一種零電壓轉換H6橋光伏并網逆變器的研究

陳 榮, 張 洋

(1. 鹽城工學院 電氣學院， 江蘇 鹽城 224051； 2. 江蘇大學 電氣信息工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

非隔離型單相光伏并網逆變器由于其體積小、效率高、可靠，因此被廣泛的應用在各種逆變電路中。效率和漏電流是衡量光伏并網逆變器優(yōu)劣的兩個重要指標，國內外的研究者均提出各種有效的方法來提高效率和抑制漏電流[1-2]。

目前國內外提出的各種方法可以總結為兩大類[3]。① 是在原有的電路結構上改進，讓其有最高的轉換效率，然后在此基礎上提高抑制漏電流的性能。在文獻[4]中就是改進原有電路結構，在續(xù)流階段讓太陽能光伏電池側和電網側斷開，在共模回路中增加一個大阻抗用來達到抑制漏電流的作用。② 就是讓整個電路結構有著最優(yōu)異抑制漏電流的能力，然后在此基礎上提高逆變器的效率。文獻[5]中分析和比較各種橋式逆變器電路結構，推導出H6橋具有較強抑制漏電流的能力。本文基于文獻[5]中H6橋結構的基礎上，通過減少器件損耗來提高效率，其中包括傳導損耗和開關損耗，傳導損耗是無法避免的，高頻雖然能夠減小逆變器無源元器件的大小，但是在主開關開通或者關斷時，由于電壓和電流的同時上升或者下降造成逆變器開關的損耗會隨著開關頻率的提高而增加，同時逆變器的效率也會嚴重下降。如圖1所示[5]，當輸出功率為2 kW時，頻率10 kHz的效率比頻率20 kHz的效率高約2%，高開關頻率是一個關鍵因素，因此需要通過軟開關技術的應用來降低開關損耗。本文改變原有的硬開關方式將軟開關技術應用到電路中，提出了一種零電壓轉換(Zero-voltage-transition，ZVT)H6結構非隔離光伏并網逆變器結構電路，使得高頻下的主開關的開關損耗可以通過在主開關導通時間前后增加諧振來達到減小開關損耗的目的。

圖1 開關頻率不同時的硬開關效率圖

1 零電壓轉換H6結構非隔離光伏并網逆變器電路圖

文獻[6]中帶有零電壓轉換H6結構非隔離光伏并網逆變器的電路結構雖然能夠通過輔助開關實現高頻主開關的零電壓開通和零電壓的關斷，一定程度上減少了開關損耗，提高了逆變器的變換效率。但是在單極性調制下其輔助開關不能零電壓關斷或者零電流關斷，使得零電壓轉換H6結構非隔離光伏并網逆變器的變換效率到不到理想的參數，從而影響著逆變器的整體性能，針對這個問題在原有的電路基礎上做出一些改進，在新的電路結構中增加兩個電容緩沖電容，利用電容上的電壓不能突變的原理，幫助輔助開關實現零電壓的關斷。

1.1 新的電路結構

新的拓撲結構在文獻[6]的基礎上增加了兩個電容值相等的緩沖電容CS1、CS2和在直流旁路起續(xù)流作用的兩個二極管DS1、DS1，其中包含兩個高頻主開關S1、S2，輔助開關S1R、S2R，由S3、S6、S4和S5構成的全橋逆變器，Lg1、Lg2和Cg構成的LCL濾波電路和電網電壓ug，如圖2所示。

1.2 工作原理分析

圖3(a)是改進的零電壓轉換H6結構非隔離光伏并網逆變器主開關和輔助開關的驅動波形圖。圖3(b)是改進的零電壓轉換H6結構非隔離光伏并網逆變器運行在正半周期在忽略元器件損耗和線路損耗的理想化波形，其中假設Lg1和Lg2的電感值很大，沒有明顯的電流波動。c

圖2 零電壓轉換H6結構非隔離光伏并網逆變器電路

(a)(b)

