混合五开关五电平逆变器的技术研究

　　光伏发电已成为太阳能利用的主要形式,光伏发电系统有独立运行和并网发电两种形式。与前者相比,并网光伏发电系统省掉了体积大、价格高、不易维护的蓄电池,具有造价低、输出电能稳定的优点,因而市场前景更为广阔[ 1 ] 。

　　从技术上来看,逆变器部分是光伏逆变系统的核心,逆变器性能的优劣不仅影响自身的损耗,还影响整个系统的效率及电网的稳定性。于是,很多研究人员致力于提出新的逆变器拓扑结构或改进原有的逆变拓扑结构,以达到提高逆变器端能量利用质量的目的。早期的并网逆变器主要采用两电平全桥逆变电路,随着人们对逆变器拓扑结构的研究,由于多电平逆变器能够优化输出波形,减小滤波尺寸,降低电磁干扰和谐波畸变率,出现了各种多电平逆变器拓扑[ 2 ] ,如中点钳位逆变器、电容钳位逆变器和级联型逆变器等。然而,这些多电平逆变器最大的缺点就是复杂的电路拓扑结构,要实现多电平则要使用大量的电力开关,从而需要复杂的调制电路和大量的辅助电路[ 3 ] 。

　　本文介绍了一种用于光伏并网系统的单相混合五开关五电平逆变器。与其他多电平逆变器相比,该逆变器拓扑结构简单,所用的开关器件大大减少,从而降低了逆变器的尺寸和成本,减小了开关器件引起的损耗, SPWM调制也易于实现。另外,由于采用了混合开关策略,MOSFET避免了导通损耗,同时明显降低开关损耗,使该逆变器的负载范围增大。

　　1 　逆变系统结构

　　光伏并网发电逆变系统结构如图1所示,它包括前级Boost DC /DC 升压电路和后级逆变电路。光伏模块的输出电压较低,一般在20 ～40V,为确保功率由光伏阵列流向电网,逆变器的输出电压Vinv应大于2Vg (Vg 为电网电压) 。因此,前级BoostDC /DC升压电路为高增益转换器,以获得较高的直流母线电压。后级逆变电路用于将前级的直流转化为符合电网要求的交流电,实现并网。

　　图1中虚线框内的电路为该系统的逆变部分,它是1个混合五开关五电平逆变器( S1、S3为IGBT, S2、S4、S5为MOSFET) 。与全IGBT逆变电路相比,由于MOSFET没有导通损耗且开关损耗明显低于IGBT,该逆变电路的负载范围更广,效率更高,更适合于小型分布式并网系统[ 4 ] 。该逆变电路包括1个辅助电路和1个单相H桥逆变电路。辅助电路包括不可控单相整流桥(二极管D1～D4)和功率开关管S5,整流桥的输入端E、F分别跨接2个直流电源的中点A 和H 桥左半桥的中点D,整流桥的输出端B、C 间跨接1个功率开关管S5。

　　

 

　　加入辅助电路使得传统的三电平全桥逆变电路的输出变为五电平,逆变电路输出电压Vinv的5个电平对应的开关状态见表1。

　　

 

　　5个开关组成的五电平逆变器,与其他多电平逆变电路相比,使用的元件数量明显减少,大大简化了逆变器的拓扑结构,从而降低了系统损耗。由于光伏并网逆变系统的负载为常规电网,其输出电流必需保证与电网电压同频同相,即功率因素为1,并网电流波形总谐波畸变率( THD)应该小于5% ,以减小并网电流对电网电压的污染。

　2　SPWM调制

　　光伏并网逆变器的主要目的是向常规电网注入正弦电流,为获得低谐波畸变的正弦电流,采用正弦脉宽调制( SPWM) 。而单极性电压开关频率可等效为双极性开关频率的2倍,使输出电压的谐波成分往更高频移动。这样,设计滤波电路时可以选择较小的电感值,便可大幅度降低逆变器的滤波电路体积和重量,于是本逆变系统采用单极性SPWM。从图1可知, H 桥的S1～S4是实现电能逆变的主体部分,辅助电路开关S5在电能转换中实现双向流动。

　　从表1可以看出,开关S1、S2、S5以载波频率进行导通和关断,且辅助开关S5的开关状态完全取决与S1和S2的开关状态,开关S3和S4在1个开关周期内只变化1次,与基波频率相等。要产生奇数个电平的PWM波,需要偶数个载波信号[ 5 ] 。

　　另外,由上面对各个开关的分析可知,只要2个载波信号就可得到需要的PWM 波形,如图2所示。同一时刻参考信号Vref交替与2个载波信号Vc1和Vc2进行比较,若Vref大于Vc1的峰值,Vref与Vc2进行比较直到Vref与Vc1再次相交,这样得到的5个开关的开关信号波形如图2所示。

　　

　　3　仿真结果

　　运用MATLAB 的SIMUL INK工具对该逆变电路进行了仿真。载波比较大时, PWM波形更接近正弦波。因为参考信号的频率为电网频率50Hz,为获得较大的载波比,可以选择较大频率的参考信号,本次仿真中采用20 kHz的三角波作为载波信号。脉宽调制策略在该逆变器中的应用如图3所示,参考信号Vref分别与2个载波信号Vc1和Vc2进行比较,得到的1个周期的脉宽调制信号如图4所示。逆变器1个桥臂的开关频率等于载波频率(20 kHz) ,另1个桥臂的开关频率为基波频率(50 Hz) ,辅助开关的开关频率也等于载波频率。

　　

 

　　

　调制比决定逆变器输出电压Vinv和并网电流Ig 的波形,因此需要确保调制比小于最大值1。如果调制比大于1,将发生超调现象。另外,为避免Vinv小于Vg / 2,仿真时应注意直流侧的电压大小,本次仿真中直流侧电压为200 V。在调制比小于1且直流母线电压为200 V的条件下对混合五开关五电平逆变器进行了仿真。图5 ( a) 和( b)分别为逆变器输出电压Vinv和并网电流Ig ,逆变器输出电压Vinv为五电平,并网电流Ig 几乎为正弦波,且二者相位基本一致,获得了较高的功率因数。图6为逆变器的输出电压Vinv的谐波频谱分析,信号频率为50 Hz ,谐波畸变率( THD)为0. 42%。图7为并网电流Ig 的谐波频谱分析,信号频率为50 Hz,谐波畸变率( THD)为1. 30%。由图6 和图7 可知,该逆变器输出信号的THD低,功率因数接近于1,且并网电流Ig 的频率与电网频率相等,即逆变器输出电流与电网电压同频同相,得到的输出电流信号符合并网要求。

　　

　　4　结语

　　本文介绍了一种用于光伏并网系统的混合五开关五电平逆变器。详细分析了该逆变器的工作机理和SPWM控制策略,运用MATLAB的SIMU2L INK工具对该逆变电路进行了仿真。仿真结果表明,该逆变器的输出电压为五电平,与理论分析符合,逆变器输出电压和电流谐波畸变率低,并网电流与电网电压频率相等,且功率因素接近于1,即实现了电网电压与并网电流同频同相,满足并网要求。