軟開關(guān)單相光伏并網(wǎng)逆變器原理及并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

陳燁楠，徐德鴻

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

分布式光伏發(fā)電已經(jīng)被我國列為重點(diǎn)發(fā)展方向。單相光伏逆變器主要應(yīng)用于住宅和寫字樓等，將被廣泛應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)[1]。常見單相光伏逆變拓?fù)淙鏗5、H6、HERIC等[2-4]均為硬開關(guān)電路，開關(guān)頻率受制于IGBT和二極管開關(guān)損耗，一般低于20 kHz，導(dǎo)致濾波器體積增大和效率降低。

與IGBT相比，MOSFET的開關(guān)速度更快，更適合運(yùn)用于高頻應(yīng)用場合。然而MOSFET寄生體二極管的反向恢復(fù)特性非常差，會產(chǎn)生很高的開關(guān)損耗，甚至損壞器件[5]。軟開關(guān)技術(shù)是緩解MOSFET的反向恢復(fù)問題的一個(gè)有效手段，目前已被運(yùn)用到單相逆變器中。文獻(xiàn)[6]提出了一種有源箝位全橋逆變器，利用反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)電流為諧振回路提供能量，使用常規(guī)SPWM，能緩解二極管反向恢復(fù)，并實(shí)現(xiàn)所有器件的零電壓開通。

本文介紹了一種軟開關(guān)全橋并網(wǎng)逆變器的工作原理并提出了一種調(diào)制方式，其電路拓?fù)淙鐖D1所示。在傳統(tǒng)全橋拓?fù)涞幕A(chǔ)上增加一個(gè)由電感、電容、輔助開關(guān)組成的諧振支路。在一種新型零電壓調(diào)制方式的控制下，所有開關(guān)器件均能實(shí)現(xiàn)零電壓開通，同時(shí)隨輸出功率變化調(diào)節(jié)諧振回路儲能，減小環(huán)流損耗。另一方面開關(guān)器件的關(guān)斷損耗由并聯(lián)吸收電容吸收，吸收的部分開關(guān)能量會被重復(fù)利用于諧振回路[7]。在軟開關(guān)運(yùn)行條件下，逆變器的開關(guān)頻率可提升至100 kHz，濾波器的尺寸也進(jìn)一步縮小，逆變器最高效率達(dá)到98.8%。

文獻(xiàn)[8]又對這一軟開關(guān)全橋逆變器的共模漏電流特性進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了一種共模濾波器，使其能夠適用于光伏發(fā)電場合。本文將軟開關(guān)全橋逆變拓?fù)鋺?yīng)用于小功率組串式光伏并網(wǎng)逆變器。逆變器為兩級式結(jié)構(gòu)，前級采用Boost升壓電路，后級采用軟開關(guān)全橋逆變電路。搭建了10臺3 kW兩級式單相軟開關(guān)光伏并網(wǎng)逆變器，對其進(jìn)行長時(shí)間光伏發(fā)電測試，驗(yàn)證了軟開關(guān)單相逆變拓?fù)鋺?yīng)用于光伏發(fā)電場合的可行性與可靠性。

圖1 軟開關(guān)全橋并網(wǎng)逆變拓?fù)銯ig.1 Topology of soft-switching full-bridge gridconnected inverter

1 軟開關(guān)單相并網(wǎng)逆變器工作原理

圖2所示為輸出電流正半周時(shí)ZVS SPWM各驅(qū)動信號以及關(guān)鍵電壓電流波形示意。ZVS SPWM基于倍頻SPWM，不同之處是增加了輔助開關(guān)Sa的驅(qū)動信號vgsa以及短路脈沖信號vsc。軟開關(guān)單相并網(wǎng)逆變器各工作階段可分為11個(gè)階段，如圖3所示。

階段 1（t0-t1）：輸出電流由 S3和 S4續(xù)流，逆變橋臂中點(diǎn)輸出電壓vpwm為0。諧振電感電壓被箝位在-Vcc，諧振電感電流線性下降。

階段 2（t1-t2）：S4關(guān)斷，輸出電流由體二極管 D4續(xù)流，逆變橋臂中點(diǎn)輸出電壓vpwm為0。

階段3（t2-t3）：輔助開關(guān)Sa的門極驅(qū)動信號vgsa變?yōu)榈碗娖?，由于SJ MOSFET的關(guān)斷速度非?？?，Sa的漏-源溝道迅速關(guān)斷。同時(shí)在諧振電感電流作用下，Cr1和Cr2放電，Cra同時(shí)充電。在諧振過程中，逆變橋臂中點(diǎn)輸出電壓vpwm仍然為0。

