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光伏儲能逆變器作為可再生能源系統(tǒng)中不可或缺的關鍵組件，其電路拓撲設計對能源轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性起著至關重要的作用。在本文中，我們將探討不同的光伏儲能逆變器電路拓撲，并分析其優(yōu)缺點，旨在為未來的可再生能源系統(tǒng)設計提供技術支持和參考。

光伏串式逆變器的基本原理，是將太陽能電池板的DC電壓，轉(zhuǎn)化為一個可用的AC電源，隨著半導體技術的發(fā)展，其功率密度越來越大，同時易于模塊化和維護，所以比中央逆變器更為流行。另外，由于光伏能量之供需矛盾的特點，在光伏系統(tǒng)中增加儲能功能就是一個必要的趨勢，本文就分幾個方面，對光伏串式逆變器的組成及典型拓撲要求做一個探討。

一.光伏串式逆變器的典型結(jié)構(gòu)介紹



典型的太陽能光伏逆變器如圖1所示，由兩級電路組成，首先是不同節(jié)數(shù)的太陽能電池作為直流輸入，由于太陽能輸出的晝夜不穩(wěn)定的特點，一般前級采用帶MPPT(MaximumPower Point Tracking)功能的DC/DC電源，產(chǎn)生一個高壓直流母線電壓，后級基于這個電壓做DC/AC逆變產(chǎn)生交流電。當系統(tǒng)為單相交流時，一般直流母線電壓為400Vdc,三相交流時，則直流母線電壓為800Vdc，并且有向更高電壓，如1000Vdc靠近，以便減小系統(tǒng)損耗。

對于前級DC/DC,在非隔離系統(tǒng)要求時，boost電路是一個好的選擇，對于同樣的功率下，較高的直流母線電壓更容易減小系統(tǒng)損耗，當功率更大時，可考慮交錯boost電路。當前級需要隔離時，可以選擇的拓撲結(jié)構(gòu)比較多，如全橋硬開關，或者移相全橋，或者LLC等。

光伏逆變器分為離網(wǎng)逆變器和并網(wǎng)逆變器，離網(wǎng)逆變器在工作時，它就是唯一的供電源，所以不需要和其它源同步，一般用于較小容量的系統(tǒng)。而并網(wǎng)逆變器由于在工作時，已經(jīng)有多個源組成的電網(wǎng)在工作，所以它需要和其它源做相位，幅值，頻率等的同步，當電網(wǎng)遇到過壓，欠壓，斷電等故障時，逆變器需要將自身和電網(wǎng)隔離開。逆變器DC/AC逆變部分一般采用buck型的拓撲，用正弦波調(diào)制，包含若干種類的拓撲（這里由于篇幅所限，不做探討）。值得注意的是，多個逆變器之間需要進行通信。

從運營者的角度來說，太陽能在白天產(chǎn)生的電能多，但是電價比較低，需求量也比較小，而晚上產(chǎn)生的電能少，但是電價貴，需求量也大。一些特殊的情況，如電網(wǎng)故障時，太陽能逆變電源的能量就會完全浪費掉。針對這種矛盾的狀態(tài)就需要增加一個儲能系統(tǒng)，白天將能量存儲在電池中，晚上或者電網(wǎng)需求量大時，將電能從電池中釋放出來。



如圖2所示，就是一個增加了儲能系統(tǒng)的光伏逆變器，這里的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)光伏逆變器的結(jié)構(gòu)主要差異是，增加了一個電池組及電源變換器，電池用于存儲太陽能，或者從電網(wǎng)對電池進行能量存儲，而電池中的能量在負載需求量大時，通過電源變換器釋放給電網(wǎng)或者負載，這就要求這里的介于電池和直流總線電壓之間的變換器具有雙向轉(zhuǎn)換的功能，而系統(tǒng)一般也需要逆變器DC/AC部分，具有反向運行的能力，這便于將電網(wǎng)能量通過DC/AC部分的電路及雙向DC/DC電路給電池充電。



