第5章光伏并网逆变器的电路拓扑(3)剖析

输出负向电流
S-以电网频率开关。
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这种变换器的主要特征： 1） 当不需要升压（即VPE>|Vg|）时，S1(S2) 以高频方式开关。 2）当升压电路工作（即VPE<|Vg|）时， S3(S4)以高频方式开关。 3）S+（S-）以电网频率开关工作，其通断 取决于电压的极性。 优点： 1）滤波器上的电压是单极性的，从而降低 了铁芯损耗。
5.7.1 中点钳位型（NPC）半桥逆变器
其主要思路是：依据电 流的符号使用二极管 D+或D-将输出钳位至 接地的直流侧中点以获 得零电压状态。拓扑如 图：
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该电路输出正向和负向交流电流的开关 状态如下： 输出正向电流
S1以高频方式开关， S2以电网频率开关。
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交流旁路提供了两个重要功能： 1）在零电压状态时避免了L和CPV之间无功功 率的交换，从而提高了效率。 2）在零电压状态时将光伏模块和电网隔离， 从而消除了VPE中的高频成分。
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电流的状态如图所示： 交流旁路的实现方式与HERIC不同。它采 用的是标准IGBT模块和二极管串联组成的单向 开关，从而消除了续流路径。另一个特点是，使 用了一个升压型变换器，高升压变换器仅在输入 直流电压低于电网电压时起作用。 S1以高频方式开关， S+以电网频率开 关。
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交流旁路提供了两个重要功能： 1）在零电压状态时避免了L1(2)和CPV之间无功 功率的交换，从而提高了效率。 2）在零电压状态时 将光伏模块和电网隔 离，从而消除了VPE中 的高频成分。 电流的状态如 图所示： S1和S4以高频方式开关，S+以电网频率开关。
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2）效率可高达96%，这是因为零电压状态 时在L1(2)和CPV1之间不存在无功功率交换， 并且一个桥臂的开关频率低。
3）VPE中只含有电网频率分量而没有开关频率 分量，因此产生的漏电流和EMI都很小。 缺点： 1）需要一个额外的开关管和4个二极管。 2）在死区钳位时，会得到双极性的输出电压， 从而增加了滤波器上的损耗。
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 5.6 由H桥拓扑派生出的逆变器结构 5.7 由NPC拓扑派生出的逆变器结构
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隔离型多支路光伏并网逆变器
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评论： 由于BF-ZVR继承了HERIC的效率高、漏电流低 的优点，由于S5开关频率高，因此其效率比 HERIC低，但却具备能够工作于任意功率因数的 优点。
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5.7 由NPC拓扑派生出的逆变器结构 NPC拓扑是由Nabae、Magi、Takahashi于 1981年提出来的。
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输出正向电流
S3以高频方式开 关，S+以电网频率 开关。
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S+以电网频率开关。
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输出负向电流
S2以高频方式开 关，S-以电网频率 开关。
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S2以高频方式开 关，S-以电网频率 开关。
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缺点： 1）需要两个额外的开关管和两个额外的 二极管。 2）在非零电压工作状态时有4个开关管导通， 因此导通损耗会增加，但是并不影响其总 体的高效率。
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评论： 由于BF-DCBP拓扑的效率高、漏电流及EMI低， 因此它非常适合应用于无变压器型光伏逆变器。
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优点： 1）滤波器上的电压是单极性的，从而降低 了铁芯损耗。 2）直流旁路开关的额定电压仅为直流电压 的一半。 3）由于零电压状态时在L1(2)和CPV1（2）之间不存 在无功功率交换，全桥电路的开关频率低， 以及S5和S6上的电压额定值低，因此该拓扑的 效率高。 4）VPE中只含有电网频率分量而没有开关频率 分量，因此产生的漏电流和EMI都很小。
S1以高频方式开关， S2以电网频率开关。
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输出负向电流
S4以高频方式开关， S3以电网频率开关。
S4以高频方式开关， S3以电网频率开关。
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这种变换器的主要特征： 1） S1(S4)以高频方式开关， S2(S3)以电网频 率开关。 2）存在两种零电压状态：S2、D+=ON和S3、 D-=ON。在非单位功率因数下工作时，当 Vg>0，Ig<0时，S1和S3以互补的方式开关； 当Vg<0，Ig>0时，S2和S4以互补的方式开 关。
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5.6.5 带有直流旁路的全桥逆变器-----FB-DCBP（Ingeteam） 2007年， Ingeteam公司申请了一项称之为FBDCBP的逆变器拓扑结构专利，拓扑如图： 特点是在传统H桥基础上加入了两个额外的直 流侧开关，以及两个额外的钳位二极管，用于 将输出电压钳位至接地的直流母线中点。 直流开关在零电压状 态时将光伏板和电网分 离，钳位二极管确保零 电压状态是接地的。
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输出负向电流
S1和S4以高频方式 开关，S+以电网频 率开关。 输出正向电流
S2和S3以高频方式 开关，S-以电网频率 开关。
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输出负向电流
S2和S3以高频方式开关，S-以电网频率开关。
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3）VPE中只含有电网频率分量而没有开关频率 分量，因此产生的漏电流和EMI都很小。
缺点： 需要两个额外的开关。 评论： HERIC改善了采用双极性调制的全桥逆变器 的性能，它通过交流旁路为电路增加零电压状态 提高了效率。由于这种拓扑结构效率高、漏电流 及EMI低，因此非常适合应用于无变压器型光伏 逆变器。
