光伏储能逆变器电路拓扑讨论

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了光伏串式逆变器的组成及典型拓扑要求。光伏串式逆变器由两级电路组成，前级采用带MPPT功能的DC/DC电源，产生高压直流母线电压，后级基于这个电压做DC/AC逆变产生交流电。前级DC/DC电路可以选择boost电路、交错boost电路、全桥硬开关、移相全桥、LLC等拓扑结构。在光伏系统中增加储能功能是一个必要的趋势，本文还介绍了带储能系统的光伏逆变器的结构和电路框图。

光伏串式逆变器的基本原理，是将太阳能电池板的DC电压，转化为一个可用的AC电源，随着半导体技术的发展，其功率密度越来越大，同时易于模块化和维护，所以比中央逆变器更为流行。另外，由于光伏能量之供需矛盾的特点，在光伏系统中增加储能功能就是一个必要的趋势，本文就分几个方面，对光伏串式逆变器的组成及典型拓扑要求做一个探讨。

一.光伏串式逆变器的典型结构介绍

图1 光伏串式逆变器典型结构

典型的太阳能光伏逆变器如图1所示，由两级电路组成，首先是不同节数的太阳能电池作为直流输入，由于太阳能输出的昼夜不稳定的特点，一般前级采用带MPPT(MaximumPower Point Tracking)功能的DC/DC电源，产生一个高压直流母线电压，后级基于这个电压做DC/AC逆变产生交流电。当系统为单相交流时，一般直流母线电压为400Vdc,三相交流时，则直流母线电压为800Vdc，并且有向更高电压，如1000Vdc靠近，以便减小系统损耗。

对于前级DC/DC,在非隔离系统要求时，boost电路是一个好的选择，对于同样的功率下，较高的直流母线电压更容易减小系统损耗，当功率更大时，可考虑交错boost电路。当前级需要隔离时，可以选择的拓扑结构比较多，如全桥硬开关，或者移相全桥，或者LLC等。

光伏逆变器分为离网逆变器和并网逆变器，离网逆变器在工作时，它就是唯一的供电源，所以不需要和其它源同步，一般用于较小容量的系统。而并网逆变器由于在工作时，已经有多个源组成的电网在工作，所以它需要和其它源做相位，幅值，频率等的同步，当电网遇到过压，欠压，断电等故障时，逆变器需要将自身和电网隔离开。逆变器DC/AC逆变部分一般采用buck型的拓扑，用正弦波调制，包含若干种类的拓扑（这里由于篇幅所限，不做探讨）。值得注意的是，多个逆变器之间需要进行通信。

从运营者的角度来说，太阳能在白天产生的电能多，但是电价比较低，需求量也比较小，而晚上产生的电能少，但是电价贵，需求量也大。一些特殊的情况，如电网故障时，太阳能逆变电源的能量就会完全浪费掉。针对这种矛盾的状态就需要增加一个储能系统，白天将能量存储在电池中，晚上或者电网需求量大时，将电能从电池中释放出来。

图2 带储能功能的系统的串式光伏逆变器

如图2所示，就是一个增加了储能系统的光伏逆变器，这里的结构和传统光伏逆变器的结构主要差异是，增加了一个电池组及电源变换器，电池用于存储太阳能，或者从电网对电池进行能量存储，而电池中的能量在负载需求量大时，通过电源变换器释放给电网或者负载，这就要求这里的介于电池和直流总线电压之间的变换器具有双向转换的功能，而系统一般也需要逆变器DC/AC部分，具有反向运行的能力，这便于将电网能量通过DC/AC部分的电路及双向DC/DC电路给电池充电。

图3 带储能系统的光伏逆变器电路结构框图

将图2的原理框图抽象出来就是如图3所示的结构，从太阳能电池到高压直流电压之间的电路部分和传统光伏逆变器的结构没什么区别，都是带MPPT的单向DC/DC电源，一般采用boost电路或者交错并联boost电路，如要求隔离时，可以采用隔离DC/DC变换器，如硬开关全桥或者移相全桥，或者LLC等。

如图3所示，系统主要增加了图片下部的电池及双向DC/DC电源，从DC电压给电池充电，从电池给DC总线电压放电。

关于逆变器部分，不需要特殊的拓扑去进行改造，本身拓扑都是支持双向运行的，当通过此电路向直流总线及负载电池充电时，通过合适的软件控制就可以实现，所以这部分我们不做详细探讨。

二.单向的DC/DC变换器拓扑用于MPPT部分

最基本的非隔离的变换器boost电路，可以用于MPPT部分作为非隔离需求时的选择，电路非常简单，只有一个控制开关，当输出电流较大时，可以将续流二极管变为mosfet，变为同步整流拓扑。当需要变为更大功率时的系统时，可以采用交错boost实现，减小输出纹波，也可以减小总体系统体积。相对于交错boost电路，直接在boost电路上采用功率器件并联时效果显然不如交错并联boost，因为它对减小纹波没什么帮助。

图4 双相交错同步boost电路拓扑

这个拓扑由两个同步整流boost错相180C组成，它们使用独立的电感，每一个boost由两个mosfet组成，控制相对简单，每一相只需要一对互补的PWM输出即可。这个电路拓扑可以用于太阳能电池板和高压直流总线之间的单向DC/DC电路。

