第五章-光伏并网逆变器的电路拓扑

5-1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5-2第五章光伏并网逆变器的电路拓扑光伏并网逆变器将太阳能电池输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输入电网，是光伏并网系统能量转换与控制的核心。光伏并网逆变器的性能影响和决定整个光伏系统是否能够稳定、安全、可靠、高效地运行，同时也是影响整个系统使用寿命的主要因素。本章将对光伏并网逆变器进行分类讨论。5-35.1光伏并网逆变器的分类根据光伏并网逆变器与电网的连接有无隔离变压器，可将光伏并网逆变器分为隔离型和非隔离型两大类，详细分类如图5-1所示。图5-1光伏并网逆变器分类5-45.1光伏并网逆变器的分类5.1.1隔离型光伏并网逆变器结构工频隔离型特点：主电路和控制电路相对简单，光伏阵列直流输入电压的匹配范围较大，可有效防止电网电流通过桥臂与人体在直流侧形成回路造成的人体伤害事故，保证系统不会向电网注入直流分量，有效的防止了配电变压器的饱和。但体积大、质量重，增加了系统损耗及成本。图5-2工频隔离型光伏并网逆变器结构5-55.1光伏并网逆变器的分类5.1.1隔离型光伏并网逆变器结构高频隔离型特点：相比工频隔离型，具有较小的体积和质量，克服了工频隔离型的主要缺点。图5-3高频隔离型光伏并网逆变器结构a)DC/DC变换型b)周波变换型5-65.1光伏并网逆变器的分类5.1.2非隔离型光伏并网逆变器结构与隔离型相比，省去了笨重的隔离变压器，体统结构简单、质量变轻、成本降低并提高了效率，将成为今后主要的光伏并网逆变器结构。包括单级非隔离型和多级非隔离型。图5-4非隔离型光伏并网逆变器结构a)单级非隔离型b)多级非隔离型5-75.1光伏并网逆变器的分类5.1.2非隔离型光伏并网逆变器结构非隔离型的光伏并网系统中，光伏阵列与电网电压直接连接。大面积的光伏阵列与大地之间存在较大的分布电容，因此会产生光伏阵列对地的共模漏电流。由于没有工频隔离电压器，该系统容易向电网注入直流分量，必须采取适当措施，保证主电路和控制电路的运行安全。5-85.2隔离光伏并网逆变器5.2.1工频隔离型光伏并网逆变器优点：结构简单、可靠性高、抗冲击性能好、安全性高、无直流电流问题。缺点：体积大、质量重、噪声高、效率低。图5-5工频隔离变压器对系统效率的影响5-95.2隔离光伏并网逆变器5.2.1工频隔离型光伏并网逆变器单相工频隔离型系统，常用于几个千瓦以下功率等级的光伏并网系统中，其直流工作电压一般小于600V，整机工作效率小于96%。图5-6单相工频隔离型结构a)全桥式b)半桥式5-105.2隔离光伏并网逆变器5.2.1工频隔离型光伏并网逆变器三相工频隔离型系统，一般采用两电平或三电平三相半桥结构。常用于数十甚至数百千瓦以上功率等级的光伏并网系统中，其直流工作电压一般在450~1000V，整机工作效率大于97%。图5-7三相工频隔离型结构a)三相两电平b)三相三电平5-115.2隔离光伏并网逆变器5.2.2高频隔离型光伏并网逆变器DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器，单级容量一般在几个千瓦以内，整机工作效率大约在93%以上。图5-8DC/DC变换型高频链光伏并网系统一a)电路组成b)波形变换模式5-125.2隔离光伏并网逆变器5.2.2高频隔离型光伏并网逆变器图5-9DC/DC变换型高频链光伏并网系统二a)电路组成b)波形变换模式5-135.2隔离光伏并网逆变器5.2.2高频隔离型光伏并网逆变器图5-10全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器拓扑5-145.2隔离光伏并网逆变器5.2.2高频隔离型光伏并网逆变器周波变换型高频链光伏并网逆变器，利用高频变压器同时完成变压、隔离、SPWM逆变。功率变换环节只有两级，提高了系统效率。图5-11周波变换型高频链光伏并网系统一a)电路组成b)波形变换模式5-155.2隔离光伏并网逆变器5.2.2高频隔离型光伏并网逆变器周波变换型高频链光伏并网逆变器，没有中间整流环节，可实现功率的双向传输，达到简化结构、减小体积和质量、提高效率的目的。图5-12周波变换型高频链光伏并网系统二a)电路组成b)波形变换模式5-165.2隔离光伏并网逆变器5.2.2高频隔离型光伏并网逆变器图5-13全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器拓扑5-175.3非隔离光伏并网逆变器5.3.1单级非隔离型光伏并网逆变器非隔离型光伏并网逆变器，只用一级能量变换就可完成DC/AC并网逆变功能，具有电路简单、元器件少、可靠性高、功耗低、效率高等诸多优点。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，得到单级式非隔离型光伏并网逆变器的各种拓扑，如：全桥式、半桥式、三电平式等。图5-14单级非隔离型光伏并网系统结构5-185.3非隔离光伏并网逆变器5.3.1单级非隔离型光伏并网逆变器基于Buck-Boost电路的单级式非隔离型光伏并网逆变器，输出功率小于1kW，主要用于户用光伏并网系统。图5-15单级非隔离型光伏并网系统结构及其工作模式5-195.3非隔离光伏并网逆变器5.3.2多级非隔离型光伏并网逆变器单级式非隔离型光伏并网系统中，光伏阵列输出电压必须在任何时刻都大于电网电压峰值。