基于改進型全橋電路的非隔離光伏并網(wǎng)逆變器

　　1.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

　　光伏發(fā)電對世界能源的貢獻逐年增大，這有目共睹。

　　IEA PVPS的數(shù)據(jù)顯示，2009年該項目成員國共安裝光伏容量6.2GW（全球安裝約7GW），其中超過95%為并網(wǎng)系統(tǒng)，如圖1。

　　圖1光伏發(fā)電對世界能源的貢獻逐年增加

　　數(shù)據(jù)來源：IEA PVPS，International Energy Photovoltaic Power Systems Programme

　　1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列和并網(wǎng)逆變器組成（如圖2）。其中并網(wǎng)逆變器對發(fā)電系統(tǒng)的性能和成本起著重要的決定作用。

　　按照是否帶變壓器，并網(wǎng)逆變器可以分為隔離型和非隔離型，包括：工頻隔離并網(wǎng)逆變器、高頻隔離并網(wǎng)逆變器、非隔離并網(wǎng)逆變器（單級式和多級式）等。

　　工頻隔離并網(wǎng)逆變器（如圖3）具有電氣隔離、消除電流直流分量等優(yōu)點，但體積重量大、價格高，只有94%—96%的系統(tǒng)效率。

　　高頻隔離并網(wǎng)逆變器（如圖4）具有電氣隔離、體積、重量、成本降低等優(yōu)勢，但系統(tǒng)效率只有90%—95%。

　　非隔離并網(wǎng)逆變器分為單級式非隔離并網(wǎng)逆變器和兩級式非隔離并網(wǎng)逆變器。單級式非隔離并網(wǎng)逆變器適合更高PV電壓和功率；而兩級式非隔離并網(wǎng)逆變器適合寬電壓范圍的PV陣列，它們都具有98.8%的最高效率，體積小、重量輕、成本低，但其缺點是電池板和電網(wǎng)之間出現(xiàn)電氣連接。

　　圖2光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

　　圖3工頻隔離并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖

　　電氣連接為漏電流提供了流通路徑，是高效率的非隔離光伏并網(wǎng)逆變器應(yīng)用的最大障礙。漏電流問題會產(chǎn)生寄生電容150nF/kWp，引起開關(guān)頻率共模電壓源。目前大多采用電路結(jié)構(gòu)SPWM調(diào)制的策略。

　　圖4高頻隔離并網(wǎng)逆變器

　　2.非隔離并網(wǎng)逆變器常用電路拓撲

　　過去，我們常采用雙極性SPWM調(diào)制的全橋并網(wǎng)逆變器（圖5為其拓撲結(jié)構(gòu)），因為其效率不高，常應(yīng)用在小功率場合，而且沒有專利壁壘。

　　圖5雙極性SPWM調(diào)制的全橋并網(wǎng)逆變器的拓

　　這里我們要介紹幾種具有專利的拓撲結(jié)構(gòu)。

　　2.1 Sunways公司的專利拓撲（圖6）

　　單相兩級式系列：AT 2700/3000/3600/4500/5000：

　　單相單級式系列：NT 2500/3700/4200/5000；

　　三相兩級式系列：Three-phase IxIT 10000/11000/12000。

　　圖6 Sunways公司的專利拓撲

　　2.2 SMA公司的專利拓撲（圖7）

　　單相兩級式系列：SB3000TL/4000TL/5000TL;

　　單相單級式系列：SMC6000TL /7000TL /8000TL

　　/9000TL /10000TL /11000Tlo

　　圖7SMA公司的專利拓撲

　　2.3半橋型拓撲

　　二電平SPWM半橋無專利壁壘，因而被廣泛采用；此外，還有單極性SPWM三電平半橋。

　　3．改進型全橋非隔離光伏并網(wǎng)逆變器

　　先來看單相并網(wǎng)逆變器的漏電流分析的模型（如圖8）是如何解決單相并網(wǎng)逆變器的漏電流問題的。

　　濾波支路：受進網(wǎng)濾波器、EMI濾波器和電網(wǎng)寄生參數(shù)支配，對共模電流回路阻抗起主導作用；

　　寄生支路：由橋臂中點寄生電容構(gòu)成，對共模電流回路阻抗起影響作用：

　　我們通過單相并網(wǎng)逆變器的漏電流分析模型（如圖9）歸納出兩種消除漏電流的途徑：

　　（1）在電路和寄生參數(shù)對稱的前提下（即滿足

　　圖8單相并網(wǎng)逆變器的漏電流分析的模型

　　圖9單相并網(wǎng)逆變器的漏電流分析的模型

　　VCM-DM：0），SPWM開關(guān)方式產(chǎn)生的VCM電壓為恒值；

　?。?）SPWM開關(guān)方式產(chǎn)生的VCM電壓為高頻時變時，通過電路參數(shù)匹配使得VCM+VCM-DM=consto。

　　全橋類單相并網(wǎng)逆變器漏電流抑制技術(shù)包括：

　　（1） 在電路和寄生參數(shù)對稱的前提下（即滿足VCM-DM：O）SPWM開關(guān)方式產(chǎn)生的v電壓為恒值。

　　常見電路有以下幾種：

　　帶交流旁路環(huán)節(jié)的全橋電路；

　　帶直流旁路環(huán)節(jié)的全橋電路；

　　帶直流側(cè)旁路箝位的全橋電路；

　　基于功能和效率優(yōu)化的改進型全橋電路。

　　加入一支可控開關(guān)管和分壓電容構(gòu)成雙向箝位支路。
4.理論分析與實驗研究

　　4.1電路結(jié)構(gòu)與驅(qū)動時序

　　主電路結(jié)構(gòu)SPWM和驅(qū)動時序工作模態(tài)為電流正半周和電流負半周。

　　電壓箝位工作是續(xù)流階段中點電壓隨電網(wǎng)電壓波動，提升中點電壓或降低中點電壓。

　　4.2功率器件損耗分析與計算

　　以光伏電壓500V、功率5kW等級為例（如圖10），我們在如下實驗條件進行研究。

　　輸入電壓：340—700VDG

　　光伏寄生電容：2×0.1 u F

　　電網(wǎng)：220V/50Hz

　　進網(wǎng)濾波器：4mH+6.6 u F

　　功率：1kW

　　開關(guān)頻率：20kHz

　　以下羅列了4種電路實驗形式：

　　A： Haric

　　B:H5

　　C： H6

　　D： Optimized H5

　　圖1 0功率器件損耗分析與計算

　　圖1 1實驗A:Haric

　　5．結(jié)論

　　非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器具有效率高、體積小重量輕等優(yōu)點；

　　根據(jù)橋式非隔離光伏并網(wǎng)逆變器漏電流分析模型，我們可以得出兩條抑制開關(guān)頻率漏電流的途徑；

　　我們希望提出一種改進型全橋非隔離光伏并網(wǎng)逆變器拓撲，可以實現(xiàn)對漏電流性能和變換效率進行優(yōu)

　　化。

　　圖12實驗B:H5

　　圖13實驗C： H6

　　圖14實驗D：Optimized H5