项目二光伏逆变器 ——1.电路拓扑

项目二光伏逆变器——1.电路拓扑 《太阳能光伏发电及其逆变控制》

主要内容 1.1 1.2 光伏并网逆变器的分类 1.3 1.4 隔离型光伏并网逆变器非隔离型光伏并网逆变器多支路光伏并网逆变器微型光伏并网逆变器 1.5

光伏并网逆变器的分类 1.1

光伏并网逆变器的分类 1.1 光伏并网逆变器是将太阳电池所输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输入电网的设备，是并网型光伏系统能量转换与控制的核心。光伏并网逆变器其性能不仅是影响和决定整个光伏并网系统是否能够稳定、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。

光伏并网逆变器的分类 1.1 根据有无隔离变压器，光伏并网逆变器可分为隔离型和非隔离型等。

光伏并网逆变器的分类 1.1 1.1.1隔离型光伏并网逆变器结构在隔离型光伏并网逆变器中，根据隔离变压器的工作频率，将其分为工频隔离型和高频隔离型两类。 1.工频隔离型光伏并网逆变器结构工频隔离型是光伏并网逆变器最常用的结构，也是目前市场上使用最多的光伏逆变器类型，其结构如图4-2所示。光伏阵列发出的直流电能通过逆变器转化为50Hz的交流电能.再经过工频变压器输人电网，该工频变压器同时完成电压匹配以及隔离功能。

光伏并网逆变器的分类 1.1 1.1.1隔离型光伏并网逆变器结构 1.工频隔离型光伏并网逆变器结构由于工频隔离型光伏并网逆变器结构采用了工频变压器使输入与输出隔离，主电路和控制电路相对简单，而且光伏阵列直流输入电压的匹配范围较大。

光伏并网逆变器的分类 1.1 1.1.1 隔离型光伏并网逆变器结构 1. 工频隔离型光伏并网逆变器结构变压器隔离的作用： ①可以有效地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 ②也保证了系统不会向电网注人直流分量，有效地防止了配电变压器的饱和工频变压器的缺点：体积大、质量重，约占逆变器的总重量的50%左右，使得逆变器外形尺寸难以减小。另外，工频变压器的存在还增加了系统损耗、成本，并增加了运输、安装的难度。

光伏并网逆变器的分类 1.1 1.1.1 隔离型光伏并网逆变器结构 2. 高频隔离型光伏并网逆变器结构高频变压器的优点：具有较小的体积和质量，克服了工频隔离型光伏并网逆变器的主要缺点。随着器件和控制技术的改进，高频隔离型光伏井网逆变器的效率也可以做得很高。

光伏并网逆变器的分类 1.1 1.1.1 隔离型光伏并网逆变器结构 2.高频隔离型光伏并网逆变器结构按电路拓扑结构来分类，高频隔离型光伏并网逆变器主要有两种类型:DC/DC变换型和周波变换型。

光伏并网逆变器的分类 1.1 1.1.2 非隔离型光伏并网逆变器结构在隔离型并网系统中，变压器将电能转化成磁能，再将磁能转化成电能，导致能量损耗能量损失可达5%，甚至更高。为提高光伏并网系统效率的有效手段便是采用无变压器的非隔离型光伏并网逆变器结构。优点：省去了笨重的工频变压器或复杂的高频变压器，系统结构简单，质量轻，成本降低，具有较高的效率。

光伏并网逆变器的分类 1.1 1.1.2 非隔离型光伏并网逆变器结构非隔离型并网逆变器按拓扑结构可以分为单级和多级两类。 1.单级非隔离型光伏并网逆变器单级非隔离型光伏并网逆变器系统中，光伏阵列通过逆变器直接耦合并网，逆变器工作在工频模式。为了使直流侧电压达到能够直接并网逆变的电压等级，要求光伏阵列具有较高的输出电压，光伏组件乃至整个系统必须具有较高的绝缘等级，否则将容易出现漏电现象。

光伏并网逆变器的分类 1.1 1.1.2非隔离型光伏并网逆变器结构 1.单级非隔离型光伏并网逆变器

光伏并网逆变器的分类 1.1 1.1.2非隔离型光伏并网逆变器结构 2.多级非隔离型光伏并网逆变器功率变换部分由DC/AC和DC/AC多级变换器级联组成。在该类拓扑中一般采用高频变换技术，也称为高频非隔离型光伏并网逆变器。

光伏并网逆变器的分类 1.1 1.1.2非隔离型光伏并网逆变器结构 2.多级非隔离型光伏并网逆变器注意:在非隔离型的光伏并网系统中，光伏阵列与公共电网是不隔离的，导致光伏组件与电网电压直接连接，大面积的太阳电池组不可避免地与地之间存在较大的分布电容，因此，会产生太阳电池对地的共模漏电流。由于无工频隔离变压器，该系统容易向电网注人直流分量。

