光伏发电系统电力电子接口优化技术

并网光伏发电系统的电力电子接口，可以根据两大主要标准进行分类：基于逆变器使用的分类和基于变换器级数及组件结构的分类。

基于逆变器使用的分类，其拓扑结构如下：

1）集中式逆变器系统；

2）组串型逆变器系统；

3）多组串型逆变器系统。

基于变换器级数和光伏组件数的分类，其拓扑结构如下：

1）双级单组件式；

2）单级多组件式；

3）单级多电平式；

4）双级多组件式。

这些分类如图1.38所示。

1.7.1.1 基于逆变器使用的拓扑结构

1.7.1.1.1 集中式逆变器拓扑结构

集中式逆变器系统如图1.39所示。

图1.38 基于逆变器使用和级数/组件结构的电力电子接口分类

在这种拓扑结构中，光伏组件被串联和并联在一起来获得所需的电流和电压水平。该结构只在公共直流母线侧使用一台逆变器。由于各组件间失配和必须使用串联连接的光伏组串二极管，逆变器的功率损耗高于组串型逆变器拓扑结构。这种拓扑结构可以不需要升压，因为串联的组串电压已经足够高了^[77]。

1.7.1.1.2 组串型逆变器拓扑结构

组串型逆变器拓扑结构如图1.40所示，其中单个组串直接连接到每个光伏组串的独立逆变器上^[78]。

在这种拓扑结构中，如果每个组串中串联足够多的光伏板，就可以不需要升压。通过直流侧的一个DC-DC变换器，或者是通过一个嵌入在高频DC-DC变换器中的变压器，就可以提升电压。可以将独立的MPPT应用到每个光伏组串上，以此来提高系统的总效率^[77]。

1.7.1.1.3 多组串逆变器拓扑结构

在多组串逆变器拓扑结构中，几个组串将自身集成的DC-DC变换器与公共DC-AC逆变器接口相连接^[79，80]，如图1.41所示。

图1.39 采用集中逆变器系统拓扑结构的传统光伏系统技术

图1.40 组串型逆变器拓扑结构

图1.41 多组串逆变器拓扑结构

通过单独接入和断开光伏串可以使用更多或更少的组件。通过增加集成光伏板或者变换器组可以实现进一步扩容。变换器输出可被插入到一个现有的平台之上，该平台所有的电气连接都集中在背板的一个连接器上，因此这是一种高效、灵活的设计方案。在这种拓扑结构中，每个光伏组件都具有实用的集成电力电子接口。由于减少了组件间的失配现象，因此该系统的功率损耗相对较低，但逆变器中的常规损耗会与光伏组串逆变器相同。此外，该结构还支持每个组件的优化运行，从而实现系统的总体性能最优^[77]。这是因为每个光伏板都有独立的DC-DC变换器，而且每个光伏板都可以独立地达到最大功率水平。

1.7.1.2 基于组件和级数结构的拓扑结构

太阳能发电系统的电力电子调节电路可以是无变压器式的，它们也可以使用嵌入在DC-DC变换器中的高频变压器，因此无需使用笨重的低频变压器。前述拓扑结构中的级数是指系统中级联变换器/逆变器的数量。

1.7.1.2.1 两级单组件式拓扑结构

这种两级变换系统可能有多种结构。最常见的两级拓扑结构包括一个DC-AC并网电压源脉宽调制（PWM）逆变器，它带有一个与光伏系统相连的变换器，还有与其相关的MPPT系统。

1.7.1.2.1.1 隔离式两级单组件式拓扑结构

隔离式DC-DC变换器由在DC-AC和AC-DC变换级之间的变压器组成^[81]。这个变压器提供了光伏电源和负载之间的隔离。图1.42所示为一些典型的拓扑结构。

在图1.42所示的拓扑结构中，光伏板和DC-DC变换器的输出电压为直流值。两级DC-DC变换器由一个DC-AC逆变器、一个高频变压器和一个整流器组成。在图1.42b中，在变压器输入侧使用了一个电容，形成具有一个变压器等效电感的LC谐振电路。这种谐振电路降低了逆变器的开关损耗。在推挽式变换器拓扑结构中，需要一个中间端子连接，因为逆变器只有一种电平，以减少开关部件数量。

