2019-合肥工业大学-张兴-高等电力电子技术(光伏2)

电气与自动化工程学院张兴光伏并网逆变器及其关键技术研究高等电力电子技术——光伏发电及其电力电子技术2电气与自动化工程学院汇报提纲光伏并网逆变器1并网规范2局部最大功率点问题3展望40电气与自动化工程学院集中型光伏并网逆变器产品现状微型逆变器光伏并网逆变器2非隔离型光伏并网逆变器3大功率光伏并网逆变器114电气与自动化工程学院微型逆变器微型逆变器的发展11.1电气与自动化工程学院微型逆变器20世纪90年代初，美国和欧洲就有几家公司开始研究此装置。第一台Micro-Inverter是由德国的ZSW公司于1992年研制的，其功率只有50W，采用的是高频开关频率（500kHz）和隔离变压器。1994年，ZSW公司用同样的技术研制出100W的Micro-Inverter。然而，由于这种小功率并网逆变器由于成本过高以及电磁干扰等一系列问题，导致产品无法进入市场。在1994—2019年期间，欧洲的另外3个公司也开始研制ACmodule并网逆变器，它们分别是：Mastervolt(荷兰),AlphaReal（瑞士）,OKE-Servics（荷兰）。在2019年，美国的AES公司研制出第一台投放市场的MI产品。如今这些公司研制的MI产品在市场上占了很大份额，产品也较成熟。国内山忆新能源生产的SolarPond240HF功率为250W，最大效率可以达到96%。国外的Enphase公司生产的S280功率等级为235W-365W，最高效率可以达到96.8%。微型逆变器的发展11.1电气与自动化工程学院微型逆变器微型逆变器的发展11.1电气与自动化工程学院EnphaseEnergy公司一直是这个行业的领先者。EnphaseMicroinverters系统是第一个商业运行的MI系统,代表了目前最先进的MI系统技术。微型逆变器微型逆变器的发展11.1电气与自动化工程学院Enlighten网站EMU通信网关Micro-inverter目前Enphase已经宣称达到96.8%的效率，这样的效率已经基本可以和普通的逆变器相媲美!微型逆变器微型逆变器的发展11.1电气与自动化工程学院据可查阅的文献，目前微型逆变器的拓扑已达50多种微型逆变器的分类2微型逆变器1.1电气与自动化工程学院澳大利亚学者PeterWolf把微型逆变器的拓扑按照直流母线的类别分为三类：微型逆变器微型逆变器的分类2直流母线结构2伪直流母线结构3无直流母线结构11.1电气与自动化工程学院微型逆变器微型逆变器的分类21.1直流母线结构电气与自动化工程学院微型逆变器微型逆变器的分类21.1伪直流母线结构电气与自动化工程学院微型逆变器微型逆变器的分类21.1无直流母线结构电气与自动化工程学院直流母线伪直流母线无直流母线功率解耦电容位置及大小位于直流母线，电容容量中等位于太阳能电池端，电容容量大方案1：位于太阳能电池端，电容容量大方案2：位于交流侧，电容容量小无功补偿能力有需要有双向能量流动需要双向功率开关器件控制复杂度简单（前后端控制独立）中等（MPPT，电流波形控制在单极完成）中等（MPPT，电流波形控制在单极完成）复杂（需要功率解耦控制）成本中低高（需要双向开关器件及驱动）高（需要额外一组双向开关实现功率解耦）效率中高低低微型逆变器微型逆变器的分类21.1三类结构基本特点电气与自动化工程学院单级式微型逆变器3以Enphase以及英伟力公司产品为代表的单级式微逆结构如图1所示，系采用反激变换器输出两倍输出电压频率脉动直流电再经晶闸管工频反转桥换向并网。为实现功率解耦，其在输入端采用多颗电解电容并联，存在失效隐患。单级式准谐振反激变换器微型逆变器1.1电气与自动化工程学院单级式微型逆变器3Enphase产品电路结构Enphase公司宣称，其微逆S280转换效率高达96.7%微型逆变器1.1电气与自动化工程学院单级式微型逆变器3为了消除电解电容，有学者提出在逆变器输入端增加一个功率解耦电路，将功率脉动转移到解耦电路，但效率非常低，只有70%。