隔离型光伏并网逆变器 1.2 逆变器的作用：将光伏阵列发出的直流电转换成与电网同频率的交流电并将电能馈入电网。 1.2.1工频隔离型光伏并网逆变器光伏阵列输出的直流电由逆变器逆变为交流电，经过变压器升压和隔离后并入电网。使用工频变压器的目的：进行电压变换和电气隔离，优点:结构简单、可靠性高、抗冲击性能好、安全性能良好、无直流电流问题。直流侧MPPT电路电压上、下限比值范围一般在3倍以内。缺点：体积大、质量重、噪声高、效率低

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.1工频隔离型光伏并网逆变器图4-5 隔离工频变压器对系统效率的影响

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.1工频隔离型光伏并网逆变器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等。 1. 工频隔离系统---单相结构一般采用全桥和半桥结构。常用于几个千瓦以下功率等级的光伏并网系统，其中直流工作电压一般小于600V。工作效率小于96%。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.1工频隔离型光伏并网逆变器 1. 工频隔离系统---单相结构

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.1工频隔离型光伏并网逆变器 2. 工频隔离系统—三相结构一般可采用全桥和三电平半桥结构。常用于数十甚至数百千瓦以上功率等级的光伏并网系统三相全桥结构的直流工作电压一般在450 -820V，工作效率可达 97%。（a）三相全桥式

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.1工频隔离型光伏并网逆变器 2. 工频隔离系统—三相结构三电平半桥结构的直流工作电压一般在600 - 1000V，工作效率可达98%，另外，三电平半桥结构可以取得更好的波形品质。（b）三相三电平桥式

三电平变频器输出波形

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.1 工频隔离型光伏并网逆变器 3. 工频隔离系统—三相多重结构一般大都采用三相全桥结构常用于数百千瓦以上功率等级的光伏并网系统三相全桥结构的直流工作电压一般在450一820V，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。三相多重结构当两台逆变器同时工作时还可以利用变压器二次侧绕组d或Y连接消除低次谐波电流;或采用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。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.1工频隔离型光伏并网逆变器 3. 工频隔离系统—三相多重结构

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2高频隔离型光伏并网逆变器高频变压器(HFT)与工频变压器(LFT)相比的优点：体积小、质量轻，有较广泛的应用。高频隔离型逆变器主要采用了高频链逆变技术高频链逆变技术的新概念是由Espelage和B. K. Bose于1977年提出的。高频链逆变技术用高频变压器替代了低频逆变技术中的工频变压器来实现输人与输出的电气隔离，减小了变压器的休积和质量，提高了逆变器的特性。按电路拓扑结构分为DC/DC变换型(DC/HFAC/DC/LFAC)和周波变换型(DC/HFAC/LFAC)两大类。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器优点：电气隔离、质量轻、体积小单机容摄一般在几个千瓦以内，系统效率大约在93%以上。 1. 电路组成与工作模式

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器其输入、输出侧分别设计了两个DC/AC环节: ▶在输人侧使用的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，并与电网连接

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器两种工作模式: 第一种工作模式：光伏阵列输出的直流电能经过前级高频逆变器变换成等占空比((50%)的高频方波电压，经高频变压器隔离后，由整流电路整流成直流电，然后再经过后级PWM逆变器以及LC滤波器滤波后将电能馈人工频电网

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器两种工作模式: 第二种工作模式：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波，经高频隔离变压器后，再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器逆变将电能馈人工频电网。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器 2.关于SPWPM调制所谓的SPWPM就是指不仅对脉冲的宽度进行调制而使其按照正弦规律变化，而且对脉冲的位置(Position,简称脉位)也进行调制，使调制后的波形不含有直流和低频成分。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器 2.关于SPWPM调制

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器 2.关于SPWPM调制从图中可以看出:只要将单极性SPWM波进行脉位调制，使得相邻脉冲极性互为反向即可得到SPWPM波波形。SPWPM波中含有单极性SPWM波的所有信息，是双极三电平波形。与SPWM低频基波不同，SPWPM波中基波频率较高且等于开关频率。SPWPM波中不含低频正弦波成分，可以利用高频变压器进行能量的传输。SPWPM电压脉冲通过高频变压器后，再将其解调为单极SPWM波，即可获得所需要的工频正弦波电压波形。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器 3. 全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器前级的高频逆变器部分可采用推挽式、半桥式以及全桥式等变换电路的形式. 后级的逆变器部分可采用半桥式和全桥式等变换电路的形式。推挽式电路适用于低压输入变换场合半桥和全桥电路适用于高压输入场合实际应用中可根据最终输出电压等级以及功率大小而确定合适的电路拓扑形式。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器 3. 全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器组成： ▶一个高频电压型全桥逆变器、 ▶一个高频变压器、 ▶一个不可控桥式二极管全波整流器、 ▶一个直流滤波电感 ▶一个极性反转逆变桥