图1.42c所示的推挽式变换器可以使用MATLAB的Sim PowerSystems模块来进行建模和仿真。在这个系统中，光伏阵列额定输出电压为150V，开关频率为10kHz。在整流块之后使用了一个并联电容滤波器（1mF），以期获得在输出端减少振荡。直流负载为10Ω电阻负载。

光伏阵列的输出电流如图1.43所示，其开关频率为10kHz。在隔离级使用一个可以降低尺寸和成本的高频变压器。

变压器的输出电压如图1.44所示，这是一个高压交流电压。在连接到直流负载或进行DC-AC变换之前，需要对它进行整流。

图1.45中显示了AC-DC整流器的输出电压。通常情况下，这个输出电压在0～150V之间变化，它是AC输入电压的幅值。不过，为了减少直流母线侧的振荡，它使用了一个电容滤波器。因此，它的直流母线电压几乎固定不变。

图1.42隔离式DC-DC变换器^[77]

a）H桥DC-DC变换器 b）串联谐振H桥DC-DC变换器 c）推挽式DC-DC变换器

图1.43 推挽式变换器的光伏阵列电流

图1.44 推挽式变换器内的变压器输出电压

图1.45 推挽式变换器的输出电压

通过调节图1.46所示的反激式电流源逆变器，可以为逆变器提供一个整流的正弦波输出电流，以及跟踪MPP^[82]。输入到反激式变换器的电流是不连续的，因此需要使用一个缓冲电容器来消除低频和高频纹波。

图1.46 反激式电流源逆变器

图1.47～图1.50给出了反激式变换器的仿真结果。仿真的反激式变换器的输入电容为200μF，输出电容为1mF，电感为0.01mH。该阵列的额定输出电压为150V，变换器的开关频率为10.8kHz。交流负载电阻为10Ω，它与逆变器的交流输出端子相连。光伏阵列的输出电流如图1.47所示。

图1.47 反激式变换器的光伏阵列电流

逆变器的直流输入电压如图1.48所示。

如图1.49^[3]所示的直流波形是逆变器的输入电压，或者换句话说，它是反激式变换器的输出电压。使用具有10kHz开关频率的脉冲宽度调制逆变器将该输入电压变换为交流电压。该逆变器的交流输出电压如图1.49所示。

使用一个串联L和一个并联C滤波器，可以减少交流输出电压的总谐波畸变率。在定义电容器值（此例中是1mF）之后，可以计算出电感值：

图1.48 反激式变换器中的逆变器输入电压

其中，低通滤波器的截止边缘频率是8kHz，用以消除逆变器的干扰和谐波。因此，频率高于8kHz的交流电压分量将被消除。在使用无源LC滤波器后，逆变器输出电压为图1.50所示的正弦波。这个电压的谐波畸变率和开关噪声都较低。

图1.46所示的拓扑结构可以改进。图1.51显示了一个串联谐振DC-DC变换器，加上一个全桥并网逆变器，它是通过添加两个额外的二极管来改进的^[83，84]。DC-DC变换器工作在100kHz上，作为一个“直流变压器”，它具有固定的电压变换比。实现零电压开关的谐振回路降低了开关损耗。使用这种方式可以降低来自变换器的开关损耗。这种MPPT可以应用于并网逆变器，它同时使用了高、低开关频率。图1.51中逆变器的左桥臂是由一个滞环控制器来控制的，其开关频率在20～80kHz之间。逆变器的右桥臂则是根据电网开关频率（60Hz或50Hz）时的电网电压极性来控制的。

1.7.1.2.1.2 非隔离式双级单组件拓扑结构

图1.52a和b所示的拓扑结构是两级单组件的拓扑结构，其中一个DC-DC变换器与用于并网连接的DC-AC变换器相连。DC-DC变换器处理MPP跟踪，而DC-AC逆变器则是用于将直流输出变换为并网的交流电压。这些都是非隔离式变换器，因为它们没有变压器。