美国SolarBridge公司应用Illinois大学香槟分校Krein教授提出的三端口逆变器方案，将脉动功率转移至变压器附加的第三方纹波绕组，100W样机仅需不到10μF薄膜电容，但大量开关尤其是双向开关引入，使得电路及其控制过于复杂。微型逆变器1.1电气与自动化工程学院两级式微型逆变器4推挽式电压型高频链微型逆变器两级式单相逆变器应对功率平衡问题具有先天优势，其可以实现输入功率与输出功率解耦。图中所示为典型的两级式微型逆变器：推挽式电压型高频链微型逆变器。微型逆变器1.1电气与自动化工程学院两级式微型逆变器4前级采用推挽升压电路，适用于低压大电流的场合，正好满足微型光伏发电系统的要求；后级采用单相全桥逆变电路，采用SPWM控制，再通过滤波电感得到220V、50Hz交流输出接电网；推挽结构比较适合独立光伏组件并网的要求，就目前为止是比较常用也是比较有效的拓扑。此电路的最大缺点是变压器绕组利用率低，工频桥臂要增加阻断二极管（阻断与直流侧交换无功），另外，功率开关管耐压应力为输入电压的两倍，会出现偏磁现象，且推挽变换器的效率不太高。微型逆变器1.1１２３４电气与自动化工程学院H5拓扑1H5拓扑是由德国SMA有限公司提出且已在中国申请了技术专利。德国SMA公司专利H5拓扑SMA公司的SunnyMiniCentral系列并网逆变器采用H5拓扑结构，其最高效率达到98.1%，欧洲效率达到97.7%。非隔离型光伏并网逆变器1.2原理：该拓扑中，S1、S3在电网电流的正负半周各自导通，S4、S5在电网正半周期以开关频率调制，而S2、S5在电网负半周期以开关频率调制。电气与自动化工程学院H6拓扑2H6拓扑是由美国弗吉尼亚理工大学（VirginiaTech）未来能源电子中心（theFutureEnergyElectronicsCenter–FEEC）提出的。VTFEECH6拓扑原理：正半周期，S6一直导通，S1、S4和续流二极管D1交替工作；负半周期，S5一直导通，S2、S3和续流二极管D2交替工作。H6拓扑上下四个管子S1~S4工作在高频，中间两个管子S5、S6工作在工频，续流回路简单，共模电流小，效率较高。最高效率达到98.3%欧洲效率达到98.1%非隔离型光伏并网逆变器1.2电气与自动化工程学院HERIC拓扑3HERIC拓扑是由德国研究机构FraunhoferInstituteforSolarEnergySystems（FraunhoferISE）所开发，并已经由德国Sunways公司申请专利。Sunways专利HERIC拓扑原理：正半周期，S5始终关断而S6始终导通，S1和S4以开关频率调制。S1和S4关断时，电流经S6和续流二极管D2续流。负半周期，S6始终关断而S5始终导通，S2和S3以开关频率调制。S2和S3关断时，电流经S5和续流二极管D1续流。这种拓扑利用独有的续流路径来减小开关和导通损耗，能够更加有效地处理无功功率，使效率提升到98%以上。非隔离型光伏并网逆变器1.2电气与自动化工程学院HB-ZVR拓扑4HB-ZVR拓扑是丹麦奥尔堡大学能源技术研究所T.Kerekes和R.Teodorescu提出的。丹麦奥尔堡大学HB-ZVR拓扑原理：正半周期，S1、S4和S5交替导通。S1、S4导通时，S5关断；S5导通时，电流经S5和整流桥续流。同样原理，负半周期，S2、S3和S5交替导通。该拓扑在整个工频周期内共模电压保持恒定，因此共模电流可以得到有效抑制。非隔离型光伏并网逆变器1.2电气与自动化工程学院改进的H5拓扑5南京航空航天大学提出了一种新的H5拓扑。该拓扑在全桥电路的基础上加入两支可控开关管和分压电容构成双向箝位支路，并配合开关时序可以实现续流阶段时续流回路电位处于二分之一的电池电压，从而消除非隔离并网逆变器的漏电流；并保证了功率传输阶段输出电流仅流经3支开关管，有效降低了导通损耗。南京航天航空大学改进H5拓扑非隔离型光伏并网逆变器1.2电气与自动化工程学院混合桥臂拓扑6混合桥臂拓扑S5始终导通，当正弦调制波大于三角载波时，S1、S4导通，此时共模电压为0.5VPV。当正弦调制波小于三角载波时，S1、S4关断，电流经D1和S5续流，同理由于开关器件关断阻抗很高,阻断了寄生电容的放电，所以共模电压仍为0.5VPV。