组成将全桥关断并将S5闭合可以获得零电压状态2019/10/22,该电路输出正向和负向交流电流的开关状态如下：,S1和S4以高频方式开关，S5的开关状态与 S1、S4的正好相反输出正向电流,S1和S4以高频方式开关，S5的开关状态与 S1、S4的正好相反2019/10/22,输出负向电流,S1和S4以高频方式开关，S5的开关状态与 S1、S4的正好相反S1和S4以高频方式开关，S5的开关状态与 S1、S4的正好相反2019/10/22,这种变换器的主要特征：,全桥电路的开关管采用类似于双极性调制的方式开关，即对角线上的开关管同时动作在每一次将桥臂上的所有开关管都关断并将S5闭合时，就可以获得零电压状态。

优点：,1）滤波器上的电压是单极性的，从而降低了铁芯损耗2019/10/22,3）VPE中只含有电网频率分量而没有开关频率分量，因此产生的漏电流和EMI都很小2）效率可高达96%，这是因为零电压状态时在L1(2)和CPV1之间不存在无功功率交换，并且一个桥臂的开关频率低1）需要一个额外的开关管和4个二极管2）在死区钳位时，会得到双极性的输出电压，从而增加了滤波器上的损耗缺点：,2019/10/22,评论：,由于BF-ZVR继承了HERIC的效率高、漏电流低的优点，由于S5开关频率高，因此其效率比HERIC低，但却具备能够工作于任意功率因数的优点2019/10/22,5.7 由NPC拓扑派生出的逆变器结构,NPC拓扑是由Nabae、Magi、Takahashi于1981年提出来的5.7.1 中点钳位型（NPC）半桥逆变器,其主要思路是：依据电流的符号使用二极管D+或D-将输出钳位至接地的直流侧中点以获得零电压状态拓扑如图：,2019/10/22,该电路输出正向和负向交流电流的开关状态如下：,输出正向电流,S1以高频方式开关，S2以电网频率开关S1以高频方式开关，S2以电网频率开关2019/10/22,输出负向电流,S4以高频方式开关，S3以电网频率开关。

S4以高频方式开关，S3以电网频率开关2019/10/22,这种变换器的主要特征：,1） S1(S4)以高频方式开关， S2(S3)以电网频率开关2）存在两种零电压状态：S2、D+=ON和S3、D-=ON在非单位功率因数下工作时，当Vg0，Ig0时，S2和S4以互补的方式开关 2019/10/22,1）滤波器上的电压是单极性的，从而降低了铁芯损耗优点：,2）效率可高达98%，这是因为零电压状态时在L1(2)和CPV之间不存在无功功率交换，并且一个桥臂的开关频率低3）外部开关的额定电压降为VPV/4，从而减少了开关损耗4）VPE是恒定的并等于- VPV /2，且不含开关频率分量，因此产生的漏电流和EMI都很小2019/10/22,1）需要两个额外的二极管缺点：,2）与全桥电路相比，需要双输入电压3）开关损耗不均衡：桥臂的上部和下部开关管的损耗较高，中部的开关管损耗较低4）在中性点连接处会引入电感，例如，EMI滤波器所产生的高频共模电压通过该电感会产生漏电流2019/10/22,评论：,与H5、HERIC或REFU相比，NPC拓扑的性能极为。