高频隔离型光伏并网逆变器介绍

与工频变压器（LFT）相比，高频变压器（HFT）具有体积小、质量轻等优点，因此高频隔离型光伏并网逆变器也有着较广泛的应用。高频隔离型逆变器主要采用了高频链逆变技术。

高频链逆变技术的新概念是由Espelage和B.K.Bose于1977年提出的。高频链逆变技术用高频变压器替代了低频逆变技术中的工频变压器来实现输入与输出的电气隔离，减小了变压器的体积和质量，并显著提高了逆变器的特性。

在光伏发电系统中，已经研究出多种基于高频链技术的高频光伏并网逆变器。一般而言，可按电路拓扑结构分类的方法来研究高频链并网逆变器，主要包括DC/DC变换型（DC/HFAC/DC/LFAC）和周波变换型（DC/HFAC/LFAC）两大类，以下分类讨论。

4.2.2.1 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器^[1，4，5]

1.电路组成与工作模式

DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器具有电气隔离、质量轻、体积小等优点，单机容量一般在几个千瓦以内，系统效率大约在93%以上，其结构如图4-9所示。在这种DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器中，光伏阵列输出的电能经过DC/HFAC/DC/LFAC变换并入电网，其中DC/AC/HFT/AC/DC环节构成了DC/DC变换器。另外，在DC/DC变换型高频光伏并网逆变器电路结构中，其输入、输出侧分别设计了两个DC/AC环节：在输入侧使用的DC/AC将光伏阵列输出的直流电能变换成高频交流电能，以便利用高频变压器进行变压和隔离，再经高频整流得到所需电压等级的直流；而在输出侧使用的DC/AC则将中间级直流电逆变为低频正弦交流电压，并与电网连接。

图4-9 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器电路结构示意图

DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器主要有两种工作模式：第一种工作模式如图4-10所示，光伏阵列输出的直流电能经过前级高频逆变器变换成等占空比（50%）的高频方波电压，经高频变压器隔离后，由整流电路整流成直流电，然后再经过后级PWM逆变器以及LC滤波器滤波后将电能馈入工频电网；第二种工作模式如图4-11所示，光伏阵列输出的直流电能经过前级高频逆变器逆变成高频正弦脉宽脉位调制（Sinusoidal Pulse Width Position Modulation，SPWPM）波，经高频隔离变压器后，再进行整流滤波成半正弦波形（馒头波），最后经过后级的工频逆变器逆变将电能馈入工频电网。

图4-10 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器工作模式1

a）电路组成 b）波形变换模式

k—变压器的电压比

图4-11 DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器工作模式2

a）电路组成 b）波形变换模式

k—变压器的电压比

2.关于SPWPM调制

所谓的SPWPM就是指不仅对脉冲的宽度进行调制而使其按照正弦规律变化，而且对脉冲的位置（Position，简称脉位）也进行调制，使调制后的波形不含有直流和低频成分。图4-12为SPWM波和SPWPM波的波形对比图，从图中可以看出：只要将单极性SPWM波进行脉位调制，使得相邻脉冲极性互为反向即可得到SPWPM波波形。这样SPWPM波中含有单极性SPWM波的所有信息，并且是双极三电平波形。但是与SPWM低频基波不同，SPWPM波中基波频率较高且等于开关频率。由于SPWPM波中不含低频正弦波成分，因此便可以利用高频变压器进行能量的传输。SPWPM电压脉冲通过高频变压器后，再将其解调为单极性SPWM波，即可获得所需要的工频正弦波电压波形。

图4-12 SPWM波与SPWPM波的波形图

a）SPWM波 b）SPWPM波

3.全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器

在具体的电路结构上，DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器其前级的高频逆变器部分可采用推挽式、半桥式以及全桥式等变换电路的形式，而后级的逆变器部分可采用半桥式和全桥式等变换电路的形式。一般而言：推挽式电路适用于低压输入变换场合；半桥和全桥电路适用于高压输入场合。实际应用中可根据最终输出的电压等级以及功率大小来确定合适的电路拓扑形式。下面以全桥式拓扑为例来展开具体论述。

全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器其电路拓扑结构如图4-13所示。

图4-13 全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器拓扑

图4-13中，全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器由一个高频电压型全桥逆变器、一个高频变压器、一个不可控桥式二极管全波整流器、一个直流滤波电感和一个极性反转逆变桥组成。其中：高频电压型全桥逆变器采用SPWPM调制方式，将光伏阵列发出的直流电压逆变成双极性三电平SPWPM高频脉冲信号。高频变压器将该信号升压后传输给后级不可控桥式二极管全波整流电路；SPWPM脉冲信号在此整流，经直流滤波电感滤波后，变换成半正弦波形（馒头波）；最后由极性反转逆变桥将半正弦波反转为工频的正弦全波，并将电能馈入工频电网。可见全桥式DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器采用了前述的第二种工作模式，其高频侧采用SPWPM调制方式，其开关时序如图4-14所示。(www.xing528.com)

图4-14 开关时序图

该电路具有高频电气隔离，技术成熟，且变压器可以使前级逆变输出电压升高，减小系统电流，方便功率器件的选择；其前后级控制相互独立，控制简单；后级电路电压应力低，且可以实现零电压开通零电流关断（ZVZCS），前级电路也可实现零电压开通（ZVS）。