圖2 ZVS SPWM驅(qū)動信號及關(guān)鍵波形Fig.2 Drive signals and key waveforms of ZVS SPWM

階段 4（t3-t4）：在 t3時(shí)刻，體二極管 D1和 D2導(dǎo)通，體二極管和MOSFET中的電流線性上升。階段4結(jié)束的標(biāo)志是短路脈沖vsc變高電平，將S1、S2、S4開通，S3因?yàn)関gs4原本就為高電平，將繼續(xù)保持開通狀態(tài)。短路脈沖信號vsc是一路獨(dú)立的MOSFET驅(qū)動控制信號，通過邏輯“或”門同時(shí)疊加在4個(gè)橋臂開關(guān)S1～S4的驅(qū)動信號上，當(dāng)短路脈沖信號vsc變高電平時(shí)，4個(gè)橋臂開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，將逆變橋臂短路。短路脈沖vsc必須在體二極管D1、D2的電流上升至0之前變?yōu)楦唠娖健?/p>

階段 5（t4-t5）：在 t4時(shí)刻短路脈沖 vsc將 S1、S2、S4零電壓開通，體二極管D1、D2、D4中的電流轉(zhuǎn)移至S1、S2、S4。諧振電感電流仍然以階段4中的斜率線性上升，當(dāng)上升至Ires2時(shí)，短路脈沖變vsc低電平，S2、S4關(guān)斷，S1、S3在原常規(guī)倍頻 SPWM 的高電平驅(qū)動信號作用下仍保持開通狀態(tài)。在階段4和階段5期間，逆變橋臂中點(diǎn)輸出電壓vpwm為0。

階段 6（t5-t6）：在 t5時(shí)刻短路脈沖信號 vsc變低電平，由于在SPWM控制下S1、S3的驅(qū)動將仍保持高電平，因此只有 S2、S4的驅(qū)動電平變低，S2、S4的漏-源溝道迅速關(guān)斷。在諧振電感電流作用下，Cr2和Cr4被充電。當(dāng)Cra的電壓下降至0時(shí)，輔助開關(guān)的體二極管Da導(dǎo)通，將諧振電感電壓箝位至-Vcc。同時(shí)Cr2和Cr4的電壓上升至Vdc+Vcc，逆變橋臂中S2和S4完全關(guān)斷，橋臂中點(diǎn)輸出電壓vpwm也上升至Vdc+Vcc。

階段7（t6-t7）：輔助開關(guān)體二極管Da導(dǎo)通后，諧振電感電壓箝位至-Vcc，諧振電感電流線性下降。此時(shí)橋臂中點(diǎn)輸出電壓vpwm為Vdc+Vcc，直流側(cè)能量經(jīng)過S1和S3轉(zhuǎn)送至電網(wǎng)。

階段 8（t7-t8）：t7時(shí)刻 Sa零電壓開通，Da中的電流轉(zhuǎn)移至Sa，諧振電感電流繼續(xù)線性下降。則逆變橋臂中點(diǎn)輸出電壓vpwm為Vdc+Vcc，繼續(xù)向電網(wǎng)輸送能量。

階段 9（t8-t9）：t8時(shí)刻 S3的驅(qū)動電平變低，導(dǎo)電溝道迅速關(guān)斷。輸出電流對Cr3充電，Cr2放電。在這一階段變橋臂中點(diǎn)輸出電壓vpwm也開始下降。

階段 10（t9-t10）：在 t9時(shí)刻 Cr3被充電至 Vdc+Vcc，Cr2被放電至0，S2的體二極管D2導(dǎo)通，在這一階段變橋臂中點(diǎn)輸出電壓vpwm下降至0，逆變橋臂進(jìn)入續(xù)流階段。

