太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中點鉗位型三電平拓撲效率分析

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中點鉗位型三電平拓撲效率分析

1光伏發(fā)電系統(tǒng)拓撲近年來，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)的進步,分布式發(fā)電系統(tǒng)必將得到更進一步的發(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)對于光伏逆變器拓撲的效率有著很高的要求。同時,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,因此對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的體積、安裝使用的簡易程度,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撲,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。這些拓撲從原理上來講可以分為兩大類:(1)H橋改進型拓撲,如H橋直流旁路拓撲、HERIC電路、H5電路等;(2)三電平中點鉗位型(NPC)拓撲,如二極管NPC、有源NPC(ANPC)、ConergyNPC等。二極管NPC三電平拓撲最早由A.Nabae等人以論文的方式系統(tǒng)地提出,并已廣泛應(yīng)用于電力傳動領(lǐng)域。相對于傳統(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:(1)開關(guān)損耗小,效率高。(2)開關(guān)動作時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,光伏陣列輸出端對地雜散電容上的電壓為恒定值,不存在共模電壓的問題,即該裝置無對地漏電流,避免了對人身的傷害,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拓撲將得到更為廣泛的應(yīng)用。本文以三種典型的NPC拓撲(二極管NPC、有源NPC和ConergyNPC)為研究對象,分析了各自的拓撲結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理,并采用Matlab\PLECS仿真模塊對三種拓撲的功率損耗及分布情況進行了計算。在此基礎(chǔ)上,對三種拓撲的性能特點進行了比較分析,并通過實驗測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算傳統(tǒng)的單相半橋二極管NPC拓撲如圖2所示。NPC拓撲的基本工作原理為:當(dāng)處于正半周期時(參考電壓調(diào)制信號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同時導(dǎo)通;當(dāng)處于負半周期時(參考電壓調(diào)制信號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,系統(tǒng)仍可正常工作。具體的開關(guān)動作如表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拓撲的兩個主要的缺點在于:(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橋拓撲的2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拓撲的開關(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、負載或電網(wǎng)的要求而確定的,在二極管NPC拓撲的運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拓撲中內(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產(chǎn)生明顯的不平衡。而二極管NPC拓撲一般用于大功率電力電子系統(tǒng)。損耗分布不平衡,器件發(fā)熱不均,使得散熱設(shè)計困難,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這已成為二極管NPC拓撲的一個主要缺點。為了說明上述問題,本文采用Matlab/Simulink與PLECS模塊,對二極管NPC拓撲的開關(guān)器件功率損耗進行了仿真計算,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,在測算系統(tǒng)損耗時,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);同時為了保證控制可靠,也進行了并網(wǎng)仿真驗證。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拓撲的功率損耗仿真計算為了解決二極管NPC拓撲中功率損耗分布不均的問題,文獻[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)拓撲。該拓撲與傳統(tǒng)的二極管NPC拓撲相比,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則利用兩個可控開關(guān)器件,將續(xù)流回路擴展為兩條,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半橋拓撲采用單極性調(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。為了驗證上述分析,本文利用PLECS模塊對ANPC拓撲的功率損耗進行了仿真計算,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ANPC拓撲研究人員提出了更加靈活的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,可以實現(xiàn)二者的總功率損耗完全平衡。因此,相對于二極管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)用場合的散熱設(shè)計。但其缺點在于,比二極管NPC多用了兩個全控開關(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)對功率損耗的影響如圖8所示,ConergyNPC電路是一種改進型NPC拓撲,它利用一個雙向開關(guān)(由兩個開關(guān)器件S+、S-及反并聯(lián)二極管VD+、VD-構(gòu)成)來實現(xiàn)中性點對地鉗位的功能。ConergyNPC拓撲的調(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-同時導(dǎo)通,用以保證在功率因數(shù)不為1時,電流仍有續(xù)流通路。負半周期的調(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-同時導(dǎo)通。ConergyNPC拓撲具有以下特點:(1)所用開關(guān)器件數(shù)目較少,僅用4個IGBT和4個二極管,不僅少于ANPC(6個IGBT,6個二極管),而且少于二極管NPC(4個IGBT,6個二極管);(2)不論是正半周期,還是負半周期,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ConergyNPC拓撲的功率損耗進行了仿真計算,如圖10所示。仿真中設(shè)置的參數(shù)和器件型號與第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進行比較可以發(fā)現(xiàn),由于在有源供電狀態(tài)時,只有一個開關(guān)器件導(dǎo)通,因而通態(tài)損耗較低,使得該拓撲的總功率損耗低于二極管NPC,其效率更高。5實驗結(jié)果及分析實際上,上文所介紹的所有拓撲均為半橋拓撲,而NPC半橋拓撲與所有的半橋拓撲一樣具有電壓利用率低(僅為全橋拓撲的一半)、電壓電平數(shù)量少的缺點。但是,由于NPC半橋拓撲可以直接將其中性點接地,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)勢在于具有三電平(傳統(tǒng)半橋電路只有兩電平),同時可以直接運用到交流逆變系統(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撲。為了探索高效率、高性能且經(jīng)濟適用的光伏逆變器解決方案,本文對上述三種NPC拓撲的器件數(shù)目和能量轉(zhuǎn)換效率進行了比較。三種拓撲所用的器件數(shù)目見表4。從表4中可以看出,如果選擇相同型號的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實驗平臺上對上述三種拓撲在不同輸出功率下的主電路效率進行了實驗測試,實驗參數(shù)見表5。為了更加公正地比較電路效率,實驗采用開環(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載。這樣在比較過程中就消除了不同的控制及電網(wǎng)對逆變器的影響。從圖3、6、9中可以發(fā)現(xiàn),在一個開關(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,在實驗測試中二極管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),型號為PM75DSA120。每個模塊均采用隔離光纖信號驅(qū)動,并自帶過電流保護功能,并采用銅排連接,結(jié)構(gòu)簡單,易于調(diào)整拓撲。圖11為進行ANPC實驗時的平臺。由于實驗輸出波形類似,在本文中僅給出調(diào)制方法最為復(fù)雜的ANPC拓撲的實驗波形,其他波形不再贅述。圖12為ANPC的實驗波形,其中Ch2為輸出電流,其他通道為相應(yīng)的IPM驅(qū)動信號。三種拓撲的效率對比曲線如圖13所示。從實驗結(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到97%以上。6對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拓撲的結(jié)構(gòu)特點和工作原理。對三種典型的單相半橋NPC拓撲(二極管NPC、ANPC和Cone