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2）效率会高达98%，这是因为零电压状态 时在L1(2)和CPV之间不存在无功功率交换， 升压电路只在必要时工作，并且一个桥臂 的开关频率低。
3）VPE中只含有电网频率分量而没有开关频率 分量，因此产生的漏电流和EMI都很小。
缺点： 1）需要双直流电压。 2）需要两个额外的开关，但这两个开 关都以低频方式开关。
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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
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非隔离级联型光伏并网逆变器
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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
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5.6.4 REFU逆变器（Refu Solar）
2007年， Refu Solar公司申请了一项称之为 REFU的逆变器拓扑结构专利，拓扑如图：
特点是使用了交流侧旁路的一个半桥电路以及 一个可旁路的DC-DC变换器。
升压旁路
升压电路
交流旁路
半桥电路
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S5和S6以高频方式 开关， S2和S3以电网 频率开关。
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这种变换器的主要特征： 1）S5和S6以高频方式开关， S1（S2）和S3 （S4）以电网频率开关。 2）将直流旁路开关S5和S6置于OFF状态可获得零输出 电压。 当S5和S6处于OFF状态并且S2和S3处于ON状态 时，电流流通路径分成两条：一条由S1和续流二极管 S3(D3)构成，另一条由S4和续流二极管S2(D2)构成。这 样S2和S3处在ON状态而没有电流流过，因此也就不会 产生损耗。在零电压状态时的电流流通路径为：对应 正向电网电流的S4-D2或S1-D3，以及对应负向电网电流 的S2-D4或S3-D1，D+和D-的作用仅仅是将旁路开关钳 位至直流侧电压的一半。
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Sunways公司已经将这种拓扑结构商业化，最高 效率可达95.6%。
应用于AT（2.7---5kw）系列。数据来源： Photon International, 2008年7月。 HERIC和H5的表现极为相似，两者在零电压 状态时分别在交流侧和直流侧将发电单元和电网 进行解耦，并且都使用两个以高频方式工作的开 关和一个以电网频率工作的开关。
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产生正向和负向交流电流的该拓扑 的开关状态如下： 输出正向电流
S5和S6以高频方式 开关， S1和S4以电网 频率开关。
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S5和S6以高频方式 开关， S1和S4以电网 频率开关。
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输出负向电流
S5和S6以高频方式 开关， S2和S3以电网 频率开关。
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图5-22 电压型高频链MI典型拓扑 c) 半桥式 d) 全桥式
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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
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图5-23 电流型高频链MI典型拓扑 a) 半桥式 b) 全桥式
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这种变换器的主要特征： 1） S1-S4和 S2-S3 以高频方式开关， S+ （ S- ）以电网频率开关。 2）输出电压中存在两种零电压状态： S+=ON和S-= ON（当桥臂关断时）。 优点： 1）滤波器上的电压是单极性的，从而降低 了铁芯损耗。
2）效率可高达97%，这是因为零电压状态 时在L1(2)和CPV之间没有无功功率交换， 并且一个桥臂的开关频率低。
Ingeteam公司已经将这种拓扑结构商业化，最高 效率可达96.5%。
应用于Inecon Sun TL（2.5/3.3/6kw）系列。数 据来源：Photon International, 2007年8月。
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5.6.6 全桥零电压整流器------FB-ZVR 拓扑如图： 特点是这种拓扑源自HERIC，并加入了一个 双向电网短路开关，这个短路开关由一个二极 管桥、一个开关管（S5）和一个钳位至直流侧中 点电位的二极管组成。将全桥关断并将S5闭合可 以获得零电压状态。
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评论： REFU拓扑是一种改进的半桥拓扑，它通过增 加交流旁路来产生损耗最低的零电压状态。由于 这种拓扑结构的效率高、漏电流及EMI低，因此 它非常适合应用于无变压器型光伏逆变器。
Refu公司已经将这种拓扑结构商业化，最高效率 可达98%。
应用于RefuSol（11/15kw）系列。数据来源： Photon International, 2008年9月。
S1和S4以高频方式开 关，S5的开关状态与 S1、S4的正好相反。
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这种变换器的主要特征： 全桥电路的开关管采用类似于双极性调制的方 式开关，即对角线上的开关管同时动作。在每一 次将桥臂上的所有开关管都关断并将S5闭合时， 就可以获得零电压状态。 优点： 1）滤波器上的电压是单极性的，从而降低 了铁芯损耗。
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由H桥拓扑派生出的逆变器结构 H5逆变器（SMA）
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5.6.3 HERIC逆变器（Sunways）
2006年，Sunways公司申请了一项称之为 HERIC（高效率和可靠逆变器概念）的逆变器 拓扑结构专利，拓扑如图： 特点是在交流侧增加了一个采用两个背靠背 IGBT器件的旁路桥臂。
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该电路输出正向和负向交流电流的开关 状态如下： 输出正向电流
S1和S4以高频方式开 关，S5的开关状态与 S1、S4的正好相反。
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S1和S4以高频方式开 关，S5的开关状态与 S1、S4的正好相反。
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输出负向电流
S1和S4以高频方式开 关，S5的开关状态与 S1、S4的正好相反。