第五章 光伏并网逆变器的电路拓扑

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5.1.2 非隔离型光伏并网逆变器结构 与隔离型相比,省去了笨重的隔离变压器,体统结 构简单、质量变轻、成本降低并提高了效率,将成 为今后主要的光伏并网逆变器结构。 包括单级非隔离型和多级非隔离型。
图5-4 非隔离型光伏并网逆变器结构 a) 单级非隔离型 b) 多级非隔离型
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5.1 光伏并网逆变器的分类
5.3.2 多级非隔离型光伏并网逆变器
单级式非隔离型光伏并网系统中,光伏阵列输出电压必 须在任何时刻都大于电网电压峰值。实际运行中,因光 伏电池组件输出电压跌落,无法保证光伏阵列输出电压 必须在任何时刻都大于电网电压峰值,导致整个光伏系 统不能正常工作。 采用DC/DC变换器来满足光伏阵列输出电压和电网电压 的约束要求。
5.5.2 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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5.5 微型光伏并网逆变器
5.5.2 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) 半桥式 b) 全桥式
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5.5 微型光伏并网逆变器
MI 输 入 电 压 低 ( 单 块 光 伏 组 件 的 输 出 电 压 一 般 为 20~50V)、输出电压高(311V或156V)。MI直接与单 块光伏组件相匹配,功率等级100~300W。 微型光伏并网逆变器关键性技术。 1 )同时具备升降压变换功能的逆变器拓扑,且具备电 气隔离功能。 2)高效率的电能变换技术。 3)新型的高可靠性、低成本小功率并网变流检测与控 制技术。 4)高效率、低成本的最大功率点跟踪技术。 5)简单、有效的孤岛检测技术。 6)提高整机寿命的无电解电容变换技术。 7)信息通信技术。
非隔离型光伏并网逆变器是未来光伏系统的发展方向, 但也存在相应的两个主要难点问题。 由于逆变器输出不采用工频输出变压器进行隔离及升压, 逆变器易向电网中注入直流分量,导致变压器或互感器 饱和、变电所接地网腐蚀等电网设备问题。 由于并网逆变器中没有工频或高频变压器,同时由于光 伏电池对地存在寄生电容,使得系统在一定条件下能产 生较大的共模漏电流,增加了系统的传导损耗,降低了 电池兼容性,同时也会向电网中注入谐波并出现安全问 题。
图5-18 非隔离型光伏并网系统中的寄生电容和共模电流
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5.3 非隔离光伏并网逆变器
5.3.3 非隔离型光伏并网逆变器的难点问题
非隔离型光伏并网逆变器中共模电流的抑制。共模电流 的出现,增加了系统损耗,降低了电磁兼容性并产生安 全问题。在考虑电路效率的条件下,可适当改进逆变器 的拓扑结构来抑制共模电流。如带交流旁路的全桥拓扑、 带直流旁路的全桥拓扑、H5拓扑等。
5.1.2 非隔离型光伏并网逆变器结构 非隔离型的光伏并网系统中,光伏阵列与电网电压 直接连接。 大面积的光伏阵列与大地之间存在较大的分布电容, 因此会产生光伏阵列对地的共模漏电流。由于没有 工频隔离电压器,该系统容易向电网注入直流分量, 必须采取适当措施,保证主电路和控制电路的运行 安全。
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5.2 隔离光伏并网逆变器
图5-14 单级非隔离型光伏并网系统结构
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5.3 非隔离光伏并网逆变器
5.3.1 单级非隔离型光伏并网逆变器
基于 Buck-Boost 电路的单级式非隔离型光伏并网逆变器,输出功 率小于1kW,主要用于户用光伏并网系统。
图5-15 单级非隔离型光伏并网系统结构及其工作模式
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5.3 非隔离光伏并网逆变器
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5.5 微型光伏并网逆变器
5.5.1 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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5.5 微型光伏并网逆变器
5.5.1 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 c) 半桥式 d) 全桥式
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5.5 微型光伏并网逆变器
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5.3 非隔离光伏并网逆变器
5.3.3 非隔离型光伏并网逆变器的难点问题
