基于改進型全橋電路的非隔離光伏并網逆變器

　　1.1光伏并網發電系統

　　光伏發電對世界能源的貢獻逐年增大，這有目共睹。

　　IEA PVPS的數據顯示，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%為并網系統，如圖1。

　　圖1光伏發電對世界能源的貢獻逐年增加

　　數據來源：IEA PVPS，International Energy Photovoltaic Power Systems Programme

　　1.2光伏發電系統

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

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

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

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

　　非隔離并網逆變器分為單級式非隔離并網逆變器和兩級式非隔離并網逆變器。單級式非隔離并網逆變器適合更高PV電壓和功率；而兩級式非隔離并網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之間出現電氣連接。

　　圖2光伏發電系統的組成結構

　　圖3工頻隔離并網逆變器結構圖

　　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逆變器應用的最大障礙。漏電流問題會產生寄生電容150nF/kWp，引起開關頻率共模電壓源。目前大多采用電路結構SPWM調制的策略。

　　圖4高頻隔離并網逆變器

　　2.非隔離并網逆變器常用電路拓撲

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

　　圖5雙極性SPWM調制的全橋并網逆變器的拓

　　這里我們要介紹幾種具有專利的拓撲結構。

　　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逆變器

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

　　濾波支路：受進網濾波器、EMI濾波器和電網寄生參數支配，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成，對共模電流回路阻抗起影響作用：

　　我們通過單相并網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）在電路和寄生參數對稱的前提下（即滿足

　　圖8單相并網逆變器的漏電流分析的模型

　　圖9單相并網逆變器的漏電流分析的模型

　　VCM-DM：0），SPWM開關方式產生的VCM電壓為恒值；

　　（2）SPWM開關方式產生的VCM電壓為高頻時變時，通過電路參數匹配使得VCM+VCM-DM=consto。

　　全橋類單相并網逆變器漏電流抑制技術包括：

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

　　常見電路有以下幾種：

　　帶交流旁路環節的全橋電路；

　　帶直流旁路環節的全橋電路；

　　帶直流側旁路箝位的全橋電路；

　　基于功能和效率優化的改進型全橋電路。

　　加入一支可控開關管和分壓電容構成雙向箝位支路。
4.理論分析與實驗研究

　　4.1電路結構與驅動時序

　　主電路結構SPWM和驅動時序工作模態為電流正半周和電流負半周。

　　電壓箝位工作是續流階段中點電壓隨電網電壓波動，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：220V/50Hz

　　進網濾波器：4mH+6.6 u F

　　功率：1kW

　　開關頻率：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．結論

　　非隔離型光伏并網逆變器具有效率高、體積小重量輕等優點；

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

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

　　化。

　　圖12實驗B:H5

　　圖13實驗C： H6

　　圖14實驗D：Optimized H5