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認(rèn)證類型：個(gè)人認(rèn)證

認(rèn)證主體：劉**（實(shí)名認(rèn)證）

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IP屬地：廣東 上傳時(shí)間：2023-11-08 格式：DOCX 頁數(shù)：5 大?。?0.98KB 積分：12 舉報(bào) 版權(quán)申訴

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中點(diǎn)鉗位型三電平拓?fù)湫史治?/p>

1光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣陙?，分散能源系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電系統(tǒng)相比,分布式發(fā)電距離用戶更近,發(fā)電靈活性更高,能夠更充分地利用可再生能源。隨著微電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步,分布式發(fā)電系統(tǒng)必將得到更進(jìn)一步的發(fā)展。而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正是其中最具典型性的一類,近年來得到了越來越多的關(guān)注。圖1所示為典型的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),主要包括:光伏電池陣列、光伏逆變器、控制器以及儲(chǔ)能元件等,其中光伏逆變器是重要的核心部件。光伏陣列產(chǎn)生的低質(zhì)量直流電,需經(jīng)過光伏逆變器轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的交流電傳送至電網(wǎng)。太陽能光伏電池板的造價(jià)較高,而能量轉(zhuǎn)換效率又較低。因此,為了提高太陽輻射能的利用效率、降低光伏發(fā)電的成本,光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于光伏逆變器拓?fù)涞男视兄芨叩囊?。同時(shí),由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的用戶多屬于中小型用戶,甚至是家庭用戶,因此對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的體積、安裝使用的簡(jiǎn)易程度,以及人身安全性都提出了更高的要求。為滿足上述需求,近年來研究人員開發(fā)了多種無變壓器型光伏逆變器拓?fù)?不僅降低了裝置的體積和成本,而且提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。這些拓?fù)鋸脑砩蟻碇v可以分為兩大類:(1)H橋改進(jìn)型拓?fù)?如H橋直流旁路拓?fù)?、HERIC電路、H5電路等;(2)三電平中點(diǎn)鉗位型(NPC)拓?fù)?如二極管NPC、有源NPC(ANPC)、ConergyNPC等。二極管NPC三電平拓?fù)渥钤缬葾.Nabae等人以論文的方式系統(tǒng)地提出,并已廣泛應(yīng)用于電力傳動(dòng)領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)的兩電平H橋逆變器,三電平NPC逆變器具有一系列優(yōu)點(diǎn):(1)開關(guān)損耗小,效率高。(2)開關(guān)動(dòng)作時(shí)dv/(dt)小,引起的電磁干擾(EMI)小。(3)輸出電壓波形為三電平,諧波含量少,所需的濾波電感量小,有利于降低系統(tǒng)成本和功率損耗。因此,三電平NPC逆變器非常適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)。而更為重要的是,當(dāng)三電平NPC逆變器輸入端接光伏陣列時(shí),光伏陣列輸出端對(duì)地雜散電容上的電壓為恒定值,不存在共模電壓的問題,即該裝置無對(duì)地漏電流,避免了對(duì)人身的傷害,提高了系統(tǒng)的安全性?；谏鲜龇治?在未來的光伏發(fā)電系統(tǒng)中,三電平NPC拓?fù)鋵⒌玫礁鼮閺V泛的應(yīng)用。本文以三種典型的NPC拓?fù)?二極管NPC、有源NPC和ConergyNPC)為研究對(duì)象,分析了各自的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)制原理,并采用Matlab\PLECS仿真模塊對(duì)三種拓?fù)涞墓β蕮p耗及分布情況進(jìn)行了計(jì)算。