单相并网逆变器拓扑分析

单相光伏逆变器主电路拓扑调研并网逆变器分类集中型逆变器所有光伏器件通过串并联组成一个光伏阵列，再统一由一个逆变器集中转换成交流电。优点：输出功率高，单位发电成本低。缺点：由于器件模块间差异的影响，能源利用率低，稳定性差。组串型逆变器光伏器件串联构成光伏组串，每个光伏组串(1kW~5kW)通过一个逆变器并网，形成模块化发电。优点：不受器件差异影响，同时加入MPPT(最大功率跟踪)，增大了发电量。这种方式逐渐成为主流结构。本课题研究的也是这一类型的逆变器。并网逆变器分类组串型并网逆变器拓扑分类直接逆变系统优点：省去工频变压器，效率高(97%)，重量轻，结构简单，成本低缺点：太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压，对人身安全不利；直流侧太阳电池MPPT电压需要大于350V(电网峰值电压√2×220V)，这对于太阳电池组件乃至整个系统的绝缘有较高要求，容易出现漏电现象。组串型并网逆变器拓扑分类工频隔离系统优点：结构简单、可靠性高、抗冲击性能好、安全性能良好、直流侧MPPT电压等级一般在200V-800V。缺点：系统效率相对较低，体积笨重。组串型并网逆变器拓扑分类高频隔离系统优点：同时具有电气隔离与重量轻的优点，系统效率在93%左右。缺点：由于隔离DC/AC/DC的功率等级一般较小，所以这种拓朴结构集中在5kW以下；高频DC/AC/DC的工作频率较高，一般几十kHz或更高，系统的EMC比较难设计；系统的抗冲击性能差。组串型并网逆变器拓扑分类高频升压不隔离系统优点：加入了Boost电路用于DC/DC直流输入电压的提升，同时进行MPPT控制，效率高，重量轻，且太阳电池阵列的直流输入电压范围可以很宽（150V-450V）。这种拓朴结构越来越为市场的主流。也将是本课题主要研究的方向。缺点：太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压；使用了高频DC/DC，EMC难度加大。逆变电路拓扑分类经典拓扑：1.单相全桥逆变电路逆变电路拓扑分类特点：经典电路，控制技术比较成熟，直流端电压无需升高太多，对器件的各项要求降低，这一拓扑结构现在占相当大一部分，但由于其用的开关管较多，其整体效率不会太高，采用双极性调制的最高效率在95%左右。逆变电路拓扑分类2.单相半桥逆变电路逆变电路拓扑分类特点：结构简单，使用功率器件少，一定程度上提高了效率，但是输出交流电压的幅值仅为直流侧电压的1/2，为此前级boost升压电路升压需较高，逆变部分器件的耐压能力亦需相应提高，效率受到影响，最高效率在92%左右。经典的拓扑结构的效率终究有限，在经典结构的基础上，衍生出不少改良型结构，其效率提高，逐步取代经典拓扑结构在产品市场的位置。逆变电路拓扑分类逆变器损耗的来源1)辅助控制电路的损耗。对于不同的拓扑，该部分的损耗恒定且相等。2)滤波电感上的损耗。电感上的损耗和电流(电阻损耗)及其纹波(磁损耗)有关。若功率相同，则所有拓扑结构上电感电流都一样，但是电流纹波因拓扑结构的不同而存在差异。采用双极性调制的全桥拓扑上的电流纹波是其他拓扑的2倍。因此，和其他拓扑结构相比，其电感上的损耗较大。3)功率器件上的损耗。功率器件上的损耗包括通态损耗和开关损耗，两者都和电流、电压以及器件本身的特性有关。通态损耗和通态时导通的功率器件的数目以及功率器件的额定电压有关，额定电压越高的功率器件其通态损耗越大。开关损耗是损耗中的主要部分。一个电网周期中开关次数越多，开关损耗越大；此外，开关损耗还与调制器件的额定电压有关，额定电压越大，开关损耗越大。逆变电路拓扑分类改良拓扑：1.半桥三电平二极管钳位式逆变器逆变电路拓扑分类特点：此电路拓扑最早由日本人于1980年提出，较传统半桥逆变器增加了两组辅助开关管和两个辅助二极管，可以实现0、1/2Vdc、-1/2Vdc三个电平，与两电平逆变器，相比，其输出电压的谐波含量可以大幅度降低，且每只开关管的电压应力降低为输入电压的一般，因此效率得以提高。在控制方面，较传统的两电平拓扑有了更高的自由度，衍生出新的控制算法，据文献研究表示，此拓扑结构的最大效率在95%以上逆变电路拓扑分类2.带交流旁路的全桥逆变器逆变电路拓扑分类特点：在交流端并联一对串联的开关管，通过这两个管子的续流，使得H桥上流过电流的调制开关的正向电压由Vdc降低为1/2Vdc，减小了开关管的损耗，同时，这一拓扑结构采用双极性PWM调制的输出调制波形同全桥拓扑采用单极性PWM调制的输出波形一致，有效地抑制了电流纹波，减小了滤波电感上的损耗，这一拓扑的最高效率为96.3%。这种拓扑结构和下面将提到的带直流旁路的全桥逆变拓扑，均可称为H6拓扑，且在市场上得到了一定程度的应用。逆变电路拓扑分类3.带直流旁路的全桥逆变器逆变电路拓扑分类特点：S1到S4均工作在电网频率，S5和S6工作在开关频率，由反并联二极管D7、D8和电容的箝位作用，S5和S6的开关电压为1/2Vdc，开关损耗得到降低，加上S1到S4调制实现零电流导通，进一步减小了损耗，其输出电压也同单极性调制的全桥拓扑相同，抑制了电流纹波，减小了损耗，这一拓扑结构的最大效率能达97.4%。逆变电路拓扑分类4.H5全桥逆变器逆变电路拓扑分类特点：这一拓扑结构为德国SMA公司专利，是对上一个拓扑的改良，其基本思路与前面的拓扑结构差不多，因为省了一个管子，最大效率达到惊人的98.1%。逆变电路拓扑分类5.混合桥臂拓扑