图1.49 逆变器的交流输出电压

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图1.50 带有LC滤波器的逆变器输出电压

在图1.52a和b所示的拓扑结构中，在DC-AC变换级除了使用全桥逆变器以外，还可以使用半桥逆变器。这样一来，既可以减少开关部件的数量，又可以简化控制器，不过，对于直流母线来说，需要使用一个两级串联电容器来取得中点。串联电容器的中点将被用作半桥结构的交流电网负极。这些半桥逆变器拓扑结构如图1.53a和b所示。

图1.51 串联谐振DC-DC变换器及其并网逆变器

图1.52带有全桥逆变器的升压变换器和带有全桥逆变器的降压变换器

a）带有全桥逆变器的升压变换器 b）带有全桥逆变器的降压变换器

图1.53与半桥逆变器连接的升压变换器和与半桥逆变器连接的降压变换器

a）与半桥逆变器连接的升压变换器 b）与半桥逆变器连接的降压变换器

图1.54～图1.57为一个非隔离式两级变换器的电流和电压波形，其中，一个升压变换器后接一个全桥逆变器（见图1.52a）。该升压变换器的电感为0.1mH，升压变换器的电容为5.6mF，光伏阵列的额定输出电压为48V。升压变换器的开关频率为10kHz。光伏阵列的48V输出电压被升压并逆变为交流电压。图1.57所示为光伏阵列的输出电流。图1.58给出了该升压变换器的输出电压，这是逆变器的输入电压。

这种直流电压的DC-AC逆变产生了图1.56所示的交流波形。LC滤波器用在逆变器输出端，用来减小谐波畸变率和开关噪声。L_f选用0.4μH，C_f为1mF。滤波后的逆变器正弦输出电压如图1.57所示。

1.7.1.2.2 单级多组件式拓扑结构

图1.58所示为一个典型的单级多组件逆变器，这是最简单的并网拓扑结构^[85]。该逆变器是一个标准的电压源PWM逆变器，它通过一个LCL滤波器与公共电网连接。由光伏组件产生的输入电压应该高于公共电网峰值电压。它的效率约为97%。另一方面，所有组件都被连接到相同的MPPT装置之上。在部分遮蔽的情况下，这可能会导致严重的功率损耗。此外，需要一个大电容用于光伏组件和公共电网之间的功率解耦^[86]。

图1.54 用于升压变换器/逆变器拓扑结构的光伏阵列输出电流

图1.55 用于升压变换器/逆变器拓扑结构的升压变换器输出电压或逆变器输入电压

图1.56 用于升压变换器/逆变器拓扑结构的逆变器输出电压

图1.57 滤波后的逆变器输出电压

1.7.1.2.3 单级多电平式拓扑结构

图1.59所示为一个多电平变换器。这种拓扑结构中的每个开关都有一个额外的钳位二极管，用于开关的过电压保护。这些钳位二极管避免了电磁干扰（EMI）对于驱动电路的影响。

多电平逆变器拓扑结构特别适用于光伏应用，因为通过光伏阵列的组件化结构可以很容易地提供不同的直流电压等级^[87，88]。多电平逆变器可以在低开关频率下提供一个低谐波畸变率的接近正弦波的输出电压。与单电平逆变器相比，多电平逆变器可以产生总谐波畸变率较小、质量更高的交流电压。

图1.60所示为一个半桥式二极管钳位的三电平逆变器（HBDC）。通过添加更多的组件和开关，可以将三电平逆变器扩展成五电平、七电平，甚至更多的电平等级^[87，88]。这样就可以进一步降低谐波畸变率。这种拓扑结构的缺点是所需的半导体器件数量较多，而且不同的光伏串的负载不均。因此，难以实现每个独立串的最

图1.58 单级多组件式逆变

图1.59 多电平变换器拓扑结构

大功率传输，尤其在出现中等程度的遮蔽时更是如此。

图1.60 使用HBDC的并网连接系统

为了在逆变器的输出端子侧获得正电压，应当导通上开关S₁和S₂，而为了获得负电压，则应导通下开关S₃和S₄。为了获得零电压，应导通两个中间开关，即S₂和S₃。直流母线电压应比电网电压幅值更大，以便将功率传输给电网。因此，应该使用更多的光伏组件或独立的升压DC-DC变换器，以达到所需的电压水平。在这个系统中，每个光伏串都要通过电容器连接到电网中性点，这样就导致了电容接地电流的减小，此外也降低了这些电流对电磁兼容性的负面影响^[89，90]。不过，这种拓扑结构的缺点是仅在一个半周期内加载直流电源，这样就增大了去耦电容的规格要求，进而提高了逆变器的成本。