在此基礎(chǔ)上,對(duì)三種拓?fù)涞男阅芴攸c(diǎn)進(jìn)行了比較分析,并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了三種電路的效率。最后,根據(jù)比較結(jié)果給出了相應(yīng)的使用建議。2開關(guān)器件功率損耗仿真計(jì)算傳統(tǒng)的單相半橋二極管NPC拓?fù)淙鐖D2所示。NPC拓?fù)涞幕竟ぷ髟頌?當(dāng)處于正半周期時(shí)(參考電壓調(diào)制信號(hào)Sr>0),在有源供電狀態(tài)下S1、S2導(dǎo)通,在續(xù)流狀態(tài)下S2、S3同時(shí)導(dǎo)通;當(dāng)處于負(fù)半周期時(shí)(參考電壓調(diào)制信號(hào)Sr<0),在有源供電狀態(tài)下S3、S4導(dǎo)通,在續(xù)流狀態(tài)下S2、S3同時(shí)導(dǎo)通。這樣的開關(guān)狀態(tài)可以保證在功率因數(shù)不為1時(shí),系統(tǒng)仍可正常工作。具體的開關(guān)動(dòng)作如表1和圖3所示,表1中“1”代表導(dǎo)通,“0”代表關(guān)斷。二極管NPC拓?fù)涞膬蓚€(gè)主要的缺點(diǎn)在于:(1)在輸出電壓相同的情況下,輸入直流母線電壓是傳統(tǒng)H橋拓?fù)涞?倍。(2)開關(guān)器件的功率損耗分布不平衡。一般來說,二極管NPC拓?fù)涞拈_關(guān)器件損耗分布與調(diào)制比和功率因數(shù)有很大的關(guān)系。調(diào)制比決定了有源狀態(tài)和續(xù)流狀態(tài)的比例,理論上高調(diào)制比(較低的中間直流電壓)可以降低開關(guān)損耗。功率因數(shù)決定是由反并聯(lián)二極管承擔(dān)通態(tài)損耗還是由IGBT承擔(dān)通態(tài)損耗。但調(diào)制比和功率因數(shù)均是根據(jù)外部電源、負(fù)載或電網(wǎng)的要求而確定的,在二極管NPC拓?fù)涞倪\(yùn)行過程中不能隨意調(diào)節(jié)。因此,一旦電路的輸出功率、調(diào)制比和功率因數(shù)確定后,二極管NPC的功率損耗分布也就確定了,無法調(diào)整。從表1可知,二極管NPC拓?fù)渲袃?nèi)管(S2、S3)不承擔(dān)高頻開關(guān)損耗,而外管(S1、S4)承擔(dān)了幾乎所有的開關(guān)損耗。因此,在開關(guān)頻率較高的情況下,即使內(nèi)管和外管的通態(tài)損耗差異不大,兩者的總功率損耗也會(huì)產(chǎn)生明顯的不平衡。而二極管NPC拓?fù)湟话阌糜诖蠊β孰娏﹄娮酉到y(tǒng)。損耗分布不平衡,器件發(fā)熱不均,使得散熱設(shè)計(jì)困難,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這已成為二極管NPC拓?fù)涞囊粋€(gè)主要缺點(diǎn)。為了說明上述問題,本文采用Matlab/Simulink與PLECS模塊,對(duì)二極管NPC拓?fù)涞拈_關(guān)器件功率損耗進(jìn)行了仿真計(jì)算,如圖4所示。仿真中,輸出功率為5kW,開關(guān)頻率16kHz,所用開關(guān)器件的型號(hào)為PM75DSA120,所有開關(guān)器件的結(jié)溫均固定為125℃,開關(guān)器件總的功率損耗為35.8W。所有仿真過程中,在測(cè)算系統(tǒng)損耗時(shí),為了避免控制所帶來的干擾,電網(wǎng)采用純電阻代替(開環(huán)控制);同時(shí)為了保證控制可靠,也進(jìn)行了并網(wǎng)仿真驗(yàn)證。由仿真結(jié)果可以看出,內(nèi)管(S1)和外管(S2)的開關(guān)損耗差別非常大,造成了二者總功率損耗的不平衡。3anpc拓?fù)涞墓β蕮p耗仿真計(jì)算為了解決二極管NPC拓?fù)渲泄β蕮p耗分布不均的問題,文獻(xiàn)[10-11]中給出了一種有效的解決方案,即圖5所示的有源NPC(ANPC)拓?fù)?。該拓?fù)渑c傳統(tǒng)的二極管NPC拓?fù)湎啾?具有更多的零續(xù)流狀態(tài),使得其PWM調(diào)制方式更為靈活。二極管NPC的零續(xù)流狀態(tài)見表1,對(duì)于一定流向的續(xù)流電流只有一條續(xù)流通路。而ANPC則利用兩個(gè)可控開關(guān)器件,將續(xù)流回路擴(kuò)展為兩條,大大提高了系統(tǒng)的控制自由度,使得開關(guān)器件的功率損耗分布調(diào)節(jié)成為可能。