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器 3. 全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器高频电压型全桥逆变器采用SPWPM调制方式，将光伏阵列发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该信号升压后传输给后级不可控桥式二极管全波整流电路 SPWPM脉冲信号在此整流，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正弦波反转为工频的正弦全波，并将电能馈人工频电网

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器 3. 全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器 3. 全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器特点：具有高频电气隔离，技术成熟，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，实现零电压开通零电流关断((ZVZCS)，前级电路也实现零电压开通(ZVS)。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.2 周波变换型高频链光伏并网逆变器 1. 电路组成与工作模式组成：高频逆变器、高频变压器和周波变换器优点：▶提高了系统的效率 ▶实现了功率的双向传输 ▶简化了结构 ▶减小了体积和质量 ▶提高了效率这为实现并网逆变器的高频、高效、高功率密度创造了条件。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.2 周波变换型高频链光伏并网逆变器 1. 电路组成与工作模式

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.2 周波变换型高频链光伏并网逆变器 1. 电路组成与工作模式两种工作模式: 第一种工作模式，光伏阵列输出的直流电能首先经过高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。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.2 周波变换型高频链光伏并网逆变器 1. 电路组成与工作模式第二种工作模式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。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.2 周波变换型高频链光伏并网逆变器 2. 全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器高频逆变器部分可采用推挽式、半桥式以及全桥式等变换电路的形式，周波变换器部分可采用全桥式和全波式等变换电路的形式。推挽式电路适用于低压输入变换场合; 半桥和全桥电路适用于高压输入场合; 全波式电路功率开关电压应力高，功率开关数少，变压器绕组利用率低，适用于低压输出变换场合; 全桥式电路功率开关电压应力低，功率开关数多，变压器绕组的利用率高，适用于高压输出场合。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.2 周波变换型高频链光伏并网逆变器 2. 全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器工作模式：利用一个高频开关逆变器，把输人的直流电压逆变为SPWPM波，通过高频隔离变压器后，传送到变压器二次侧，然后利用同步工作的周波变换器把SPWPM波变换成SPWM波。该电路拓扑可以实现功率双向流动，这对配备储能环节的系统是有必要的。

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.2 周波变换型高频链光伏并网逆变器 2. 全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器控制原理框图

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.2 周波变换型高频链光伏并网逆变器 2. 全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器调制时序图

隔离型光伏并网逆变器 2.2 2.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器 2.2.2.2 周波变换型高频链光伏并网逆变器 2. 全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器结论：输出周波变换器的功率开关可在变压器二次侧电压为零期间重叠导通进行换流，保证了输出滤波电感电流的连续，使得周波变换器无环流危险，可以实现零电压开通和关断(ZVS); 通过移相控制，该电路拓扑能够利用输出滤波电感的能量对前级全桥逆变器的超前桥臂功率开关V1和V3的结电容进行抽流，实现前级全桥逆变器超前桥臂功率开关零电压开通和关断。前级全桥逆变器滞后桥臂功率开关V2和V4由于没有足够的电感能量为其结电容抽流，所以滞后桥臂功率开关是全电压开通。

非隔离型光伏并网逆变器 2.3 优点：体积小、质量轻、效率高、成本较低分类：按结构可以分为单级型和多级型 2.3.1 单级非隔离型光伏并网逆变器优点： ▶一级能量变换就可以完成DC/AC并网逆变功能 ▶电路简单 ▶元器件少 ▶可靠性高 ▶效率高 ▶功耗低

非隔离型光伏并网逆变器 2.3 2.3.1单级非隔离型光伏并网逆变器 2.3.1.1 基于Buck-Boost电路的单级非隔离型光伏井网逆变器组成：两组光伏阵列和Buck-Boost型斩波器由于采用Buck-Boost型斩波器，因此无需变压器便能适配较宽的光伏阵列电压以满足并网发电要求。两个Buek-Boost型斩波器工作在固定开关频率的电流不连续状态(Discontinuous Current Mode, DCM)下，在工频电网的正负半周中控制两组光伏阵列交替工作。

非隔离型光伏并网逆变器 2.3 2.3.1单级非隔离型光伏并网逆变器 2.3.1.1 基于Buck-Boost电路的单级非隔离型光伏井网逆变器优点: 体积、质量大为减小。与具有直流电压适配能力的多级非隔离型光伏并网逆变器相比，开关器件的数目相对较少。

非隔离型光伏并网逆变器 2.3 2.3.1单级非隔离型光伏并网逆变器 2.3.1.1 基于Buck-Boost电路的单级非隔离型光伏井网逆变器具体分析其逆变器每个阶段的换流过程第一阶段:V1开通,其他功率管断开,光伏阵列的能量流向L1,电容C与工频电网并联

项目二光伏逆变器 ——1.电路拓扑