圖3 零電壓轉換的理想化波形

在t0時刻之前，由S3、S6、D1和D2形成一個閉合的續(xù)流回路，UPV為光伏板輸出電壓。

t0～t1時段：輔助開關S1R和S2R開通，主開關S1和S2關斷。此時電感L1和L1的兩端電壓等于電容的電壓,L1和L2兩端的電流iL1、iL2等于濾波電感電流iLg1且按照式(1)的方式線性快速增長，直到t1時刻，諧振電感電流增加到最大iL1=iL2=iLg1，此時電路可以等效為圖4(a)。

(1)

UC1=UC2=0.5UPV

(2)

t1～t2時段：由L1、L2和C1、C2構成的諧振回路，在t1時刻開始諧振，濾波器電感iLg1和iLg2較大，對諧振電流影響較小，基本可以忽略不計[7]。諧振過程中諧振電感L1、L2的電流繼續(xù)增加而諧振電容C1、C2的電壓減小，t2時刻諧振電感電流iL1、iL2到達最大值, 由于主開關S1、S2的兩個反并聯(lián)二極管導通，兩個諧振電容被鉗位，因此此時諧振電容電壓uC1、uC2等于零，此時電路可以等效為圖4(b)：

(3)

uC1(t)=uC2(t)=0.5UPVcosωr(t-t1)

(4)

t∈[t1,t2]

(a)(b)

圖4 ZVT電路工作模態(tài)(I)

t2～t3時段：在t2時刻諧振結束，主開關S1、S2的兩個二極管繼續(xù)導通，諧振電容C1、C2的電壓繼續(xù)被鉗位于零，諧振電感L1、L2的電流也繼續(xù)保持不變，保持到t3時刻結束，此時電路可以等效為圖5(a),其中

(5)

t3～t4時段：t3時刻輔助開關S1R,S2R斷開的同時主開關S1、S2的閉合，諧振電感L1、L2的能量向電網側傳輸，其電流按照線性的方式減少，在t4時刻減少至零，而主開關S1、S2兩端的電流則是線性快速的上升，在t4時刻電流值等于整個回路的電流值。在t3時刻之前主開關S1、S2的兩個反并聯(lián)二極管繼續(xù)導通，因此主開關上的壓降為零，在t3時刻開通實現了零電壓開通，同時兩個緩沖電容CS1、CS2在輔助開關S1R,S2R關斷時限制了輔助開關的關斷電壓的變化，實現了輔助開關的零電壓關斷，降低了整個電路開關損耗。此時電路可以等效為圖5(b),其中

(a)(b)

圖5 ZVT電路工作模態(tài)(II)

t4～t5時段：t4時刻諧振電感電流的值等于零，主開關S1、S2上的電流值到達最大值，一直保持到t5時刻結束。電路進入正常的導通狀態(tài)。此時電路可以等效為如圖6所示。

圖6 ZVT電路工作模態(tài)(III)

1.3 參數設計

諧振是零電壓轉換電路工作中最重要的部分，對諧振過程進行定量的分析，為后面的仿真參數設計提供依據。對式(5)進行求解得：

(6)

由式(6)可得諧振電容的電壓的最大值為：

(7)

2 仿真結果與分析

為了驗證論文中提出零電壓轉換H6結構非隔離光伏并網逆變器的正確性，利用PSIM仿真工具分別搭建基于H6橋單相光伏并網逆變器的硬開關和零電壓轉換兩種不同開關方式的仿真模型，驗證其各個時間段的整個電路器件的工作狀態(tài)。

