文摘

我们描述几个最近报道,新的拓扑结构和相互比较,以找出最佳的多层次的发电逆变器拓扑。然后,我们这些拓扑分类根据前人提出的基本单位。最后,我们提出了混合衣架式逆变器拓扑结构,由两个最好的基本单位。这两个组件的结构充分利用,减少谐波内容和转换器的功率损耗,提高系统的转换效率。同时,空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法用于模拟提出了拓扑在MATLAB / SIMULINK仿真平台中,而每个半导体开关的损耗计算使用MELCOSIM软件。结果表明,该结构优于使用最广泛的拓扑结构,即。二极管夹、衣架式三级电路。

1。介绍

如今,消费模式之间的矛盾的传统石化能源和经济发展和环境保护越来越突出。人们逐渐认识到可持续发展道路的重要性,积极开发和利用可再生能源。在可再生能源中,太阳能是最大的和最常见的分布式资源。使用太阳能电池的光伏发电技术有效地吸收太阳能和变化转化成电能。并网逆变器是关键组件和光伏发电系统的重要设备。

通用逆变器设计中,综合考虑到成本因素,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)代表最使用的设备。然而,由于IGBT非线性的传导电压下降,它不与电流的增加显著增加,从而确保逆变器还提供了一个相对较低的损耗和效率高的最大负载条件。然而,由于欧洲效率主要与逆变器的效率在不同的空载,IGBT的上述特征代表了光伏发电逆变器的缺点。轻负荷,IGBT的刺激电压降不显著降低,进而降低了欧洲的逆变器的效率。相比之下,由于线性MOSFET的导通压降,它提供了低刺激轻负载的电压降。考虑到良好的动态特性和高频工作能力,MOSFET成为首选光伏反相(1]。

三级逆变器已广泛应用于中、高压大容量交流调速领域,因为其输出更高的电能质量,降低谐波含量,更好的电磁兼容性,降低切换损失,和其他的优势。然而,它仍然会受到一些关键问题,包括三级的简化算法,中性点电压控制过调制区,并在高压系统的稳定性。针对上述问题,本文研究了三级逆变器的结构和原理,控制中性点电压的电容器,和SVPWM算法的实现。

在本文中,我们研究小说衣架式光伏系统逆变器拓扑结构采用SVPWM控制算法。组织结构如下:部分2。1介绍了新的多级光伏逆变器和分类的基本细胞。部分2。2礼物和比较新型的多级逆变器。部分2。3开关损失和转换效率进行了对比和分析二极管夹衣架,提出混合衣架。部分2。4细节SVPWM控制算法。部分3给出了仿真结果。最后,部分4总结了纸。

2。材料和方法

2.1。基本单位

逆变器基本单位是指最小组件,满足拓扑多级发电逆变器的要求。Odeh [2)提出了一个多层次的发电逆变器的基本单元的基本概念。

如图1(一)后,实现基本单元,它可以延长串并联形式呈现较高的电压水平,并串联连接。Odeh [3]分析了多级发电逆变器的拓扑结构之间的联系,提出了一个规律,之后当通用多级发电逆变器拓扑简化其他多级发电逆变器拓扑。例如,主开关必须维护,所有开关设备必须被删除对称,二极管和电容器必须分布对称,等等。随着电力电子器件的发展,为了统一电力电子开关晶体管的压降,提出一个更实际的基本单位。

图1 (b)显示了堆整流细胞或三极细胞。采用传导的策略,一个两个晶体管外腿只在著重频繁切换状态,而另一只晶体管切换一次基波期间,大大降低了开关损耗。这种传导策略还避免了voltage-equalization问题同时接通和断开造成的系列设备。图1 (c)显示了多电平逆变器的结构基本单元由Draxe et al。4]。这个逆变器是形成使用5个开关和反平行的二极管,,S11 S14系列排列作为传统的慢性乙肝逆变器,同时,然而,S15添加增加输出电压水平通过选择适当的电压源。这个结构会产生较高的电压水平和最小数量的开关通过优化电路设计,降低栅极驱动电路。