非隔离型光伏并网逆变器中输出直流分量的抑制。直流 分量产生的最根本原因是逆变器输出的高频SPWM波中 含有一定的直流分量,可归结为以下几点: 1. 给定的正弦信号中含有直流分量(多发生在模拟控制的 逆变器中)。 2. 控制系统反馈通道中的零点漂移引起的直流分量: ① 检测元件的零点漂移。 ② A/D转换器的零点漂移。 ③ 脉冲分配及死区电路引起的直流分量。 ④ 开关特性不一致导致的直流分量。 直流分量的抑制方法:软件法、硬件法等。
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5.3 非隔离光伏并网逆变器
5.3.3 非隔离型光伏并网逆变器的难点问题
非隔离型光伏并网逆变器中共模电流的抑制。光伏电池 和接地外壳间存在对地的寄生电容,该寄生电容与逆变 器输出滤波元件及电网阻抗组成共模谐振电路,如图518所示。逆变器的功率开关动作时,会引起寄生电容上 的共模电压产生变化,变化的共模电压激励谐振电路从 而产生共模电流。
图5-19 H5拓扑
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5.4 多支路光伏并网逆变器
光伏发电广泛的与城市建筑相结合,由于城市建筑的复 杂性,其光照、温度、光伏组件规格都会因安装位置的 不同而有所差异,传统的集中式光伏并网结构无法满足 光伏系统的这种更高性能的要求,可采用多支路型的光 伏并网逆变器结构。 各支路可独立进行最大功率跟踪,解决了各支路间的功 率失配问题。多支路光伏并网逆变器安装灵活、维修方 便、能够最大限度的利用太阳能的辐射能量,具有较好 的应用前景。 根据有无隔离变压器可分为隔离型和非隔离型多支路光 伏并网逆变器两大类。
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5.4 多支路光伏并网逆变器
5.4.1 隔离型多支路光伏并网逆变器
图5-20 多支路高频链光伏并网逆变器结构
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5.4 多支路光伏并网逆变器
5.4.1 隔离型多支路光伏并网逆变器
图5-21 多支路高频链光伏并网逆变器系统整体控制框图
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5.4 多支路光伏并网逆变器
5.4.2 非隔离型多支路光伏并网逆变器
5.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器
周波变换型高频链光伏并网逆变器,利用高频变压器同 时完成变压、隔离、SPWM逆变。功率变换环节只有两 级,提高了系统效率。
图5-11 周波变换型高频链光伏并网系统一 a) 电路组成 b) 波形变换模式
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5.2 隔离光伏并网逆变器
5.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器
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5.1 光伏并网逆变器的分类
根据光伏并网逆变器与电网的连接有无隔离变压器, 可将光伏并网逆变器分为隔离型和非隔离型两大类, 详细分类如图5-1所示。
图5-1 光伏并网逆变器分类
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5.1 光伏并网逆变器的分类
5.1.1 隔离型光伏并网逆变器结构 工频隔离型
特点:主电路和控制电路相对简单,光伏阵列直流输入电压的匹配 范围较大,可有效防止电网电流通过桥臂与人体在直流侧形成回路 造成的人体伤害事故,保证系统不会向电网注入直流分量,有效的 防止了配电变压器的饱和。但体积大、质量重,增加了系统损耗及 成本。
5.2.1 工频隔离型光伏并网逆变器
优点:结构简单、可靠性高、抗冲击性能好、安全性高、无直流电 流问题。 缺点:体积大、质量重、噪声高、效率低。
图5-5 工频隔离变压器对系统效率的影响
5-8
5.2 隔离光伏并网逆变器
5.2.1 工频隔离型光伏并网逆变器
单相工频隔离型系统,常用于几个千瓦以下功率等级的 光伏并网系统中,其直流工作电压一般小于600V,整机 工作效率小于96%。
图5-2 工频隔离型光伏并网逆变器结构
5-4
5.1 光伏并网逆变器的分类
5.1.1 隔离型光伏并网逆变器结构 高频隔离型
特点:相比工频隔离型,具有较小的体积和质量,克服了工频隔离 型的主要缺点。
图5-3 高频隔离型光伏并网逆变器结构 a) DC/DC变换型 b) 周波变换型
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5.1 光伏并网逆变器的分类
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5.3 非隔离光伏并网逆变器
5.3.1 单级非隔离型光伏并网逆变器
非隔离型光伏并网逆变器,只用一级能量变换就可完成DC/AC并网 逆变功能,具有电路简单、元器件少、可靠性高、功耗低、效率高 等诸多优点。 当光伏阵列的输出电压满足并网逆变要求且不需要隔离时,可以将 工频隔离型光伏并网逆变器各种拓扑中的隔离变压器省略,得到单 级式非隔离型光伏并网逆变器的各种拓扑,如:全桥式、半桥式、 三电平式等。
第五章
