光伏并网逆变器拓扑结构的研究

光伏并网逆变器拓扑的研究

陈德双，陈增禄

（西安工程大学电子信息学院，西安 710048）

摘要：本文介绍了多种光伏并网逆变器常用的拓扑方案，分析了各自拓扑结构的特点、功率及适用场合，对逆变器的选型与设计提供了借鉴和参考。

关键词：光伏并网；并网逆变器；拓扑结构；Buck-boost ；三相

1 引言

跨入21世纪之后，全球正在面临能源危机，新能源已经成为世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能光伏发电技术作为新能源的重要一员得到了持续的发展。

太阳能光伏发电系统可区分为两大类：一是独立系统，二是并网系统。独立系统是由太阳能电池直接给负载提供功率，多用于向偏远无电地区供电，易受到诸如时间和季节的影响。独立系统结构图如图1-1所示。

图1-1 独立系统结构图

随着电力电子技术的进步和控制理论的发展，光伏并网发电已经成为太阳能利用的主要形式。并网发电系统的特点是通过控制逆变器，直接将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，输向电网，如图1-2所示。寻求高性能、低造价的光伏材料和器件以减小光伏发电系统的自身损耗是其研究热点之一。作为光伏阵列与电网系统间进行能量变换的逆变器，其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对发电系统的整体投资和收益具有举足轻重的地位。因此，对于拓扑结构的合理选择、提高系统效率和降低生产成本有着极其重要的意义。

图1-2 并网发电系统结构图

太阳光

2 光伏并网逆变器拓扑方案

并网逆变器作为并网发电系统进行电能变换的核心，具体电路拓扑众多，根据直流侧电源性质的不同可分为两种：电压型逆变器和电流型逆变器，结构如图2-1。电流型逆变器，其直流侧输入为电流源，需要串联一大电感提供较为稳定的直流电流输入，但此大电感会导致系统动态响应差，因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用直流侧以电压源为输入的电压型逆变器。

根据逆变器的输入端和输出端是否隔离，可将逆变器分为隔离型和非隔离型。隔离型逆变器一般都采用变压器进行隔离。隔离型逆变器又可分为高频变压器型和工频变压器型。也可以根据功率变换的级数将逆变器分为单级式和多级式。

图2-1 按直流侧电源性质分类的并网逆变器结构图

2.1 按是否隔离分类

工频变压器型逆变器采用一级DC/AC 主电路，变压器置于逆变器与电网之间，如图2-2所示。这种方式可有效阻止逆变器输出波形中的直流分量注入电网，减少对电网的污染。

图2-2 工频变压器型逆变器拓扑

高频变压器型逆变器采用两级或多级变换实现并网逆变。以两级变换为例，如图2-3所示。前级将直流电压斩波为高频脉冲，通过高频变压器后整流，后级通过逆变器并网。

电压型逆变器

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图2-3 高频变压器型逆变器拓扑

高频变压器与工频变压器相比，体积小、重量轻，大大减小了投资成本。因此，一般倾向于采用高频变压器实现升降压和隔离的功能。为了尽可能提高效率和降低成本，并网逆变器向无变压器的非隔离型发展。与隔离型逆变器相比，非隔离型逆变器具有体积小、成本低、效率高等优点。但由于输出与输入之间没有隔离，光伏模块存在一个较大的对地寄生电容，从而导致较大的对地漏电流。此漏电流会严重影响逆变器工作模式，也可能引发安全事故。

2.2 按功率变换的级数分类

单级式并网逆变器如图2-4所示，由于直接将太阳能光伏板发出的直流电通过逆变器并入电网，因此结构简单，所需元器件少，体积较小，高效低功耗，减少资金投入，目前已成为研究热点。

多级式并网逆变器相对于单级式来说需要多一级的能量转换，其中前几级具备升降压或隔离的功能，用以实现电压调整和MPPT 的功能；最后一级实现单位功率因数并网、孤岛检测等功能，如图2-5所示。此类拓扑结构简化了各级的控制方法，提高了各级控制方法 的效率。

图2-4 单级式逆变器拓扑方案

图2-5 多级式逆变器拓扑方案

3 单级式并网逆变器拓扑结构

单级式并网逆变器根据输入电压和输出电压的关系，可分为Buck 逆变器、Boost 逆变器和Buck-Boost 逆变器。在市场上Buck-Boost 逆变器使用较为广泛。

图3-1为一个四开关非隔离型半桥Buck-Boost 逆变器，其将输入端的光伏电源分为两部分，分别为两组Buck-Boost 电路交替工作：当交流电网在正半周期时，开关管V 2常通，开关管V 1处于高频工作，V 1导通时，PV 1向L 1供电，V 1关断时，L 1中的电流通过D 1、V 2

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图3-1四开关非隔离型半桥Buck-Boost 逆变器拓扑

和L s 向电网回馈；当交流电网在负半周期时，开关管V 4常通，开关管V 3处于高频工作，V 3导通时，PV 2向L 2供电，V 3关断时，L 2中的电流通过D 2、V 4和L s 向电网回馈。本电路在每半个周期内只有两个开关管工作在高频状态，具有开关损耗低、EMI 弱等优点。但是该拓扑结构光伏模块利用率较低，所需直流滤波电容体积较大。

图3-2为一个隔离型反激式逆变器拓扑结构，变压器可看作是一对相互耦合的电感，其只用三个功率开关管和一个隔离变压器就可实现Buck-Boost 变换：当交流电网在正半周期时，开关管V 2常通，开关管V 1处于高频工作，V 1导通时，D 1和V 2处于断态，PV 向电感充电，V 1关断时，变压器中的磁场能量通过绕组L 1、D 1、V 2和L s 向电网回馈；当交流电网在负半周期时，开关管V 3常通，开关管V 1仍处于高频工作，V 1导通时，D 2和V 3处于断态，PV 向电感充电，V 1关断时，变压器中的磁场能量通过绕组L 2、D 2、V 3和L s 向电网回馈。该拓扑将光伏阵列和电网隔离，但损耗有所增加。因受反激式变压器初级绕组电感量的限制，该拓扑常用于微型光伏并网系统。

图3-2隔离型反激式逆变器拓扑

单级式Buck-Boost 并网逆变器省去了工频变压器，结构简单、体积小、投资成本小。但需要电感储能实现升压，因此仅适用于小功率场合。在大功率场合，多级式并网逆变器更为适合。

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