將圖2的原理框圖抽象出來就是如圖3所示的結(jié)構(gòu)，從太陽能電池到高壓直流電壓之間的電路部分和傳統(tǒng)光伏逆變器的結(jié)構(gòu)沒什么區(qū)別，都是帶MPPT的單向DC/DC電源，一般采用boost電路或者交錯并聯(lián)boost電路，如要求隔離時，可以采用隔離DC/DC變換器，如硬開關全橋或者移相全橋，或者LLC等。

如圖3所示，系統(tǒng)主要增加了圖片下部的電池及雙向DC/DC電源，從DC電壓給電池充電，從電池給DC總線電壓放電。

關于逆變器部分，不需要特殊的拓撲去進行改造，本身拓撲都是支持雙向運行的，當通過此電路向直流總線及負載電池充電時，通過合適的軟件控制就可以實現(xiàn)，所以這部分我們不做詳細探討。

二.單向的DC/DC變換器拓撲用于MPPT部分

最基本的非隔離的變換器boost電路，可以用于MPPT部分作為非隔離需求時的選擇，電路非常簡單，只有一個控制開關，當輸出電流較大時，可以將續(xù)流二極管變?yōu)閙osfet，變?yōu)橥秸魍負?。當需要變?yōu)楦蠊β蕰r的系統(tǒng)時，可以采用交錯boost實現(xiàn)，減小輸出紋波，也可以減小總體系統(tǒng)體積。相對于交錯boost電路，直接在boost電路上采用功率器件并聯(lián)時效果顯然不如交錯并聯(lián)boost，因為它對減小紋波沒什么幫助。



這個拓撲由兩個同步整流boost錯相180C組成，它們使用獨立的電感，每一個boost由兩個mosfet組成，控制相對簡單，每一相只需要一對互補的PWM輸出即可。這個電路拓撲可以用于太陽能電池板和高壓直流總線之間的單向DC/DC電路。

移相全橋電路是基本的DC/DC電路，結(jié)構(gòu)類似于硬開關全橋電路，除了開關驅(qū)動的方式不同之外。在移相全橋中，占空比為50%工作，通過控制原邊兩個橋臂的工作相位差，來實現(xiàn)功率的控制，如圖5所示。



移相全橋電路的典型特點如下：

1.通過調(diào)整原邊兩個橋臂的相位差來調(diào)整功率傳輸

2.經(jīng)過合適調(diào)整，原邊一個開關臂ZVS開通，另一個開關臂低電壓開通

3.副邊二極管為硬開關，帶來一定損耗

4.輕載時不易實現(xiàn)ZVS開關，所以輕載會通過burst模式確保ZVS開關狀態(tài)

5.電壓模式控制通過串聯(lián)電容避免變壓器飽和

6.用一個電感調(diào)整ZVS狀態(tài)

第三種介紹的單向DC/DC電路是LLC電路，使用非常廣泛。



全橋LLC電路是LLC電路的一種，如圖6所示，它原邊由一個全橋組成，副邊有一個二極管全橋整流組成，變壓器和串聯(lián)電容組成諧振腔電路，通過頻率調(diào)制，以改變電路增益，調(diào)整輸出電壓。它的主要特點是開關損耗較小，可以適用于5000W以內(nèi)的電源。

LLC電路的運行特點如下：

1. LLC具有三種運行區(qū)域，諧振頻率，高于諧振頻率，低于諧振頻率

2.低于諧振頻率運行時，諧振腔電流可以到0，副邊ZCS,但是環(huán)流大，導通損耗大

3.高于諧振頻率運行時，副邊二極管為硬換流，開關損耗大

4.運行于諧振頻率附近比較合適，ZVS開通和ZCS關斷都可以實現(xiàn)，EMI好

5.輸出紋波大，需要大輸出電容

6.高輸出電壓時，開關器件電壓應力大

7.并聯(lián)和同步LLC比較困難，控制邏輯復雜

傳統(tǒng)LLC電路僅僅適用于單向運行場合，所以適合在太陽能電池板和高壓直流總線之間使用。

三.雙向DC/DC變換器拓撲用于電池充放電部分

在帶儲能的串式光伏逆變器中，雙向DC/DC部分是獨特的一部分電路，本節(jié)重點分析一下有哪些拓撲比較適合做這部分電路。前述所知，這部分電路的主要作用是一方面給電池存儲能量，另一方面對電池進行放電供給負載，當系統(tǒng)功率較小時，或者單相系統(tǒng)而言，采用低壓48V電池即可，對于大功率或者三相系統(tǒng)，一般采用400V或者800V的電池儲能。