最近报道的逆变器拓扑旨在减少电力电子器件的数量,提高转换效率。图2显示的分类根据逆变器拓扑。从这个图中,我们看到的最大的部分提出的逆变器拓扑结构形成的基本单元,由于其相对简单的建设。拓扑结构由基本单位B和C尚未出现,因为他们的复杂的基本构成单位。

变频器的基本单元由一个直流电源和开关。通过使用相同的基本单位,数字1(一)的形式,例如,串并联组合一个新的电路拓扑结构,如图3名为单相h桥拓扑。或者通过串并联组合不同基本单位也一个新的了。例如,三个平行的基本单位和一个基本单元构成三级衣架式逆变器拓扑结构,如图4。可以通过不同的多级逆变器multiseries和multiparallel连接多个基本单位。和其他建设的拓扑如图2可以推导出同样的类比。

2.2。新型逆变器拓扑

工作(5]提出了分裂电容h桥(SC-HB)逆变器拓扑。添加一个简单的直流-直流变换器,这种拓扑结构克服了capacitance-voltage平衡问题,同时降低漏电流,提高效率。工作(2)提出了改进的级联h桥拓扑由半桥自锁电路级和主逆变器h桥。因此,它减少了数量的设备,开关损耗和谐波含量。不对称级联h桥拓扑结构,用不同的比例,直流电压源值报告(4]。这减少了容量和数量的设备,以及成本。正弦波脉宽调制(SPWM)三相多电平逆变器拓扑结构可以通过插入两个辅助开关在每个阶段桥改变基本的二级三级逆变器综合水平较高(3]。与传统的二极管钳相比,飞行电容器、拓扑和级联h桥逆变器,这只使用一个直流电源和电力电子提供相同数量的水平较低。

图5(一个)显示了H5拓扑(6),组成一个随心所欲的电路通过添加积极的高频开关直流输入端,效率可以达到98.1%。然而,它遭受大的损失和热量和不平衡的热应力。图5 (b)显示Heric拓扑的结构(7),添加一个新的自由的电路,这本身是由一组双向开关分支在交流方面,基于传统全桥逆变器拓扑。此拓扑的效率可以达到98%以上。OH5拓扑如图5 (c)(8),它使用一个开关和电容器的基础上形成了双向钳位电路H5拓扑,大大抑制漏电流,提高了转换效率。然而,在这样一个结构,钳位电路的死时间限制开关,和一个大开态损失。工作(9]提出FB-DCBP拓扑,实现完全消除泄漏电流通过添加两个可控开关和钳位二极管钳位电路直流侧的格式。此拓扑的泄漏电流抑制功能比的H5和Heric拓扑但患有大开态损失和大量的设备,提供97.4%的最大效率。

H6-type拓扑结构提出了(10),Heric拓扑的一个变体。它不需要设置开关之间的死时间同一桥臂和身体不经过二极管的开关。因此,所有开关可能由MOSFET,但拓扑需要额外的两个随心所欲的二极管,所以成本增加。此外,工作效率低于Heric拓扑,而效率高达97.6%。低泄漏电流代替拓扑报告(11),这是一个H5和Heric拓扑之间的妥协。形成一个新的随心所欲的电路拓扑通过添加基于H5开关,使开关的数量通过网络的两个半频周期电流,功率传输模式不一样,产生通路状态减少损失。拓扑编辑的效率低于Heric拓扑和高于H5拓扑。常见的模式不如H5拓扑和优于Heric拓扑。共发射极双BUCK拓扑可能是(12),四个可控开关和两个二极管组成。这种结构的泄漏电流基本上是零,而且没有高频开关之间的死区。此外,这种结构呈现不突破现象,可靠性高,开关损耗小,效率可以达到98.5%以上。然而,拓扑磁组件利用率很低,不能输出无功电流。

在提出的混合桥拓扑13)由六个可控开关和两个随心所欲的二极管。这种拓扑搬Heric拓扑的开关在交流方面中间的桥臂,类似于H6-type拓扑。HB-ZVR (h桥问世至今状态整流器)拓扑结构提出了(14),引入一个交流旁路电路,这本身是由IGBT和一群二极管整流器,夹于两个电容器直流总线的中点,达到低共模电流和高效逆变器拓扑。HB-ZVR拓扑解决问题的双向开关S5和S6 Heric拓扑不能打开,和这种拓扑总会找到一种双向开关。图5 (d)显示了衣架式逆变器拓扑结构(15),由一组开关Sa3 / Sa4作为一个双向开关实现的主要开关Sa1 / Sa2夹紧功能。它使用钳位二极管或钳位电容改善中点钳位电路,减少设备的数量和分布不均的损失。在拓扑选择、衣架式三级电路利用nonisolation技术的许多优点以及多层次的技术。因此,它非常适合光伏发电发电场合;然而,它需要有效地抑制电路漏电流和系统效率。