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
光伏并网逆变器的电路拓扑
光伏并网逆变器的分类 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
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第五章 光伏并网逆变器的电路拓扑
光伏并网逆变器将太阳能电池输出的直流电转换成 符合电网要求的交流电再输入电网,是光伏并网系 统能量转换与控制的核心。 光伏并网逆变器的性能影响和决定整个光伏系统是 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。 本章将对光伏并网逆变器进行分类讨论。
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5.2 隔离光伏并网逆变器
5.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器
图5-9 DC/DC变换型高频链光伏并网系统二 a) 电路组成 b) 波形变换模式
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5.2 隔离光伏并网逆变器
5.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器
图5-10 全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器拓扑
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5.2 隔离光伏并网逆变器
图5-7 三相工频隔离型结构 a) 三相两电平 b) 三相三电平
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5.2 隔离光伏并网逆变器
5.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器
DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器,单级容量一般在 几个千瓦以内,整机工作效率大约在93%以上。
图5-8 DC/DC变换型高频链光伏并网系统一 a) 电路组成 b) 波形变换模式
图5-16 单级非隔离型光伏并网系统结构
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5.3 非隔离光伏并网逆变器
5.3.2 多级非隔离型光伏并网逆变器
采用 Boost 变换器作为升压变换器,可使光伏阵列工作 在一个宽泛的电压范围内。
图5-17 基本Boost多级非隔离型光伏并网逆变器主电路拓扑
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5.3 非隔离光伏并网逆变器
5.3.3 非隔离型光伏并网逆变器的难点问题
图5-21 基于Bபைடு நூலகம்ost变换器的非隔离型光伏并网逆变器结构
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5.4 多支路光伏并网逆变器
5.4.2 非隔离型多支路光伏并网逆变器
图5-21 非隔离型多支路并网逆变器系统的控制框图
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5.5 微型光伏并网逆变器
微型光伏并网逆变器,即微型逆变器(Micro-Inverter),是 一种用于独立光伏组件并网发电系统的功率变换单元。 传统的光伏并网系统基于光伏组件的串、并联组成,系 统缺乏扩充性,不能实现每块组件的最大功率点运行, 如任一组件损坏,将会影响整个系统的正常工作。还因 其较高的直流电压存在安全性和绝缘问题。 MI主要优点:环境适应性强、没有热斑问题、模块化技 术容易扩容、体积较小、标准化安装、无须串联二极管 和旁路二极管、分布式结构提高了系统的可靠性。 MI主要缺点:系统应用可靠性不如光伏电池,一旦损坏 不易更换;效率比集中式逆变器低;相对成本较高;集 中控制困难。
周波变换型高频链光伏并网逆变器,没有中间整流环节, 可实现功率的双向传输,达到简化结构、减小体积和质 量、提高效率的目的。
图5-12 周波变换型高频链光伏并网系统二 a) 电路组成 b) 波形变换模式
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5.2 隔离光伏并网逆变器
5.2.2 高频隔离型光伏并网逆变器
图5-13 全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器拓扑
图5-6 单相工频隔离型结构 a) 全桥式 b)半桥式
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5.2 隔离光伏并网逆变器
5.2.1 工频隔离型光伏并网逆变器
三相工频隔离型系统,一般采用两电平或三电平三相半 桥结构。常用于数十甚至数百千瓦以上功率等级的光伏 并网系统中,其直流工作电压一般在450~1000V,整机 工作效率大于97%。
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