并网逆变器常见拓扑及其应用

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。

10．3．2．1 隔离型光伏并网逆变器

1）工频隔离型光伏并网逆变器

图10．9　工频变压器型逆变器拓扑

工频隔离型是光伏并网逆变器最常见的结构，也是目前市面上使用最多的光伏逆变器类型，工频变压器型逆变器采用一级DC／AC主电路，变压器置于逆变器与电网之间，如图10．9所示。这种方式一方面可以有效地防止人接触到光伏侧的正极或者负极时，电网电流通过桥臂形成回路对人构成了伤害的可能性；另一方面，也保证了系统不会向电网注入直流分量，有效防止了配电变压器的饱和。然而，工频变压器具有体积大、质量重的缺点，它占逆变器的总重量的50%左右，使得逆变器外形尺寸难以减小；另外，工频变压器的存在还增加了系统损耗、成本，并增加了运输、安装的难度常见的工频隔离型光伏并网逆变器如图10．10所示。其中单相结构常用于几个kW以下功率等级的光伏并网系统，其中直流工作电压一般小于600V，工作效率也小于96%。三相全桥结构的直流工作电压一般在450～820V之间，工作效率可达97%；而三电平半桥结构的直流工作电压一般在600～1 000V之间，工作效率可达98%，另外，三电平半桥结构可以取得更好的波形品质。

图10．10　工频隔离系统　（a）单相全桥式　（b）单相半桥式　（c）三相全桥式　（d）三相三电平桥式　

2）高频隔离型光伏并网逆变器

高频隔离型光伏并网逆变器与工频隔离型光伏并网逆变器的不同在于使用了高频变压器，从而具有较小的体积与质量，克服了工频隔离型光伏并网逆变器的主要缺点。但相比工频隔离型逆变器，由于又多了DC／DC能量转换环节，其效率会有所降低，但值得一提的是，随着器件和控制技术的改进，高频隔离型光伏并网逆变器的效率也可以做的很高。

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（如图10．11所示）。

图10．11　高频隔离光伏并网逆变器结构（a）DC－DC变换型　（b）周波变换型

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DCHFAC－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。

周波变换型高频链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，从而达到简化结构、减小体积和重量、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。由于没有中间整流环节，甚至还可以实现功率的双向传输。两种全桥式工频隔离型光伏并网逆变器如图10．12所示。

图10．12　高频隔离系统（a）全桥式DC－DC变换型高频链光伏并网逆变器拓扑　（b）全桥式周波变换型高频链光伏并网逆变器拓扑

10．3．2．2 非隔离型光伏并网逆变器

在隔离型并网系统中变压器将电能转化为磁能，再将磁能转化成电能，显然这一过程将导致能量损耗。一般数千瓦的小容量变压器导致的能量损失可达5%，甚至更高。因此提高光伏并网系统的有效手段便是采用无变压器的非隔离型光伏并网逆变器结构。而在非隔离型系统中，由于省去了笨重的工频变压器或复杂的高频变压器，系统结构变简单、质量变轻、成本降低并具有相对较高的效率。

1）非隔离型光伏并网逆变器分类

非隔离型并网逆变器按拓扑结构也可分为单级和多级两类，如图10．13所示。

图10．13　非隔离型光伏并网型逆变器结构　（a）单级非隔离光伏并网逆变器　（b）多级非隔离光伏并网逆变器　

（1）单级非隔离光伏并网逆变器。

在图10．13（a）所示的单级非隔离光伏并网逆变器中，光伏阵列通过逆变器直接耦合并网，因而逆变器工作在工频模式。另外，为了使直流侧电压达到能够直接并网逆变的电压等级，一般要求光伏阵列具有较高的输出电压，这便使得光伏组件乃至整个系统必须具有较高的绝缘等级，否则将出现漏电现象。常见的单相全桥单级非隔离型光伏并网逆变器的拓扑结构如图10．14所示。

图10．14　单相全桥单级非隔离型光伏并网逆变器主电路拓扑

（2）多级非隔离光伏并网逆变器。

在图10．13（b）所示的多级非隔离型光伏并网逆变系统中，功率变换部分一般由DC／DC和DC／AC多级变换器级联组成。由于在该类拓扑中一般需要采用高频变换技术，因此也称为高频非隔离型光伏并网逆变器。

常见的多级非隔离光伏并网逆变器主要有基本Boost多级非隔离型光伏并网逆变器、双模式Boost多级非隔离型光伏并网逆变器、双重Boost光伏并网逆变器等。

其中基本Boost多级非隔离型光伏并网逆变器的主电路拓扑如图10．15所示，该电路为双级功率变换电路。前级采用Boost变换器完成直流侧光伏阵列输出电压的升压功能以及系统的最大功率点跟踪（MPPT），后级DC－AC部分一般采用经典的全桥逆变电路完成系统的并网逆变功能。

图10．15　基本Boost多级非隔离型光伏并网逆变器主电路拓扑

2）非隔离型光伏并网逆变器共模漏电流问题

非隔离光伏并网逆变器具有体积小、质量轻、效率高、成本低的优点。但是由于在非隔离型的光伏并网系统中，光伏组件与公共电网是不隔离的，这将导致光伏组件与电网电压直接连接。而大面积的太阳能电池组不可避免地与地之间存在较大的分布电容，因此，会产生太阳能电池对地的共模漏电流。这增加了系统的传导损耗，降低了电磁兼容性并产生安全问题。