通过比较上述不同的新拓扑,我们看到,提出了多电平逆变器拓扑优化的性能通过添加辅助逆变器/钳位电路,使用混合开关或不对称结构。

图6显示的拓扑混合衣架式逆变器,衣架式结构的基础上,由九MOSFET开关,即。Sa2 Sb2,星际2 ,Sa4、Sb4 Sc4。我们选择Sa1 IGBT, Sb1,那么,由于体内二极管的反向恢复能力的场效应晶体管是穷人;因此他们的行为在低频率。高频MOSFET半导体开关,即。Sa2 Sb2,星际2 ,Sa4、Sb4 Sc4,提供良好的开关特性和较低的导通电阻。此外,由于内置的低速特征场效电晶体二极管,MOSFET不能用于上桥臂。我们利用两个设备,减少谐波内容和转换器的功率损耗,提高系统的转换效率。

2.3。损失的分析,提出了拓扑

大功率逆变器工作在高电压和大电流的情况下,在打开设备所造成的各种损失较大。此外,电力电子器件的开关特性的优化产量大的传导系统的损失,尤其是对软交换技术,在电力电子器件的开关损耗降低,和源的功率损耗转化为传导损失(16]。因此,它是一个关键的一步,准确计算国家损失的发电逆变器系统的设计。阶段的数据6和7作为一个例子,我们比较二极管夹紧(图的各种损失7)和混合衣架式(图6)逆变器及其转换效率损失。我们假设并网逆变器的输出电流是一个理想的正弦波;逆变器的输出电压集成传导周期的周期t .然后,每个设备的传导损失可以表示为 在哪里每个设备的传导损耗,工作周期,代表了IGBT的导通压降,表示传导电流峰值的IGBT,角的速度。积分区间从0到π- - - - - -θ是一个直升机阶段的半导体开关Sa1基本周期。传导损失反平行的二极管的IGBT读取 在哪里的传导损失是反平行的IGBT的二极管,是调制指数,是输出功率因数角,然后呢和是反平行的二极管的导通压降常数。

当IGBT / MOSFET是关闭的,夹二极管的电流,然后读取以下夹二极管传导损失: 在哪里和是夹二极管的导通压降常数。

我们认为700 V的直流侧电压,载波频率fc 5 kHz,门1.65欧姆的电阻,输出频率等于60 Hz,统一调制率,功率因数为0.8。我们使用MELCOSIM软件来模拟损失。表1介绍了计算不同组件的损失。

在表1Sa1的功率损耗和Sa4以及Sa2 Sa3 IGBT开关是相同的。四个反平行的二极管功率量值,da1, da2, da3, da4,也是相同的。此外,钳位二极管,Da1 Da2,有同样的损失。表2列表的总体损失两个拓扑,这可能是基于组件的数量计算中包含两个拓扑。这个表还介绍了逆变器的总功率,10千瓦,每个拓扑的转换效率。

转换效率低于90%,因为更高的开关频率。我们选择的频率10 Khz MOSFET,开关频率相对较高;同时,开关损耗本身是高于在电源频率,所以转换效率低于90%。

表3显示了比较NP和衣架式三级逆变器。

2.4。SVPWM控制方法

SVPWM的理论基础是均值等效原则,也就是说,结合基本电压矢量在一个开关周期的平均值等于给定的电压矢量。在某个时刻,电压矢量旋转到某一地区,这可能是随着时间的推移,通过不同组合两个相邻的非零矢量和零矢量组成。两个矢量的作用时间反复应用在一个采样周期,以便它控制每一个电压矢量的作用时间。这个旋转电压空间向量按圆形轨迹和接近理想的流量通过实际磁通圆,由不同的逆变器的开关状态。然后,它决定了逆变器开关状态的比较,最后形成的PWM波形。