实际运行中，因光伏电池组件输出电压跌落，无法保证光伏阵列输出电压必须在任何时刻都大于电网电压峰值，导致整个光伏系统不能正常工作。采用DC/DC变换器来满足光伏阵列输出电压和电网电压的约束要求。图5-16单级非隔离型光伏并网系统结构5-205.3非隔离光伏并网逆变器5.3.2多级非隔离型光伏并网逆变器采用Boost变换器作为升压变换器，可使光伏阵列工作在一个宽泛的电压范围内。图5-17基本Boost多级非隔离型光伏并网逆变器主电路拓扑5-215.3非隔离光伏并网逆变器5.3.3非隔离型光伏并网逆变器的难点问题非隔离型光伏并网逆变器是未来光伏系统的发展方向，但也存在相应的两个主要难点问题。由于逆变器输出不采用工频输出变压器进行隔离及升压，逆变器易向电网中注入直流分量，导致变压器或互感器饱和、变电所接地网腐蚀等电网设备问题。由于并网逆变器中没有工频或高频变压器，同时由于光伏电池对地存在寄生电容，使得系统在一定条件下能产生较大的共模漏电流，增加了系统的传导损耗，降低了电池兼容性，同时也会向电网中注入谐波并出现安全问题。5-225.3非隔离光伏并网逆变器5.3.3非隔离型光伏并网逆变器的难点问题非隔离型光伏并网逆变器中输出直流分量的抑制。直流分量产生的最根本原因是逆变器输出的高频SPWM波中含有一定的直流分量，可归结为以下几点：1.给定的正弦信号中含有直流分量（多发生在模拟控制的逆变器中）。2.控制系统反馈通道中的零点漂移引起的直流分量：①检测元件的零点漂移。②A/D转换器的零点漂移。③脉冲分配及死区电路引起的直流分量。④开关特性不一致导致的直流分量。直流分量的抑制方法：软件法、硬件法等。5-235.3非隔离光伏并网逆变器5.3.3非隔离型光伏并网逆变器的难点问题非隔离型光伏并网逆变器中共模电流的抑制。光伏电池和接地外壳间存在对地的寄生电容，该寄生电容与逆变器输出滤波元件及电网阻抗组成共模谐振电路，如图5-18所示。逆变器的功率开关动作时，会引起寄生电容上的共模电压产生变化，变化的共模电压激励谐振电路从而产生共模电流。图5-18非隔离型光伏并网系统中的寄生电容和共模电流5-245.3非隔离光伏并网逆变器5.3.3非隔离型光伏并网逆变器的难点问题非隔离型光伏并网逆变器中共模电流的抑制。共模电流的出现，增加了系统损耗，降低了电磁兼容性并产生安全问题。在考虑电路效率的条件下，可适当改进逆变器的拓扑结构来抑制共模电流。如带交流旁路的全桥拓扑、带直流旁路的全桥拓扑、H5拓扑等。图5-19H5拓扑5-255.4多支路光伏并网逆变器光伏发电广泛的与城市建筑相结合，由于城市建筑的复杂性，其光照、温度、光伏组件规格都会因安装位置的不同而有所差异，传统的集中式光伏并网结构无法满足光伏系统的这种更高性能的要求，可采用多支路型的光伏并网逆变器结构。各支路可独立进行最大功率跟踪，解决了各支路间的功率失配问题。多支路光伏并网逆变器安装灵活、维修方便、能够最大限度的利用太阳能的辐射能量，具有较好的应用前景。根据有无隔离变压器可分为隔离型和非隔离型多支路光伏并网逆变器两大类。5-265.4多支路光伏并网逆变器5.4.1隔离型多支路光伏并网逆变器图5-20多支路高频链光伏并网逆变器结构5-275.4多支路光伏并网逆变器5.4.1隔离型多支路光伏并网逆变器图5-21多支路高频链光伏并网逆变器系统整体控制框图5-285.4多支路光伏并网逆变器5.4.2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5-295.4多支路光伏并网逆变器5.4.2非隔离型多支路光伏并网逆变器图5-21非隔离型多支路并网逆变器系统的控制框图5-305.5微型光伏并网逆变器微型光伏并网逆变器，即微型逆变器(Micro-Inverter),是一种用于独立光伏组件并网发电系统的功率变换单元。传统的光伏并网系统基于光伏组件的串、并联组成，系统缺乏扩充性，不能实现每块组件的最大功率点运行，如任一组件损坏，将会影响整个系统的正常工作。还因其较高的直流电压存在安全性和绝缘问题。MI主要优点：环境适应性强、没有热斑问题、模块化技术容易扩容、体积较小、标准化安装、无须串联二极管和旁路二极管、分布式结构提高了系统的可靠性。MI主要缺点：系统应用可靠性不如光伏电池，一旦损坏不易更换；效率比集中式逆变器低；相对成本较高；集中控制困难。5-315.5微型光伏并网逆变器MI输入电压低（单块光伏组件的输出电压一般为20~50V）、输出电压高（311V或156V）。MI直接与单块光伏组件相匹配，功率等级100~300W。微型光伏并网逆变器关键性技术。1）同时具备升降压变换功能的逆变器拓扑，且具备电气隔离功能。2）高效率的电能变换技术。3）新型的高可靠性、低成本小功率并网变流检测与控制技术。4）高效率、低成本的最大功率点跟踪技术。5）简单、有效的孤岛检测技术。6）提高整机寿命的无电解电容变换技术。7）信息通信技术。5-325.5微型光伏并网逆变器5.5.1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5-335.5微型光伏并网逆变器5.5.1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c)半桥式d)全桥式5-345.5微型光伏并网逆变器5.5.2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5-355.5微型光伏并网逆变器5.5.2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)半桥式b)全桥式