输出电压为0、+V_dc或-V_dc（角度为α或者2α），如图1.61所示^[91]。通过调节α间隔，可以控制逆变器的输出电压。

输出电压波形的傅里叶级数可以表示为

式中 V_n——第n次谐波分量的幅值。

如果利用半波周期对称性，谐波分量的幅值应为

式中 α——每个脉冲结束的零电压角。

因此，谐波分量可以作为α的函数来控制。

下面使用MATLAB SimPowerSystems软件对用于光伏应用的HBDC逆变器进行分析。在这个模型中，L=15mH，C=1mF。假设光伏组件的额定输出电压为180V，连接到逆变器输出的负载电阻为20Ω。在仿真时间为3s时，输出电感的电流如图1.62所示。

图1.61　HBDC逆变器输出电压

图1.62　HBDC逆变器的输出电感电流

图1.63给出了逆变器的输出电压。

1.7.1.2.4 两级多组件式拓扑结构

在两级结构中，组件和逆变器的连接可以分为两大类。在第一类中，所有的组件都是串联的（见图1.64a），类似于两级单组件式拓扑结构。如果不需要隔离，一个并网逆变器加上一个简单的DC-DC变换器（比如升压、降压、升—降压变换器），可以用于DC-DC变换级。第二类包括各串独立的DC-DC变换器和一个公共并网逆变器，如图1.64b所示。

图1.63　HBDC逆变器的输出电压

图1.64多光伏组件的两级逆变器结构

a）带有一个公共两级逆变器的组件 b）带有独立的DC-DC变换器和一个公共并网逆变器的光伏组串

在图1.64b所示的结构中，各串可以工作在各自的MPP上，因此可以预期得到更好的总效率。图1.65所示为一个由各串组成的光伏系统（带有一个独立的DC-DC变换器、一个公共的并网逆变器，以及发电控制电路（GCC）），它由带有公共电感器的两个升—降压变换器组成^[92]。逆变器的左桥臂可以分别控制每个串的电压。

图1.65 公共电网交互式光伏逆变器

上开关与下开关的续流二极管和输入电感加上跨接于串的电容一起形成了一个升—降压变换器。同样，相反的布局可以构成另一种升—降压变换器的拓扑结构。逆变器的右桥臂控制通过输出电感的电流，进而控制着进入公共电网的电流。电网电流的幅值由一个MPPT系统来确定。因此，MPPT控制着每个串上的电压，以达到最大功率。这种拓扑结构是多组件系统的理想解决方案，因为它会提高系统的总效率，而不用额外增加部件。通过增加更多的斩波器级数，也可以将它扩展到多个组件。

图1.66所示为前面提到的一个拓扑结构的改进形式，它由升—降压变换器和半桥逆变器组成。

这种改进的拓扑结构是一种有效的不增加额外元器件的解决方案，它适用于通过增加更多的光伏板串和DC-DC变换级扩展为多组件系统。

图1.66给出了一个180V单光伏板串的改进拓扑结构。在该结构中输入电感为10mH，输入电容为1mF，输出电感为15mH，输出电容为1mF，交流母线负载电阻为10Ω。图1.67显示了前述拓扑结构的电感电压，这是升—降压变换器的电感电压。

图1.66 图1.65所示拓扑结构的改进结构

图1.68所示为该改进拓扑结构的升—降压开关的电流。该升—降压变换器的输出电压（DC-AC逆变器级的输入电压）如图1.69所示。

图1.70所示为逆变器的输出电压。逆变器的输出电压可用于本地交流负载或并网。

另一种用于多组件多串接口的拓扑结构如图1.71和图1.72所示^[80，93]。图1.71中的逆变器由三个升压变换器（每个光伏组串有一个变换器）和一个公共的半桥PWM逆变器组成。该电路也可以用隔离式电流源、电压源推挽或者全桥变换器（类似于图1.72中的电路）^[93]和为了与电网连接的全桥逆变器来构建。每个光伏串两端的电压都可以独立控制^[80，93]。