2.1 控制策略

H6橋單相光伏并網逆變器采用雙閉環(huán)的控制方式，外環(huán)是電壓控制，內環(huán)是電流控制。外環(huán)的電壓控制最終目的是得到一個內環(huán)電流的參考值Iref,因此需要將實際測量到的直流母線的電壓值與給定的電壓值進行比較得到一個誤差ε，ε經過PI控制器調節(jié)后得到內環(huán)的給定電流幅值Im。為了獲得電網的實時頻率和相位需要借助鎖相環(huán)(PLL)來捕獲[8-9]，得到給定電流的矢量值與內環(huán)得到矢量電流進行比較，然后與三角載波比較，產生SPWM驅動信號。

圖7 控制系統(tǒng)框圖

2.2 仿真參數

表格1是硬開關和零電壓轉換不同的開關方式的仿真參數，其中fs是開關管頻率，Ds是開關驅動信號的占空比。表格2是硬開關和零電壓轉換兩個不同電路結構的電路參數[10-12]，其中UPV是光伏電池板的直流母線電壓值。

表1 仿真參數

表2 電路參數

如圖8所示，圖8(a)為主開關的載波和調制波，圖8(b)為主開關的驅動信號，圖8(c)為輔助開關的載波和調制波，圖8(d)為輔助開關的驅動信號。

如圖9所示是零電壓轉換H6結構非隔離光伏并網逆變器的仿真波形，圖9(a)諧振電感L1，L2的電流，圖9(b)為諧振電容C1，C2的電壓，圖9(c)為差模電壓，圖9(d)為UAN電壓,圖9(e)為漏電流，圖9(f)為共模電壓。

(a)(b)

(c)(d)

圖8 輔助開關和主開關的工作波形

在圖9(a)諧振電感L1、L2在仿真中出現了諧振峰，結合圖9(b)和前文的分析可得在t1～t3時間段發(fā)生了諧振，減緩了開關過程中電壓和電流的變化，在主開關開通之前，兩端的電壓為零，從而實現了主開關S1、S2的零電壓的開通，在主開關管關斷的時候，利用了諧振電容上電壓不能突變，實現了零電壓的關斷，這樣開關損耗會大大的降低。如圖9(c)是差模電壓和單極性SPWM的輸出波形相同，降低了電流的輸出波動。圖9(e)太陽能光伏板電池和電網之間寄生電容產生的漏電流值小于VDE-0126-1-1規(guī)定的標準值[13-14]，說明新的拓撲保留了原結構能夠抑制漏電流的能力。圖9(f)是逆變器共模電壓的輸出波形，零電壓軟開關技術并不改變逆變器的共模特性，反并聯(lián)二極管D1，D2電壓的自由鉗位將共模電壓值保持在一個穩(wěn)定值[15-16]。

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f)

圖9 零電壓轉換H6結構非隔離光伏并網逆變器的仿真波形

圖10為以表格1的數據為仿真參數，硬開關和零電壓轉換軟開關兩種不同開關方式的運行效率的仿真結果。在輸出功率小于0.8 kW時，硬開關的電路轉變效率大于軟開關的轉換效率，輸出功率大于0.8 kW時，則反之。

圖10 硬開關和軟開關效率曲線對比

圖10的效率曲線對比說明本文提出的基于H6橋的零電壓轉換軟開關技術能夠的有效的，提高轉換效率，對于非隔離型單相光伏并網逆變器的小型化，輕量化和高頻化的推動有著積極的作用。

3 結 語

高開關頻率會導致高開關損耗和EMI噪聲，降低逆變器的轉換效率，處理這些問題的一個有效的方法是使用軟開關技術。本文基于H6橋拓撲結構，提出一種基于H6橋的零電壓轉換非隔離型單相光伏并網逆變器結構，具有以下特點：

(1) 零電壓轉換電路可以軟化開關電流和電壓波形的上升和下降的邊緣，同時續(xù)流二極管可以在零電壓下開啟或在零電壓條件下關閉，這意味著最小的開關損耗和更高的效率。

(2) 基于H6橋的零電壓轉換非隔離型單相光伏并網逆變器結構的漏電流值符合相關行業(yè)的標準，新結構在實際工程中具有很好的應用價值。