高效率中点钳位型光伏逆变器拓扑比较

2011年2月电工技术学报Vol.26No.2第26卷第2期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYFeb.2011高效率中点钳位型光伏逆变器拓扑比较马琳1,3孙凯2RemusTeodorescu3金新民1（1.北京交通大学电气工程学院北京1000442.清华大学电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室北京1000843.奥尔堡大学能源技术系奥尔堡9220）摘要光伏逆变器是太阳能光伏发电系统的核心部件之一。为了提高太阳辐射能的利用效率，降低光伏发电的成本，高效率的光伏逆变器拓扑已成为近年来的研究热点。中点钳位型（NPC）三电平电路拓扑由于具有开关损耗小、电磁干扰（EMI）小、光伏阵列对地杂散电容上无共模漏电流、所需滤波电感小等优点，非常适用于单相光伏逆变器。本文对三种典型的三电平NPC拓扑（二极管NPC、有源NPC（ANPC）和ConergyNPC）进行了全面深入的比较分析，包括调制原理、功率损耗分布、器件成本和性能特点，并通过实验测试了三种拓扑的效率。研究结果表明：①ConergyNPC的效率在三种拓扑中最高，且所用器件数最少；②有源NPC的功率损耗分布可以灵活调节，有利于大功率应用场合的散热设计，但其控制比较复杂，且器件成本在三种拓扑中最高；③二极管NPC拓扑的功率损耗分布不易调节，不利于大功率应用场合的散热设计。关键词：光伏逆变器中点钳位高效率拓扑中图分类号：TM46ComparisonoftheTopologiesofHighEfficiencyNeutralPointClampingPhotovoltaicInvertersMaLin1,3SunKai2RemusTeodorescu3JinXinmin1（1.BeijingJiaotongUniversityBeijing100044China2.TsinghuaUniversityBeijing100084China3.AalborgUniversityAalborg9220Denmark）AbstractPhotovoltaic(PV)inverterisoneofthekeyelementsinphotovoltaicgenerationsystem.InordertoenhancetheutilizationefficiencyofsolarenergyandlowerthecostofPVgeneration,highefficiencyPVinvertershaveobtainedmuchmoreattentionduringrecentyears.Neutralpointclamping(NPC)three-leveltopologieshavesomeattractiveadvantages,suchaslowswitchingloss,lowEMI,noPVarrayleakagecurrentandsmallerfilterinductors.Hence,NPCtopologiesaresuitableforsingle-phasePVgeneration.Inthispaper,threetypicalNPCtopologies(DiodeNPC,ActiveNPCandConergyNPC)arecomparedindetail,includingmodulationstrategy,powerlossdistribution,devicecostandoperationcharacteristics.Inaddition,theconversionefficienciesofthesethreetopologiesaretestedthroughexperiments.Theresultsshowthat:①ConergyNPChasthehighestefficiencyandlowestdevicenumberamongthethreetopologies;②ActiveNPChasadjustablepowerlossdistributionandiseasyforheatsinkdesigninhighpowerapplications,butithascomplexcontrolandthehighestdevicecostamongthethreetopologies;③ThepowerlossdistributionofdiodeNPCcannotbeadjustableandhasnegativeinfluenceontheheatsinkdesigninhighpowerapplications.Keywords：Photovoltaicinverter,neutralpointclamping,highefficiency,topology台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》资助课题（DREG2010007）。收稿日期2009-12-25改稿日期2010-03-05第26卷第2期马琳等高效率中点钳位型光伏逆变器拓扑比较1091引言近年来，分布式发电系统得到了快速的发展。与传统的集中式发电系统相比，分布式发电距离用户更近，发电灵活性更高，能够更充分地利用可再生能源。随着微电网技术的进步，分布式发电系统必将得到更进一步的发展。而光伏并网发电系统正是其中昀具典型性的一类，近年来得到了越来越多的关注[1-3]。图1所示为典型的光伏并网发电系统，主要包括：光伏电池阵列、光伏逆变器、控制器以及储能元件等，其中光伏逆变器是重要的核心部件。光伏阵列产生的低质量直流电，需经过光伏逆变器转换为高质量的交流电传送至电网。太阳能光伏电池板的造价较高，而能量转换效率又较低。因此，为了提高太阳辐射能的利用效率、降低光伏发电的成本，光伏发电系统对于光伏逆变器拓扑的效率有着很高的要求。