CLLC電路具有LLC電路的所有特點，它是一個典型的雙向變換器拓撲，它的原邊和副邊都是由有源開關組成的全橋電路，因此可以做能量的雙向流通，并且在大負載范圍內(nèi)都可以實現(xiàn)ZVS和ZCS運行，效率相對是比較高的，如圖7所示。



CLLC電路的主要特點如下：

1.CLLC屬于大功率拓撲，可以設計高達10kw功率的變換器，

2.CLLC的并聯(lián)及模塊同步相對較難，需要對稱的諧振腔結(jié)構(gòu)，

3.變壓器的原邊和副邊都串聯(lián)了電容，可以避免飽和

4.可以實現(xiàn)軟開關，因此EMI很好

基于CLLC電路的良好性能，它可以作為電池和高壓直流母線之間的雙向DC/DC變換器。



雙有源橋DAB的電路拓撲，如圖8所示，其電路組成特點如下，

1.DAB由原邊和副邊兩個全橋，及變壓器組成

2.通過無損電容吸收，減小開關損耗

3.變壓器的利用率較高，傳輸同樣的功率時，體積較小

4.輸出電容需要處理的紋波電流較低

5.模塊化可以支持大功率輸出

6.需要額外的電感進行ZVS調(diào)制

7.總體元器件個數(shù)少，成本低，效率高

理解此電路的制定策略是非常重要的，我們通過簡單分析，總結(jié)如下：

a，基于簡單的單移相調(diào)制，或者復雜的雙移相或者三移相調(diào)制

b，單移相調(diào)制可以支持寬范圍電池電壓，但是變壓器環(huán)流大，效率低

c，通過三移相調(diào)制，可以獲得全電壓范圍的高效率運行

d，滯后電流對開關管輸出電容放電產(chǎn)生軟開通作用

e，控制兩個全橋之間的相位，可以控制功率流向

這個變換器良好的雙向功率控制特性使得它合適作為電池和高壓直流母線之間雙向DC/DC電路。

最后一種介紹的雙向DC/DC變換器是有源鉗位電流型橋式電路，這種變換器一般用于48V的電池的低壓系統(tǒng)，如圖9所示。



此變換器的主要組成特點如下：

1.較低功率輸出時，副邊不用全橋，可以使用推挽輸出

2.正向以移相全橋工作，反向以有源鉗位方式以隔離boost工作

3.由于充足的漏感存在，可以實現(xiàn)高低壓側(cè)的ZVS

4.為獲得反向ZVS特性，使用有源鉗位電路，由電容和mosfet組成，定頻占空比控制

5.高壓側(cè)的di/dt較小，可以使用傳統(tǒng)Si器件

6.鉗位電容的存在，產(chǎn)生大電流，導通損耗高，效率低

7. Boost電感需要一個小功率啟動繞組

此變換器由于成本較低，可以作為電池和高壓直流總線DC之間的雙向變換器的低成本版本。

隨著可再生能源的快速發(fā)展和應用，光伏儲能逆變器電路拓撲的研究和改進變得愈發(fā)重要。通過本文的討論，我們了解到不同的電路拓撲對能源轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，這為光伏儲能逆變器的優(yōu)化設計提供了有益的啟示。未來，我們有望看到越來越高效、穩(wěn)定的光伏儲能逆變器出現(xiàn)，為可再生能源的廣泛應用和推廣做出更大的貢獻。

原標題：探究光伏儲能逆變器電路拓撲