移相全桥电路是基本的DC/DC电路，结构类似于硬开关全桥电路，除了开关驱动的方式不同之外。在移相全桥中，占空比为50%工作，通过控制原边两个桥臂的工作相位差，来实现功率的控制，如图5所示。

图5 移相全桥电路拓扑结构

移相全桥电路的典型特点如下：

1.      通过调整原边两个桥臂的相位差来调整功率传输

2.      经过合适调整，原边一个开关臂ZVS开通，另一个开关臂低电压开通

3.      副边二极管为硬开关，带来一定损耗

4.      轻载时不易实现ZVS开关，所以轻载会通过burst模式确保ZVS开关状态

5.      电压模式控制通过串联电容避免变压器饱和

6.      用一个电感调整ZVS状态

第三种介绍的单向DC/DC电路是LLC电路，使用非常广泛。

图6 全桥LLC电路拓扑

全桥LLC电路是LLC电路的一种，如图6所示，它原边由一个全桥组成，副边有一个二极管全桥整流组成，变压器和串联电容组成谐振腔电路，通过频率调制，以改变电路增益，调整输出电压。它的主要特点是开关损耗较小，可以适用于5000W以内的电源。

LLC电路的运行特点如下：

1.      LLC具有三种运行区域，谐振频率，高于谐振频率，低于谐振频率

2.      低于谐振频率运行时，谐振腔电流可以到0，副边ZCS,但是环流大，导通损耗大

3.      高于谐振频率运行时，副边二极管为硬换流，开关损耗大

4.      运行于谐振频率附近比较合适，ZVS开通和ZCS关断都可以实现，EMI好

5.      输出纹波大，需要大输出电容

6.      高输出电压时，开关器件电压应力大

7.      并联和同步LLC比较困难，控制逻辑复杂

传统LLC电路仅仅适用于单向运行场合，所以适合在太阳能电池板和高压直流总线之间使用。

三.双向DC/DC变换器拓扑用于电池充放电部分

在带储能的串式光伏逆变器中，双向DC/DC部分是独特的一部分电路，本节重点分析一下有哪些拓扑比较适合做这部分电路。前述所知，这部分电路的主要作用是一方面给电池存储能量，另一方面对电池进行放电供给负载，当系统功率较小时，或者单相系统而言，采用低压48V电池即可，对于大功率或者三相系统，一般采用400V或者800V的电池储能。

CLLC电路具有LLC电路的所有特点，它是一个典型的双向变换器拓扑，它的原边和副边都是由有源开关组成的全桥电路，因此可以做能量的双向流通，并且在大负载范围内都可以实现ZVS和ZCS运行，效率相对是比较高的，如图7所示。

图7  CLLC电路的拓扑结构

CLLC电路的主要特点如下：

1.CLLC属于大功率拓扑，可以设计高达10kw功率的变换器，

2.CLLC的并联及模块同步相对较难，需要对称的谐振腔结构，

3.变压器的原边和副边都串联了电容，可以避免饱和

4.可以实现软开关，因此EMI很好

基于CLLC电路的良好性能，它可以作为电池和高压直流母线之间的双向DC/DC变换器。

图8 DAB电路的拓扑结构

双有源桥DAB的电路拓扑，如图8所示，其电路组成特点如下，

1.DAB由原边和副边两个全桥，及变压器组成

2.通过无损电容吸收，减小开关损耗

3.变压器的利用率较高，传输同样的功率时，体积较小

4.输出电容需要处理的纹波电流较低

5.模块化可以支持大功率输出

6.需要额外的电感进行ZVS调制

7.总体元器件个数少，成本低，效率高

理解此电路的控制策略是非常重要的，我们通过简单分析，总结如下：

a，基于简单的单移相调制，或者复杂的双移相或者三移相调制

b，单移相调制可以支持宽范围电池电压，但是变压器环流大，效率低

c，通过三移相调制，可以获得全电压范围的高效率运行

d，滞后电流对开关管输出电容放电产生软开通作用

e，控制两个全桥之间的相位，可以控制功率流向

这个变换器良好的双向功率控制特性使得它合适作为电池和高压直流母线之间双向DC/DC电路。

最后一种介绍的双向DC/DC变换器是有源钳位电流型桥式电路，这种变换器一般用于48V的电池的低压系统，如图9所示。

图9 有源钳位电流型桥式变换器

此变换器的主要组成特点如下：

1.      较低功率输出时，副边不用全桥，可以使用推挽输出

2.      正向以移相全桥工作，反向以有源钳位方式以隔离boost工作

3.      由于充足的漏感存在，可以实现高低压侧的ZVS

4.      为获得反向ZVS特性，使用有源钳位电路，由电容和mosfet组成，定频占空比控制

5.      高压侧的di/dt较小，可以使用传统Si器件

6.      钳位电容的存在，产生大电流，导通损耗高，效率低

7.      Boost电感需要一个小功率启动绕组

此变换器由于成本较低，可以作为电池和高压直流总线DC之间的双向变换器的低成本版本。

总结，通过上述对传统光伏串式逆变器组成，及带储能功能的光伏串式逆变器的结构的讨论，重点讨论了MPPT部分的DC/DC电源拓扑特点，和支持电池充放电部分的双向DC/DC电路拓扑特点，可以对理解此部分电路有一定帮助。

参考文献：

Power Topology Considerations for Solar String Inverters

and Energy Storage Systems 作者 Salil Chellappan, Jayanth Rangaraju