同时，由于光伏并网发电系统的用户多属于中小型用户，甚至是家庭用户，因此对于光伏发电系统的体积、安装使用的简易程度，以及人身安全性都提出了更高的要求。图1典型的光伏并网发电系统结构Fig.1ConfigurationoftypicalPVgenerationsystem为满足上述需求，近年来研究人员开发了多种无变压器型光伏逆变器拓扑，不仅降低了装置的体积和成本，而且提高了系统的效率和可靠性[4-8]。这些拓扑从原理上来讲可以分为两大类：①H桥改进型拓扑，如H桥直流旁路拓扑[6]、HERIC电路[7]、H5电路[8]等；②三电平中点钳位型（NPC）拓扑，如二极管NPC[9]、有源NPC（ANPC）[10-11]、ConergyNPC[12]等。二极管NPC三电平拓扑昀早由A.Nabae等人以论文的方式系统地提出[9]，并已广泛应用于电力传动领域。相对于传统的两电平H桥逆变器，三电平NPC逆变器具有一系列优点：①开关损耗小，效率高。②开关动作时dv/(dt)小，引起的电磁干扰（EMI）小。③输出电压波形为三电平，谐波含量少，所需的滤波电感量小，有利于降低系统成本和功率损耗。因此，三电平NPC逆变器非常适用于光伏发电系统。而更为重要的是，当三电平NPC逆变器输入端接光伏阵列时，光伏阵列输出端对地杂散电容上的电压为恒定值，不存在共模电压的问题，即该装置无对地漏电流，避免了对人身的伤害，提高了系统的安全性。基于上述分析，在未来的光伏发电系统中，三电平NPC拓扑将得到更为广泛的应用。本文以三种典型的NPC拓扑（二极管NPC、有源NPC和ConergyNPC）为研究对象，分析了各自的拓扑结构和调制原理，并采用Matlab\PLECS仿真模块对三种拓扑的功率损耗及分布情况进行了计算。在此基础上，对三种拓扑的性能特点进行了比较分析，并通过实验测试了三种电路的效率。昀后，根据比较结果给出了相应的使用建议。2二极管NPC调制原理与损耗分析传统的单相半桥二极管NPC拓扑如图2所示。NPC拓扑的基本工作原理为：当处于正半周期时（参考电压调制信号Sr＞0），在有源供电状态下S1、S2导通，在续流状态下S2、S3同时导通；当处于负半周期时（参考电压调制信号Sr＜0），在有源供电状态下S3、S4导通，在续流状态下S2、S3同时导通。这样的开关状态可以保证在功率因数不为1时，系统仍可正常工作。具体的开关动作如表1和图3所示，表1中“1”代表导通，“0”代表关断。图2单相半桥二极管NPC拓扑Fig.2Single-phasehalf-bridgediodeNPCtopology表1二极管NPC拓扑开关状态表Tab.1SwitchingstatesofdiodeNPCtopology开关状态S1S2S3S4正向有源（P）1100正向续流（0+）0110负向续流（0）0110负向有源（N）0011110电工技术学报2011年2月（a）正半周期（Sr＞0）（b）负半周期（Sr＜0）图3二极管NPC拓扑调制原理Fig.3ModulationstrategyofdiodeNPCtopology二极管NPC拓扑的两个主要的缺点在于：①在输出电压相同的情况下，输入直流母线电压是传统H桥拓扑的2倍。②开关器件的功率损耗分布不平衡。一般来说，二极管NPC拓扑的开关器件损耗分布与调制比和功率因数有很大的关系。调制比决定了有源状态和续流状态的比例，理论上高调制比（较低的中间直流电压）可以降低开关损耗。功率因数决定是由反并联二极管承担通态损耗还是由IGBT承担通态损耗。但调制比和功率因数均是根据外部电源、负载或电网的要求而确定的，在二极管NPC拓扑的运行过程中不能随意调节。因此，一旦电路的输出功率、调制比和功率因数确定后，二极管NPC的功率损耗分布也就确定了，无法调整。从表1可知，二极管NPC拓扑中内管（S2、S3）不承担高频开关损耗，而外管（S1、S4）承担了几乎所有的开关损耗。因此，在开关频率较高的情况下，即使内管和外管的通态损耗差异不大，两者的总功率损耗也会产生明显的不平衡。而二极管NPC拓扑一般用于大功率电力电子系统。损耗分布不平衡，器件发热不均，使得散热设计困难，影响系统的稳定性和可靠性。这已成为二极管NPC拓扑的一个主要缺点。为了说明上述问题，本文采用Matlab/Simulink与PLECS模块，对二极管NPC拓扑的开关器件功率损耗进行了仿真计算，如图4所示。仿真中，输出功率为5kW，开关频率16kHz，所用开关器件的型号为PM75DSA120，所有开关器件的结温均固定为125℃，开关器件总的功率损耗为35.8W。所有仿真过程中，在测算系统损耗时，为了避免控制所带来的干扰，电网采用纯电阻代替（开环控制）；同时为了保证控制可靠，也进行了并网仿真验证。由仿真结果可以看出，内管（S1）和外管（S2）的开关损耗差别非常大，造成了二者总功率损耗的不平衡。图4二极管NPC拓扑功率损耗分布Fig.4PowerlossdistributionofdiodeNPCtopology3有源NPC调制原理与损耗分析为了解决二极管NPC拓扑中功率损耗分布不均的问题，文献[10-11]中给出了一种有效的解决方案，即图5所示的有源NPC（ANPC）拓扑。该拓扑与传统的二极管NPC拓扑相比，具有更多的零续流状态，使得其PWM调制方式更为灵活。二极管NPC的零续流状态见表1，对于一定流向的续流电流只有一条续流通路。而ANPC则利用两个可控开关器件，将续流回路扩展为两条，大大提高了系统的控制自由度，使得开关器件的功率损耗分布调节成为可能。图5单相半桥ANPC拓扑Fig.5Single-phasehalf-bridgeANPCtopology在对ANPC的控制中，本文采用了一种倍频PWM（DF-PWM）调制方式[12]，其基本原理如表2和图6所示。与传统NPC半桥拓扑采用单极性调制波有所不同的是，在ANPC调制过程中采用的是双极性调制波。第26卷第2期马琳等高效率中点钳位型光伏逆变器拓扑比较111表2ANPC拓扑开关状态表Tab.2SwitchingstatesofANPCto