单相无变压器光伏逆变器的漏电流抑制的拓扑评估和推导方法
摘要——无变压器型单相逆变器已开发多年,并已经成功的商业化应用在分布式光伏(PV)并网系统中。此外,许多先进的工业拓扑结构和最近的创新已经在过去的几年公布。本文的目的是分类和回顾这些最近的贡献,以确立无变压器型逆变器的技术发展水平。此文可以提供这种技术的全面的、深刻的概述。首先,研究了泄漏电流的产生机制,将无变压器逆变器分为不对称电感组和对称电感组。然后,提出基于直流和基于交流的去耦网络的概念,不仅涵盖已公布的对称的电感器为基础的拓扑,而且提供了一种创新的策略,以衍生先进的逆变器。此外,对基于DC和AC的拓扑结构之间的转换原理进行了探讨,以便对这一领域的最新进展和未来趋势的一般规律和框架有一个清晰的了解。最后,推出和测试了一系列钳位的高效可靠的逆变器概念无变压器逆变器,为下一代高效率和成本效益的光伏并网逆变器提供一些极好的候选。
索引词汇——光伏(PV)系统,拓扑变换,无变压器逆变器
1.引言
光伏(PV)源被认为是最有前途的可再生能源之一,因为它是干净,可靠,无排放的[1]–[7]。从欧洲光伏产业协会发布的全球年度光伏市场情况看,2012年全球光伏市场约为31GW,是2008年的四倍多。如果光伏市场仍然是政策驱动的业务,预计将达到84 GW。
手稿收到于2014年4月25日; 修订于2014年9月29日和2014年11月29日; 接受于2015年1月10日。出版日期为2015年2月4日; 当前版本的日期为2015年5月15日。这项工作部分由中国国家基础研究计划(973计划2014CB247400),部分由中国国家自然科学基金拨款51277195和拨款51377112。W. Li, Y. Gu, H. Luo, W. Cui, and X.He就职于中国杭州市浙江大学电气工程学院,邮编310027,邮箱为hxn@zju.edu.cn。
C. Xia就职于中国天津市天津大学电气工程与自动化学院,邮编300072。
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数字对象标识符10.1109 / TIE.2015.2399278
在欧洲,具有分布式光伏系统的住宅市场在整个光伏市场中的占有率为21%,并将在不久的将来迅速发展[8]。并网逆变器是光伏发电和电网之间的重要接口,它一般分为隔离型系统和非隔离型系统。在直流侧或高频(LF)的大型变压器在交流电网侧的高频变压器通常被用来提供电隔离和改善安全问题。不幸的是,由于变压器和其它辅助部件造成的额外损耗,整体效率下降。 如果变压器被拆除,非隔离或无变压器系统可以提高1%-2%的效率[9]。此外,通过去除变压器和隔离传感器[10] - [12],提高了功率密度,降低了成本。 同时,为了更好地提高光伏电网系统的竞争力,一些世界领先的制造商宣布光伏系统20多年的保修[13]。不幸的是,光伏逆变器的平均寿命大约是五年[14]。 因此,需要更换三到五次逆变器才能保证所需的保修。 它大大地加重了系统投资。根据市场统计,光伏逆变器占未计划维护的37%和相关成本的59%[15],[16]。 如何提高可靠性和灵活性成为一个大问题。
此外,光伏并网逆变器应该满足网络标准和代码,处理网络连接标准,发电系统/网络的结构和系统保护以及系统的操作[17] - [23]。 解决了电气规范,如漏电流检测和保护,电网频率监测和保护,有源/无功控制和电源质量。 更严格的光伏标准和代码宣布满足加速安全和系统可靠性要求。德国代码VDE 0126-1-1(发布时间:2006年2月)和VDE-AR-N 4105(发布时间:2011年8月)的关键问题的一些比较总结在表1中。
考虑到在无变压器并网系统中的PV板
图1 典型的单相无变压器VSI配置
和公用电网之间的电气连接,应当仔细处理由PV寄生电容器产生的泄漏电流。 在VDE 0126-1-1中,超过300 mA的漏电流必须在0.3 s内触发中断。无论功率转换电平如何,任何突发漏电流都应在表I所列的一定时间内触发中断。在更新的德国代码VDE-AR-N 4105中,漏电流保护装置的使用可能是不可避免的, 根据IEC 60755,VDE 0100-410和VDE 0100-721。
为了提高电网的稳定性和可靠性,电网频率监测和有功/无功的产生是在最近发表的vde-ar-n 4105解决,其在表I中详细介绍。