階段 11（t10-t11）：在 t10時(shí)刻，S2零電壓開通，和階段1的情況一樣，逆變橋臂仍為續(xù)流狀態(tài)。

圖3 軟開關(guān)單相并網(wǎng)逆變器各工作階段Fig.3 Operation stages of soft-switching single-phase grid-connected inverter

2 兩級式軟開關(guān)單相光伏并網(wǎng)逆變器

兩級式軟開關(guān)單相光伏并網(wǎng)逆變器基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，主電路分成前級硬開關(guān)Boost升壓與后級軟開關(guān)逆變。整機(jī)輔助電源采用反激電路，從直流母線取電，此外還包括輸入輸出共模濾波器，輸入共模濾波器為共模電感Lcm1，感值為1 mH。輸出共模濾波器由共模電感Lcm2和旁路電容Cb1、Cb2組成，旁路電容的中點(diǎn)連接直流母線電容中點(diǎn)。由于光伏電池電壓受光照、溫度等因素影響會在較大范圍內(nèi)變化，根據(jù)光伏電池電壓不同，兩級式單相光伏并網(wǎng)逆變器可分為兩種工作模式[9]。

圖4 兩級式軟開關(guān)單相光伏并網(wǎng)逆變器基本結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic structure of two-stage soft-switching singlephase grid-connected PV inverter

當(dāng)光伏電池電壓vpv低于直流母線電壓下限值vdcl時(shí)，前級Boost工作。其中直流母線電壓下限值vdcl由電網(wǎng)電壓決定，考慮死區(qū)效應(yīng)、元器件壓降以及調(diào)制比限制，將母線電壓下限值設(shè)定成比電網(wǎng)電壓峰值高35 V，即

兩級工作模式的控制框圖如圖5所示。前級Boost負(fù)責(zé)最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point tracking），算法采用擾動觀察法；后級軟開關(guān)逆變負(fù)責(zé)控制直流母線電壓及并網(wǎng)電流。兩級模式時(shí)直流母線電壓參考值等于母線電壓下限，即

圖5 兩級模式控制框圖Fig.5 Control block diagram of two-stage operation mode

當(dāng)光伏電池電壓vpv高于直流母線電壓下限值vdcl時(shí)，前級Boost無需工作。忽略Boost電感和二極管的壓降，光伏電池電壓與直流母線電壓相等。單級工作模式的控制框圖如圖6所示，光伏電池電壓由軟開關(guān)逆變器控制，MPPT算法模塊的輸出直接作為直流母線電壓環(huán)的指令值為

圖6 單級模式控制框圖Fig.6 Control block diagram of single-stage operation mode

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)分為兩部分內(nèi)容：第1部分是對后級軟開關(guān)單相并網(wǎng)逆變器的軟開關(guān)開關(guān)過程、效率指標(biāo)進(jìn)行測試；第2部分是10臺軟開關(guān)單項(xiàng)光伏逆變器的光伏發(fā)電測試。

3.1 軟開關(guān)單相并網(wǎng)逆變器性能測試

軟開關(guān)單相并網(wǎng)逆變器的硬件參數(shù)如表1所示。圖7所示為主開關(guān)S1在諧振過程中的波形，由圖可見，第1次諧振過程中主開關(guān)電壓vds1下降至0后，驅(qū)動電平vgs1再變高，實(shí)現(xiàn)零電壓開通。圖8所示為輔助開關(guān)Sa在諧振過程中的波形，由圖可見，同樣在第2次諧振過程中輔助開關(guān)電壓vdsa下降至0后，驅(qū)動電平vgsa再變高，實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

圖9所示為額定3 kW并網(wǎng)電流和諧振電感電流波形。軟開關(guān)逆變器的效率測試曲線如圖10所示，其中MOS1的型號為FCH041N65F，導(dǎo)通電阻41 mΩ，MOS2的型號為FCH041N65F，導(dǎo)通電阻73 mΩ。測試結(jié)果表明軟開關(guān)單相并網(wǎng)逆變器的效率高于98%，最高效率為半載1.5 kW時(shí)的98.8%。作為對比的H6硬開關(guān)逆變器開關(guān)頻率為20 kHz，在整個(gè)功率范圍內(nèi)的效率要低0.3%以上（效率測試均不包括輔助電源功耗）。