SVPWM提出降低总谐波失真(THD)与其他控制策略相比,它可以完善光伏发电系统的稳态和动态性能,同时进行。与此同时,逆变器的输出结果与SVPWM控制策略提供更好的电能质量与其他控制策略比逆变器。与三相三电平电压源逆变器SVPWM控制策略是有效的和可行的17]。SVPWM策略的详细方程的基础上,提出了拓扑如下。

在本文中,我们使用分解六边形的方法。

想法:。多级空间向量分解成多个二级空间向量的组合来实现PWM计算方法得到了极大的简化。

三级空间矢量图如图8。任何参考向量必须属于一个小三角形。这个三角形的顶点是基本电压矢量组成这个参考向量。

参考向量落入阴影图8可以分解成一个抵消向量和两级向量,如图9。

步骤

2.4.1。部门的判断

根据克拉克的变换,从abc转化为规范化的输出向量参考系可以表示为

在哪里 , , 电压在两相静止坐标系和吗 , , 电压在三相静止坐标系。

我们定义 和的值确定部门的参考向量所在地。所以之间的关系和相应的部门如表所示4。

2.4.2。基本矢量居住时间计算

我们假设位于行业我,收益率以下方程: 在哪里是采样周期; , ,和代表的基本向量的停顿时间 , ,和 ,分别。根据上面的表达式,我们可以获得以下方程:

遵循同样的原则,每个向量的停留时间,我们实现不同的部门。为了方便的解决方案,我们可以定义为(7)。的价值和在不同的领域可能会根据表5。

2.4.3。矢量开关点计算

当合成电压矢量端点介于普通六角外切圆,如图10,过调制,输出电压会发生扭曲。所以我们使用比例缩放算法控制超调变。向量停留时间,第一次出现在每个部门被定义为 ,和向量停留时间定义为后发生 。当 ,矢量端点六边形内,没有发生过调制。当 ,矢量端点超出了常规的六边形和超调变发生。输出波形的严重失真,必须采取以下措施。

假设非零向量住时间 , ,当电压矢量的端点跟踪拉回到常规的内切圆六边形,然后有一个比例关系:

因此, , , , 可以通过下面的公式:

根据上面的过程中,两个相邻的行动时间问世至今各种电压空间向量和向量在每个部门可以获得。操作关系如图11当在部门后即确定部门和相应的有效电压矢量,根据PWM调制原理,计算每个相应的比较器的价值,和操作的关系如下:

其他部门遵循相同的原则之上。

在这里, , , 表示晶体管的开关时间。和关系部门开关点及其适当的部门列在下表中6。

3所示。结果与讨论

本研究提出了一种新颖的混合衣架式逆变器拓扑基本单位组成的a和B在先前研究的基础。我们建立了一个三相三级混合衣架式光伏发电逆变器拓扑模型,如图所示12,使用MATLAB平台。考虑总会桥腿,例如,它由一个网格状的IGBT、MOSFET半桥,和两个中性点MOSFET。开关Sa1和Sa2在共同工作间歇状态,和交换机Sa3 Sa4只与高频电流零交点点附近工作。这种拓扑是相当适合光伏nonisolated AC系统应用程序。

拓扑结构的基础上,衣架式结构,改变九开关MOSFET,即。Sa2 Sb2, ,Sb4, Sc4。我们选择Sa1 IGBT, Sb1,那么;因为身体二极管的反向恢复能力的场效应晶体管差,因此他们在低频表现。高频MOSFET半导体开关,即。Sa2 Sb2,星际2 ,Sa4、Sb4 Sc4,提供良好的开关特性和较低的导通电阻。此外,由于内置的低速特征场效电晶体二极管,MOSFET不能用于上桥臂。我们利用两个设备,减少谐波内容和转换器的功率损耗,提高系统的转换效率。

关于拓扑选择、三级电路结合nonisolation和多级技术的优点,非常适合光伏发电发电。

系统仿真参数如下:直流环节电压是700 V, 50赫兹的频率,支持电容器的值读取3300佛罗里达大学,3 mH的AC-side电感,AC-side阻力是0.1Ω,切换频率10 kHz。寄生电容的值 F,小电阻连接在平行的寄生电容 欧姆。

