浅谈如何改进光伏并网逆变器的拓扑结构

浅谈如何改进光伏并网逆变器的拓扑结构

熊德安

新疆天富金阳新能源有限责任公司新疆石河子832000

摘要:本文运用理论分析和实证分析相结合的方法，与电站的实际发电数据相结合研究光伏电站逆变器的拓扑结构，提出改进光伏并网逆变器拓扑结构的途径，对光伏逆变器的效率提升、光伏电站的设计等有一定的参考价值。

关键词：光伏电站拓扑结构多路MPPT

一一、引言

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5多级式逆变器拓扑方案

3、研究结论

3.1拓扑结构设计

对于拓扑模块的设计，必须保证直流母线环路低电感设计并给快速开关管配置专有的驱动管脚。主要措施有：

为了保证直流母线环路低电感，必须同时降低模块内部和外部的寄生电感。为了降低模块内部的寄生电感，必须优化模块内部的绑定线，管脚布置以及内部走线。为了降低模块外部寄生电感，必须保证在满足安全间距的前提下，Boost电路和逆变桥电路的直流母线正负两端尽量靠近。

2.给快速开关管配置专有的驱动管脚

开关管在开关过程中，绑定线的寄生电感会造成驱动电压的降低。从而导致开关损耗的增加，甚至开关波形的震荡。在模块内部，通过给每个开关管配置专有的驱动管脚（直接从芯片上引出），这样就可以保证在驱动环路中不会有大电流流过，从而保证驱动回路的稳定可靠。这种解决方案目前只有功率模块可以实现，单管IGBT还做不到。

3.2采用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6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V2常通，开关管V1处于高频工作，V1导通时，PV1向L1供电，V1关断时，L1中的电流通过D1、V2，

图6四开关非隔离型半桥Buck-Boost逆变器拓扑

和Ls向电网回馈；当交流电网在负半周期时，开关管V4常通，开关管V3处于高频工作，V3导通时，PV2向L2供电，V3关断时，L2中的电流通过D2、V4和Ls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7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V2常通，开关管V1处于高频工作，V1导通时，D1和V2处于断态，PV向电感充电，V1关断时，变压器中的磁场能量通过绕组L1、D1、V2和Ls向电网回馈；当交流电网在负半周期时，开关管V3常通，开关管V1仍处于高频工作，V1导通时，D2和V3处于断态，PV向电感充电，V1关断时，变压器中的磁场能量通过绕组L2、D2、V3和Ls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7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。

参考文献：

[1]刘志强.10kW光伏并网逆变器的研制[D].北方工业大学,2011.

[2]黄丽娟.单相光伏并网逆变器共模漏电流和无功补偿的研究[D].扬州大学,2014.

本文受新疆生产建设兵团第八师2015年度科技计划支持，课题名称：高纬度地区提升光伏发电效率工艺研究与应用，课题编号：2015cz04