在對(duì)ANPC的控制中,本文采用了一種倍頻PWM(DF-PWM)調(diào)制方式,其基本原理如表2和圖6所示。與傳統(tǒng)NPC半橋拓?fù)洳捎脝螛O性調(diào)制波有所不同的是,在ANPC調(diào)制過程中采用的是雙極性調(diào)制波。這種PWM方式將內(nèi)管和外管的開關(guān)損耗平均分配,以此來實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件總功率損耗的平衡分布。以正半周期為例,從正向續(xù)流狀態(tài)1向正向有源狀態(tài)換流的過程中,S1、S6導(dǎo)通,S5斷開,其中S5與S6的動(dòng)作均屬于軟開關(guān)過程,只有S1承擔(dān)了開通損耗;從正向有源狀態(tài)向正向續(xù)流狀態(tài)2換流過程中,S3導(dǎo)通,S2斷開,S2承擔(dān)了關(guān)斷損耗,在正向續(xù)流狀態(tài)2下,電流通過S3、S6回路續(xù)流;從正向續(xù)流狀態(tài)2向正向有源狀態(tài)換流的過程中,S2導(dǎo)通、S3斷開,其中S3的動(dòng)作為軟開關(guān)過程,S2承擔(dān)了開通損耗;最后,從正向有源狀態(tài)向正向續(xù)流狀態(tài)1換流,完成一次開關(guān)周期的動(dòng)作,S5導(dǎo)通,S1、S6斷開,只有S1承擔(dān)了關(guān)斷損耗,在正向續(xù)流狀態(tài)1下,電流通過S2、S5回路續(xù)流。從正半周期內(nèi)一個(gè)開關(guān)周期的換流過程可以看出,內(nèi)管和外管各自承擔(dān)了一半的開關(guān)損耗。為了驗(yàn)證上述分析,本文利用PLECS模塊對(duì)ANPC拓?fù)涞墓β蕮p耗進(jìn)行了仿真計(jì)算,如圖7所示。仿真中,輸出功率為5kW,開關(guān)頻率8kHz,所用開關(guān)器件的型號(hào)為PM75DSA120,所有開關(guān)器件的結(jié)溫均固定為125℃,開關(guān)器件總的功率損耗為135.0W。由仿真結(jié)果可以看出,內(nèi)管(S2)和外管(S1)的開關(guān)損耗基本上是平均分配的,使得二者總的功率損耗趨于平衡。近來,針對(duì)ANPC拓?fù)溲芯咳藛T提出了更加靈活的PWM方式。這類方法根據(jù)不同的通態(tài)損耗情況,適當(dāng)?shù)馗淖儍?nèi)管和外管的開關(guān)損耗分布,可以實(shí)現(xiàn)二者的總功率損耗完全平衡。因此,相對(duì)于二極管NPC,ANPC的器件損耗分布能夠方便地調(diào)節(jié),可解決器件發(fā)熱不均的問題,有利于大功率應(yīng)用場(chǎng)合的散熱設(shè)計(jì)。但其缺點(diǎn)在于,比二極管NPC多用了兩個(gè)全控開關(guān)器件,成本較高,且控制比較復(fù)雜。4模型參數(shù)和電路參數(shù)對(duì)功率損耗的影響如圖8所示,ConergyNPC電路是一種改進(jìn)型NPC拓?fù)?它利用一個(gè)雙向開關(guān)(由兩個(gè)開關(guān)器件S+、S-及反并聯(lián)二極管VD+、VD-構(gòu)成)來實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)對(duì)地鉗位的功能。ConergyNPC拓?fù)涞恼{(diào)制原理如表3和圖9所示。以正半周期為例,在有源供電狀態(tài)下S1導(dǎo)通;在續(xù)流狀態(tài)下S+、S-同時(shí)導(dǎo)通,用以保證在功率因數(shù)不為1時(shí),電流仍有續(xù)流通路。負(fù)半周期的調(diào)制原理與正半周期類似,在有源供電狀態(tài)下S2導(dǎo)通;在續(xù)流狀態(tài)下S+、S-同時(shí)導(dǎo)通。ConergyNPC拓?fù)渚哂幸韵绿攸c(diǎn):(1)所用開關(guān)器件數(shù)目較少,僅用4個(gè)IGBT和4個(gè)二極管,不僅少于ANPC(6個(gè)IGBT,6個(gè)二極管),而且少于二極管NPC(4個(gè)IGBT,6個(gè)二極管);(2)不論是正半周期,還是負(fù)半周期,續(xù)流狀態(tài)的通態(tài)損耗均由S+和S-承擔(dān),而同時(shí)開關(guān)損耗全部由S1、S2承擔(dān),這樣上下橋臂之間的功率損耗是比較均衡的。本文利用PLECS模塊對(duì)ConergyNPC拓?fù)涞墓β蕮p耗進(jìn)行了仿真計(jì)算,如圖10所示。仿真中設(shè)置的參數(shù)和器件型號(hào)與第2節(jié)二極管NPC的仿真完全相同,輸出功率為5kW,開關(guān)頻率16kHz,開關(guān)器件的型號(hào)為PM75DSA120,所有開關(guān)器件的結(jié)溫均固定為125℃。