在正半周期，若稳态时VPV不变，则共模电压恒定。S6始终导通，S2、S3由正弦调制波和三角载波的比较来控制其导通和关断，共模电压分析与正半周期类似。非隔离型光伏并网逆变器1.2在电网电流正半周期在电网电流负半周期合肥工业大学提出了一种混合桥臂拓扑电气与自动化工程学院7非隔离型光伏并网逆变器1.2NPC1-I型三电平中功率并网逆变器电气与自动化工程学院8非隔离型光伏并网逆变器1.2EMI滤波PV接线箱InfineonTC176716bitMCULCD显示PC机EMI滤波PV接线箱双Boost电路继电器GridEMI滤波信号调理电路比较电路FPGA协处理器通信接口35路ADC采样CIC6150816路PWM输出IO输出RS485PSPCPUNPC2-T型三电平中功率并网逆变器电气与自动化工程学院9非隔离型光伏并网逆变器1.2两种三电平拓扑的比较电气与自动化工程学院9非隔离型光伏并网逆变器1.2NPC-I型逆变器由于单个器件无法承受母线电压，因此如果在开启或关断时管子动作时间控制不精细，可能会造出器件过压损毁的情形；因此在控制策略上存在难度。NPC-T型结构由于采用上下单管的结构，因此在控制复杂度上小于NPC-I型，也导致同样器件条件下功率等级缩小一倍的情况。一般来说，小于16kHz的频率时，NPC-I型的效率要小于NPC-T型。两种三电平拓扑的比较１２３总结电气与自动化工程学院大功率光伏并网逆变器1基于开关管直接并联的大功率逆变器拓扑开关管的开关特性差异带来开关管的均流问题！1.3电气与自动化工程学院2基于均流电抗器开关管并联的大功率逆变器拓扑均流电抗器带来体积增大和损耗问题！大功率光伏并网逆变器1.3电气与自动化工程学院3基于逆变桥并联的大功率逆变器拓扑利用滤波电感均流，结构紧凑！大功率光伏并网逆变器1.3电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑大功率光伏并网逆变器1.3电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑———直流母线的切换控制大功率光伏并网逆变器1.3电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑——集中式并联控制大功率光伏并网逆变器1.3电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑——分布式并联控制大功率光伏并网逆变器1.3电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑——低功率时的优化运行大功率光伏并网逆变器1.3电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑——并联运行的零序环流大功率光伏并网逆变器1.3电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑——零序环流的控制大功率光伏并网逆变器1.3•2019年大功率逆变器出货量将达到23.7GW（全球总计约58GW）•大部分市场500kW逆变器仍然为主流产品；•在大型地面电站中，大于1MW的系统会预计以27%的速度快速增长。数据来源：IHS2013年7月集中式大功率光伏逆变器的市场前景1.4集中式光伏逆变器产品现状电气与自动化工程学院极端化组串式集中式微逆—组件级产品集散式（优化器）—组件级产品集散式（DMPP）—类集中式DMPPT1.41.4集中式光伏逆变器产品现状电气与自动化工程学院集中式逆变器产品现状产品形式上有：单机型、模组并联单MPPT型、模组并联多MPPT型、集散式光伏发电系统。主电路拓扑结构上有：两电平型、T型三电平型、I型三电平型等；直流开路电压等级上有：1000V型和1500V型；功率越来越大，最大已达4.5MW；冷却方式：风冷、液冷、热管等；效率上最大已经达到99.1%（最大效率）。1.4集中式光伏逆变器产品现状电气与自动化工程学院1、单机型—两电平拓