从上述分析,可以在以下三个方面总结无变压器PV逆变器中的关键问题和主要关注点。
1)效率问题:高转换效率是评估光伏系统性能的最重要指标。由Steca生产的StecaGrid 3600分布式光伏系统的超光子整体效率是97.7%,即使具有宽的光伏工作电压,Goodwe电源技术的GW4000-SS [25]的光子整体效率达到96.9%。
2)可靠性问题:故障之间的平均时间和首次故障的平均时间是评估系统可靠性的两个关键参数[26] - [30]。 光伏逆变器的最佳可靠性设计不仅可以提高客户满意度和品牌价值,还可以降低维护成本。 此外,更新的光伏电网标准和规范要求高可靠性光伏逆变器支持电网稳定性[21]。
3)成本问题:美国能源部发布的报告表明,住宅光伏系统(le;10 kW)的安装价格从2009年的8美元/瓦下降到2013年的4.8美元/瓦 [31] 。 考虑到光伏逆变器负责初始系统成本的10%-20%[32],光伏逆变器的价格下降无疑会促进光伏产品的竞争力。
除了上述问题,因为光伏并网系统的重要性,系统配置和/或建模,具有最大功率点跟踪(MPPT)调节,有功/无功功率控制,容错等的部分遮蔽也得到了更多的关注。为了提供对光伏并网系统的全面理解,创作了单相并网逆变器的拓扑和控制的概述 [37] - [43]。 对两阶段拓扑,伪直流链路电路和单片转换器进行了调查和比较,以调查PV交流模块的合适候选[37]。然而,存在于无变压器型光伏系统中的泄漏电流没有得到很好的探索。无变压器光伏拓扑结构中考虑了系统可靠性的最优设计方法[40]。 不幸的是,仅比较和讨论了H5,H6,中性点钳位(NPC),有源中性点钳位(ANPC)和ConergyNPC逆变器。单相无变压器光伏并网逆变器的详细比较分析[1]。然而,对于变压器的逆变器拓扑生成法和变换法不作探究。
在本文中,简要分析了单相无变压器PV逆变器中漏电流的产生机理和抑制原理,并且针对现有技术的无变压器PV逆变器进行分类,调查和比较,以给出深刻的认定。 此外,提出了基于直流和基于交流的去耦网络,不仅覆盖已公开的具有对称电感器的无变压器逆变器,而且建立了一种创新的方式来获得下一代逆变器。此外,公开了基于直流和去相关的去耦逆变器之间的拓扑变换原理以形成系统和统一的图。 更重要的是,一系列钳位的高效和可靠的逆变器概念(HERIC)的逆变器被派生和测试,以提供一些优秀的候选人在高效率和成本效益的光伏系统。
II.在逆变器的漏电流的产生
由于其具有性价比高,易于控制和成熟技术的优势,电压源逆变器(VSI)比分布式光伏并网系统中的电流源逆变器(CSI)更普遍地被采用[44] - [46]。 此外,由于二元性原理,尽管在文献[47],[48]中提出和分析了一些先进的无变压器的电流源逆变器,但是没有详细讨论,并且本文主要强调单相无变压器电压源逆变器。
典型的单相VSI如图1所示。其中VPV是PV电压,CPVg是PV寄生电容,P和N是正负端,L1和L2是两种可能的滤波电感,Lcm,Cdm和Ccm形成电磁干扰(EMI)滤波器,vg是交流电网电压,ZGcGd是PV寄生电容器和地之间的阻抗。 共模电压vcm和差模电压vdm由
定义,其中v1N和v2N是端子1和2到端子N的电压。
由定义的共模和差分模式电压替代,可以导出高频差模和共模电压回路[49]。 可以得出结论,差模电压vdm可以对泄漏电流产生具有一些明确的影响。 从差模电压变换的附加共模电压vd-to-c由下式导出
从(3)看出,具有非对称滤波电感器(L1= L2)的差分电压可能对共模电压有一些贡献,导致额外的漏电流。 总高频共模电压vtcm可以通过计算
如果L1 = 0或L2 = 0,则vtcm被简化为
当VSI具有不对称电感器配置(L1 = 0或L2 = 0)时,消除漏电流的充分条件是端子电压v1N或v2N保持恒定。 如果L1 = L2,则vtcm简化为
一旦VSI具有对称电感器配置(L1 = L2),消除漏电流的充分条件是总的高频共模电压vcm没有高频变化。
因此,无变压器型逆变器可以分为不对称电感器组和对称电感器组。最近开发的无变压器逆变器和所提出的拓扑的概述在图1中被总结和突出显示并在图2中,详细分析和结论将在以下各节中讨论。
III. 不对称电感器型逆变器
在本节中,提出和讨论了对基于电流的非对称无变压器逆变器(L1 = 0或L2 = 0)的综合调查。 经审查的拓扑分为以下子组:半桥逆变器,双降压逆变器,虚拟直流总线逆变器,LF展开拓扑和Karschny无变压器逆变器。