圖11所示為H6硬開關(guān)逆變器與軟開關(guān)逆變器所用并網(wǎng)電感的大小對比，H6逆變器的并網(wǎng)電感單個(gè)電感為1 mH，由2個(gè)直徑57.2 mm的鐵硅鋁磁環(huán)并聯(lián)；而190 μH電感由1個(gè)直徑46.7 mm的鐵硅鋁磁環(huán)繞制，體積減小了2/3。

表1 軟開關(guān)單相并網(wǎng)逆變器的硬件參數(shù)Tab.1 Hardware parameters of soft-switching singlephase grid-connected inverter

圖7 主開關(guān)S1開關(guān)波形Fig.7 Switching waveform of main switch S1

圖8 輔助開關(guān)Sa開關(guān)波形Fig.8 Switching waveform of auxiliary Sa

圖9 輸出功率3 kW時(shí)并網(wǎng)電流與諧振電感電流Fig.9 Grid current and resonant inductor current when output power was 3 kW

圖10 逆變器效率曲線Fig.10 Efficiency curves of inverters

圖11 硬開關(guān)逆變器與軟開關(guān)逆變器濾波電感對比Fig.11 Comparison of filter inductance between hardswitching and soft-switching inverters

3.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電測試

30 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)由10組3 kW光伏電池陣列組成，每一組陣列由12塊光伏電池組件串聯(lián)組成。單塊光伏電池組件參數(shù)如表2所示，12塊串聯(lián)后的最大功率為3 060 W，開路電壓455 V，因此將MPPT擾動范圍設(shè)置為150～450 V。

每日清晨實(shí)際測量單組3 kW光伏電池陣列的開路電壓在410～440 V之間。光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)場情況如圖12所示，由光伏組件、光伏匯流箱、逆變器、交流配電及通信系統(tǒng)組成。10臺逆變器通過485總線與PC通信，傳輸每日發(fā)電數(shù)據(jù)。

其中1臺軟開關(guān)單相光伏逆變器啟動時(shí)的工作波形如圖13所示，開路電壓為420 V，擾動間隔2 s，經(jīng)過數(shù)次擾動達(dá)到最大功率點(diǎn)，并網(wǎng)電流隨之增大。圖14記錄了其中1臺逆變量從2017年2月8日～2017年2月26日的每日發(fā)電量，日發(fā)電量最高記錄為15.4 kW·h。

逆變器發(fā)電測試詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖15～圖18所示。圖15為某日單臺逆變器的PV電壓、直流母線電壓、電網(wǎng)電壓及瞬時(shí)功率數(shù)據(jù)，可見最大瞬時(shí)功率為2.6 kW，出現(xiàn)在中午13:00附近。圖16～圖18為10臺逆變器在某日的PV電壓、直流母線電壓以及瞬時(shí)功率數(shù)據(jù)，其工作狀態(tài)基本保持一致。

表 2 LN240（30）P-3-255 光伏組件參數(shù)Tab.2 Parameters of PV module LN240（30）P-3-255

圖12 30 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)Fig.12 30 kW PV generation system

圖13 啟動階段并網(wǎng)電流與PV電壓波形Fig.13 Waveforms of grid current and PV voltage on the startup stage

圖14 單臺逆變量日發(fā)電量Fig.14 Daily power generation of one inverter

圖15 單臺逆變器單日主要數(shù)據(jù)記錄Fig.15 Main data record of one inverter on one day

圖16 10臺逆變器單日PV電壓記錄Fig.16 Data record of PV voltage of ten inverters on one day

圖17 10臺逆變器單日直流母線電壓記錄Fig.17 Data record of DC bus voltage of ten inverters on one day

圖18 10臺逆變器單日瞬時(shí)功率記錄Fig.18 Record of instantaneous power of ten inverters on one day

4 結(jié)語

軟開關(guān)單相逆變拓?fù)浼捌淞汶妷赫{(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了MOSFET的零電壓開通，并抑制體二極管的反向恢復(fù)損耗，在100 kHz開關(guān)頻率下最高效率為98.8%，且輸出濾波電感顯著減小。通過長期光伏發(fā)電測試，檢驗(yàn)了軟開關(guān)單相逆變器在不同功率、不同電壓等各種工況下的可靠性。