对于全桥电路，其共模电压为(www.xing528.com)

为了抑制共模电流，应尽量降低ucm的频率，而开关频率的降低则带来系统性能的下降。但若能使ucm为一定值，则能够基本消除共模电流，即功率器件所采用的PWM开关序列应使得a，b点对0点的电压之和满足：

以下分析几种能够抑制共模电流的实用拓扑结构。

（1）带交流旁路的全桥拓扑。

图10．16　带交流旁路的全桥拓扑

能够抑制共模电流的带交流旁路的全桥拓扑如图10．16所示。虽然采用双极性调制的全桥拓扑能够抑制共模电流，但双极性调制将导致开关应力以及电流谐波的增加。为此，若在全桥拓扑的交流侧增加一个由两个逆导型功率开关组成的双向续流支路，使得续流回路与直流侧断开，从而使该拓扑不仅抑制了共模电流而且还使交流侧的输出电压和单极性调制相同，因此提高了逆变器的效率。下面以电网电流正半周期为例，对图10．16所示带交流旁路的全桥拓扑的共模电压进行分析。

在电网电流正半周期，V5始终导通而V6始终关断。当V1、V4导通时

当V1、V4关断时，电流经V5、V6的反并联二极管续流，此时

显然由式（10－3）、式（10－4）不难看出，当UPV不变时则共模电压始终保持恒定，因此共模电流得以消除。负半周期的换流过程及共模电压分析与正半周期的结论类似，和采用双极性调制的单相全桥拓扑相比，该拓扑中桥臂上流过电流的调制开关的正向电压由UPV降低为0．5UPV，从而降低了开关损耗。另一方面，由于增加了一个新的续流通路，该拓扑的交流侧输出电压和单极性调制的输出电压相同，从而有效地降低了输出电流的纹波，减小了滤波电感上的损耗。

（2）带直流旁路的全桥拓扑。

图10．16所示拓扑是在单相全桥拓扑的交流侧增加以双向功率开关构成的续流支路，以使续流回路与直流侧断开。然而也可以在直流母线上增加功率开关使续流回路与直流侧断开，这种能够抑制共模电流的带直流旁路的全桥拓扑如图10．17所示。该拓扑由6个功率开关器件和2个二极管组成。其中，V1～V4工作在工频调制模式，一般可忽略其开关损耗，而V5，V6则采用高频的PWM调制。

图10．17　带直流旁路的全桥拓扑

下面以电网电流正半周期为例，对图10．17所示带直流旁路的全桥拓扑的共模电压进行分析。

考虑电网电流的正半周期，此时V1，V4保持导通，V5，V6则采用高频的PWM调制。当V1，V4，V5，V6导通时，共模电压为：

当V5，V6关断时，存在2条续流路径，分别为：V1，V3的反并联二极管及V4 和V2的反并联二极管，由此

电网电流负半周期的换流过程及共模电压分析与正半周期类似。显然在开关过程中，若UPV保持不变则共模电压恒定，从而抑制了共模电流；另外由于调制开关V5、V6的正向电压降为0．5UPV，因而开关损耗得到降低，且交流侧输出电压与单极性调制的交流侧输出电压相同，因而电流纹波小，降低了输出滤波电感上的损耗。由于全桥桥臂上的开关管采用了工频调制，因而带直流旁路全桥拓扑的工作效率要比带交流旁路全桥拓扑的工作效率高。

（3）H5拓扑。

在图10．17所示的带直流旁路的全桥拓扑中，V4，V2采用工频调制即在电网电流的正负半周分别始终导通，而V6始终采用PWM调制。若将V4，V2和V6合并即V4，V2在电网电流的正负半周分别以开关频率进行调制，从而省略V6即可得到图10．18所示的H5拓扑。该拓扑是由德国SMA公司提出且已在中国申请了技术专利。

图10．18　H5拓扑

该拓扑中，V1，V3在电网电流的正负半周各自导通，V4，V5在电网正半周期以PWM调制，而V2，V5在电网负半周期以PWM调制。现以电网正半周期为例对其共模电压进行分析。

在电网电流正半周期，V1始终导通，当正弦调制波大于三角载波时，V5，V4导通，共模电压ucm为

当正弦调制波小于三角载波时，V5，V4关断，电流经V3的反并联二极管以及V1续流。当V2，V4，V5关断后，由于其关断阻抗很高，共模电流很小，阻断了寄生电容的放电，ua0，ub0近似保持原寄生电容的充电电压0．5UPV，因此

负半周期的换流过程及共模电压分析与正半周期类似。可见，在开关过程中，若UPV保持不变则共模电压恒定，从而抑制了共模电流，并且交流侧输出电压也与单极性调制的交流侧输出电压相同。

与前两种抑制共模的逆变器拓扑相比，由于减少了功率开关，并采用了独特的调制方式，这种H5全桥拓扑具有相对较高的工作效率。德国SMA公司的Sunny Mini Central系列光伏并网逆变器采用该拓扑结构，其最高效率达到98．1%，欧洲效率达到97．7%。