图3半桥无变压器逆变器
(a)二电平半桥逆变器 (b)三电平NPC变频器
(c)三电平ANPC逆变器(d)三电平T型逆变器
- 半桥无变压器逆变器
假设L2 = 0和终端N直接连接到图1中的终端2,总高频共模电压为零,无高频漏电流。一般来说,传统的两电平半桥逆变器[图3(a)]可以消除泄漏电流与一个简化的配置,因为只有两个电源开关和一个电感器是必需的[ 50 ]。然而,直流环节电压应该是电网峰值电压的两倍,并且半导体应该承受高直流环节电压应力。 此外,双极性逆变器输出电压增加了滤波器尺寸和成本。
为了增加等效开关频率,减少滤波器的大小,并尽量减少半导体电压应力,可以采用三电平NPC逆变器[图3(b)],其中钳位二极管用于实现开关动态电压平衡[51] - [54]。 三电平NPC逆变器的主要缺点之一是内部和外部电源开关之间的不平衡传导损耗。
通过用有源开关代替NPC逆变器中的无源二极管,ANPC逆变器被产生[55] [在图3(c)]。 由于可控的钳位开关,提供了附加的开关模式,并且电流续流路径变得更丰富。结果,可以平衡功率损耗分布,并且由于完全可控的拓扑结构,可以容易地提供无功功率,这提高了平衡和不平衡电网故障操作的适应性和灵活性[55],[56]。 然而,对于NPC或ANPC逆变器,在任何开关间隔处存在两个导通的开关,这导致低压应用(例如,Vbus = 650V)中相当大的导通损耗。
为了保持多电平拓扑的主要优点并降低低压系统的导通损耗,可以采用T型逆变器,也称为Conergy-NPC逆变器或晶体管钳位逆变器[57] 。[在图 3(d)中]。 双向开关插入在半桥逆变器的中点和分离电容器之间,以实现ANPC逆变器中类似的钳位功能和三电平电压生成。T型逆变器中的开关电压应力不同。 在逆变器的上部和下部中的两个串联开关应当维持高直流链路电压,并且用于产生零电压电平的有源钳位开关仅承受高直流链路电压的一半。 在低电压应用的两级半桥,三电平NPC和T型逆变器之间进行详细的分析和效率比较[58]。 可以得出结论,NPC和T型逆变器具有比两电平半桥逆变器更高的转换效率。 此外,在某一开关频率之上,由于现代的半导体特性,T型拓扑优于NPC电路。
在上述半桥逆变器中,dc链路电压应该是电网峰值电压的两倍。 不幸的是,PV板的输出电压相对较低。 为了满足高dc链路
图4 双降压变压器的逆变器(a)具有串联配置(b)具有并联配置
图5 基于虚拟直流总线的无变压器逆变器
(a)虚拟直流总线概念(b)基于开关电容器的逆变器
电压要求,许多PV板应当是串联的。 然而,由于模块不匹配和部分阴影,特别是在城市地区,PV阵列的产生的输出功率大大降低[59] - [61]。 或者应该增加高升压升压转换器,这会加重前端DC / DC转换器[61] - [64]。
- 双降压变压器逆变器
可以集成两个降压转换器模块以实现无变压器逆变器,其中一个降压器用于产生正半周期电压,另一个降压器负责负半周期电压。 两个降压模块可以是串联配置或并联配置。
采用串联配置,分裂电感NPC逆变器在[65]中引入,如图1所示。 图4(a)。 开关S1和二极管D1形成上降压模块。 开关S2和二极管D2组成下降压模块。 在正半周LF期间,开关SL1保持导通状态,开关S1工作在高频以产生正半周电压。 下降压模块关闭以断开连接。 此外,在负半周LF期间,上降压模块不工作,只有下降压转换器工作以产生负半周电压。 开关SL1和SL2以线频率斩波以阻断反向电感器电流。 具有串联配置的双降压逆变器的优点是避免了存在于半桥逆变器中的直通问题,以提高系统的可靠性。 然而,直流母线电压也应该是电网峰值电压的两倍。
为了减小dc链路电压,可以采用并联配置。 具有并联配置的双降压逆变器在图1中给出。 4(b)具有类似的操作模式[66]。 所需的直流母线电压减半,以减少串联光伏电池板的数量,并改善系统安全问题。 在双降压逆变器中,需要两个电感器,并且它们交替工作。 据报道,滤波电感在成本和功率密度问题中起着重要作用[67]。 因此,双头逆变器的系统成本和功率密度受到影响。 在[68]中提出了交错双降压逆变器以减小电感器尺寸。 耦合电感器用于进一步减
图6 LF展开式无变压器逆变器
(a)LF展开式逆变器图(b)降压逆变器(c)三级降压型
(d)反向降压
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