4.2.2.2 周波变换型高频链光伏并网逆变器^{[1，4，6-8]}

1.电路组成与工作模式

DC/DC变换型高频链光伏并网逆变电路结构中使用了三级功率变换（DC/HFAC/DC/LFAC）拓扑，由于变换环节较多，因而增加了功率损耗。为了提高高频光伏并网逆变电路的效率，希望可以直接利用高频变压器同时完成变压、隔离、SPWM逆变的任务，因此，有学者提出了基于周波变换的高频链逆变技术，周波变换型高频链光伏并网逆变器的拓扑结构如图4-15所示。可见，这类光伏并网逆变器的拓扑结构由高频逆变器、高频变压器和周波变换器三部分组成，构成了DC/HFAC/LFAC两级电路拓扑结构。功率变换环节只有两级，提高了系统的效率。由于没有中间整流环节，甚至还可以实现功率的双向传输。由于少用了一级功率逆变器，从而达到简化结构、减小体积和质量、提高效率的目的，这为实现并网逆变器的高频、高效、高功率密度创造了条件。

图4-15 周波变换型高频链光伏并网逆变器结构图

与DC/DC变换型高频链光伏并网逆变器类似，周波变换型高频链光伏并网逆变器也主要有两种工作模式：第一种工作模式如图4-16所示，光伏阵列输出的直流电能首先经过高频PWM逆变器逆变成等占空比（50%）的高频方波电压，经高频隔离变压器后，由周波变换器控制直接输出工频交流电；第二种工作模式如图4-17所示，光伏阵列输出的直流电能首先经过高频SPWPM逆变器变换成高频SP-WPM波，经高频隔离变压器后，由周波变换器控制直接输出工频交流电。

图4-16 周波变换型高频链光伏并网逆变器工作模式1

a）电路组成 b）波形变换模式

2.全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器

在具体的电路结构上，周波变换型高频链光伏并网逆变器其高频逆变器部分可采用推挽式、半桥式以及全桥式等变换电路的形式，周波变换器部分可采用全桥式和全波式等变换电路的形式。一般而言：推挽式电路适用于低压输入变换场合；半桥和全桥电路适用于高压输入场合；全波式电路功率开关电压应力高，功率开关数少，变压器绕组利用率低，适用于低压输出变换场合；全桥式电路功率开关电压应力低，功率开关数多，变压器绕组的利用率高，适用于高压输出场合。全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器其拓扑结构如图4-18所示，具体讨论如下。

图4-17 周波变换型高频链光伏并网逆变器工作模式2

a）电路组成 b）波形变换模式

k—变压器的电压比

图4-18 全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器拓扑结构

由于采用传统的PWM技术时，周波变换器功率器件换流将关断漏感中连续的电流而造成不可避免的电压过冲。因而该类型高频隔离光伏并网逆变器常采用第二种工作模式。它可以在不增加电路拓扑复杂程度的前提下，较好地解决了电压过冲现象和周波变换器的软换流技术问题。该工作模式就是利用一个高频开关逆变器，把输入的直流电压逆变为SPWPM波，通过高频隔离变压器后，传送到变压器二次侧，然后利用同步工作的周波变换器把SPWPM波变换成SPWM波。由于电能变换没有经过整流环节，并且采用双向开关，因此该电路拓扑可以实现功率双向流动，这对配备储能环节的系统是有必要的。

全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器的具体控制实现方案如图4-19所示，输出电压U_o经采样电路得到反馈电压u_of，u_of与正弦基准电压u_r经过误差放大器1比较放大后得到电感电流给定值i_r；电感电流反馈i_Lf与电感电流给定值i_r经过误差放大器2比较放大后得到误差放大信号u_e1，u_e1与载波u_C比较后得到信号K₁，K1再经过下降沿二分频，得到输入高频逆变器功率开关V₁的控制信号，然后反相互补得到功率开关V₃的控制信号；u_e1的反值信号u_e2与载波u_C比较后得到信号K₂、K₂再经过下降沿二分频后，得到功率开关V₂的控制信号，V₂的控制信号经反相互补得到功率开关V₄的控制信号；将载波下降沿二分频后得到输出周波变换器功率开关V_5a（b）、V_6a（b）的控制信号，将其反相互补得到功率开关V₅′_a（b）、V₆′_a（b）的控制信号。值得注意：为防止逆变桥出现桥臂直通情况，功率开关V₁和V₃、V₂和V₄的控制信号之间应有死区时间（图中未画出）；为防止输出电感电流i_Lf出现断续而在周波变换器功率开关管两端引起尖峰电压，功率开关V_5a（b）、V_6a（b）和V₅′_a（b）、V₆′_a（b）的控制信号之间要有重叠交错导通时间（图中未画出）。

图4-19 全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器工作原理

a）控制原理框图 b）调制时序图

经过分析可以发现：输出周波变换器的功率开关可在变压器二次侧电压为零期间重叠导通进行换流，这样既保证了输出滤波电感电流的连续，又使得周波变换器无环流危险，同时还可以实现零电压开通和关断（ZVS）；此外通过移相控制，该电路拓扑能够利用输出滤波电感的能量对前级全桥逆变器的超前桥臂功率开关V₁和V₃的结电容进行抽流，实现前级全桥逆变器超前桥臂功率开关零电压开通和关断。而前级全桥逆变器滞后桥臂功率开关V₂和V₄由于没有足够的电感能量为其结电容抽流，所以滞后桥臂功率开关是全电压开通。