將圖10與圖4進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn),由于在有源供電狀態(tài)時(shí),只有一個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通,因而通態(tài)損耗較低,使得該拓?fù)涞目偣β蕮p耗低于二極管NPC,其效率更高。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)際上,上文所介紹的所有拓?fù)渚鶠榘霕蛲負(fù)?而NPC半橋拓?fù)渑c所有的半橋拓?fù)湟粯泳哂须妷豪寐实?僅為全橋拓?fù)涞囊话?、電壓電平數(shù)量少的缺點(diǎn)。但是,由于NPC半橋拓?fù)淇梢灾苯訉⑵渲行渣c(diǎn)接地,消除共模電壓干擾,因此在光伏并網(wǎng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)半橋電路相比,NPC半橋電路最大的優(yōu)勢(shì)在于具有三電平(傳統(tǒng)半橋電路只有兩電平),同時(shí)可以直接運(yùn)用到交流逆變系統(tǒng)中,因此NPC半橋電路成為了一種廣泛應(yīng)用于光伏逆變器的拓?fù)?。為了探索高效率、高性能且?jīng)濟(jì)適用的光伏逆變器解決方案,本文對(duì)上述三種NPC拓?fù)涞钠骷?shù)目和能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了比較。三種拓?fù)渌玫钠骷?shù)目見表4。從表4中可以看出,如果選擇相同型號(hào)的IGBT和二極管構(gòu)成主回路,則ConergyNPC的器件成本最低,二極管NPC次之,而ANPC的器件成本最高。本文在相同的單相NPC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)上述三種拓?fù)湓诓煌敵龉β氏碌闹麟娐沸蔬M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表5。為了更加公正地比較電路效率,實(shí)驗(yàn)采用開環(huán)給定調(diào)制比的控制方法,輸出電壓經(jīng)過純電感濾波器后接電阻作為負(fù)載。這樣在比較過程中就消除了不同的控制及電網(wǎng)對(duì)逆變器的影響。從圖3、6、9中可以發(fā)現(xiàn),在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)ANPC的開關(guān)次數(shù)是二極管NPC和ConergyNPC的兩倍。因此,為了準(zhǔn)確地比較開關(guān)損耗,在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中二極管NPC和ConergyNPC的開關(guān)頻率為10kHz,而ANPC(DF-PWM)的開關(guān)頻率為5kHz。開關(guān)器件采用三菱智能功率模塊(IPM),型號(hào)為PM75DSA120。每個(gè)模塊均采用隔離光纖信號(hào)驅(qū)動(dòng),并自帶過電流保護(hù)功能,并采用銅排連接,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于調(diào)整拓?fù)洹D11為進(jìn)行ANPC實(shí)驗(yàn)時(shí)的平臺(tái)。由于實(shí)驗(yàn)輸出波形類似,在本文中僅給出調(diào)制方法最為復(fù)雜的ANPC拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)波形,其他波形不再贅述。圖12為ANPC的實(shí)驗(yàn)波形,其中Ch2為輸出電流,其他通道為相應(yīng)的IPM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。三種拓?fù)涞男蕦?duì)比曲線如圖13所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在采用相同開關(guān)器件的條件下,ConergyNPC的效率最高,而ANPC與二極管NPC的效率非常接近。三者的效率均是隨著輸出功率的增大而提高,且效率最高值均可以達(dá)到97%以上。6對(duì)器件性能的比較分析本文以光伏逆變器為應(yīng)用背景,深入地研究了NPC拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。對(duì)三種典型的單相半橋NPC拓?fù)?二極管NPC、ANPC和Cone