表7显示了中性点电流时,积极的和消极的短向量和介质向量法。可以看出,积极的和消极的短期向量和中期向量将导致中性电压波动。

中性点电压是基于SVPWM控制方法。根据中、短向量的影响在中性点电压偏移和选择合适的开关状态和最合适的切换序列的中性点电压,中点电压偏移量在每个控制周期被最小化。

所以选择优秀的晶体管的顺序是非常重要的。为了解决这个问题我们贯穿所有的晶体管在每一个可能的组合和排列以下开关规则的条件。

(1)设备的开关状态在每一个桥腿是独立的。(2)任何两个相邻的开关状态切换每个桥的腿是互补的(例如,如果Sa1打开,然后Sa2必须关闭)。(3)根据互补的原则,如果任何设备的开关状态确定在同一桥腿,其他开关设备的状态的桥腿也可以证实(18]。

谐波电流对电网的影响大于谐波电压和它的大部分问题的根本原因,和中立的电压波动与谐波电流的数量成正比。因此,我们可以看到从表8,综合考虑,选择最优晶体管序列如下:Sa1-Sa3-Sa4-Sa2-Sb1-Sb3-Sb4-Sb2-Sc1-Sc3-Sc4-Sc2。

的SVPWM控制方法是通过12触发脉冲。切换序列读取Sa1-Sa3-Sa4-Sa2-Sb1-Sb3-Sb4-Sb2-Sc1-Sc3-Sc4-Sc2。

图13显示输出电压和电流谐波含量的三种类型的逆变器拓扑结构,采用SVPWM控制方法。从图13我们可以看到当前和相电压(THD(总谐波失真)的NPC逆变器是最大的,衣架式逆变器中间,该混合衣架是最小的一个。与此同时,三种逆变器电流谐波的振幅不明显;然而,电压逆变器的三种结果是大幅可比。

这两个电路的拓扑结构和控制策略是相同的,除了使用的设备。衣架式拓扑包含12个igbt,而混合衣架式拓扑由9场效应管和3 igbt。和IGBT的延迟断开时间和死亡时间超过的MOSFET。

尽管死时间的比例相对于一个开关周期通常是非常小的,死区将使三相控制系统偏离理想的数学模型。当开关频率变得更高,死区效应会逐渐积累,积累到一定程度时,它会扭曲AC-side电压波形,这将影响到输入电流的波形质量。它也将导致直流电压的波动,降低整个系统的准确性。此外,死时间会造成共模电压波形畸变,从而导致更高的谐波(19]。所以小说的THD衣架式逆变器是最低的。

从图14我们看到,提出新颖的衣架式逆变器的共模电流小于前一个衣架式逆变器拓扑。结论提出了混合衣架式逆变器的优先级与全国人大和衣架式逆变器相比。

瞬时共模电压和地面泄漏电流可以由以下方程: 在哪里 , ,和分支中点之间的脉冲电压和直流总线-终端,分别吗

从这个方程可以看出,共模电流是共模电压的变化率成正比吗 。

根据上面的解释就可以了,提出了拓扑的死时间是最短的,因为igbt的最小的数与其他两个拓扑相比,因此共模电压和电流也是最小的。

4所示。结论

我们介绍了各种新的多级光伏发电逆变器拓扑,相互比较,分类根据前人提出的基本单位。我们提出了混合衣架式逆变器拓扑结构,它是由两个最好的基本单位。这个结构充分两个设备的优势,导致降低谐波含量和转换器的功率损耗,提高系统的转换效率。通过比较新的拓扑结构,形成的新的多电平逆变器拓扑的基本组成元素增加辅助/嵌入式电路或混合开关或不对称结构优化逆变器性能。我们使用了空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法建立的仿真软件模型提出了混合衣架和人大三级变频器在MATLAB软件和互相比较。仿真结果表明,该拓扑结构提出了输出谐波低于全国人大拓扑。然后我们为这两个拓扑提供了进一步的损失分析,使用MELCOSIM软件计算不同组件的损失在每个拓扑以及总功率损失。衣架式拓扑的结果是损失显著低于全国人大拓扑,和转换效率高于全国人大拓扑。此外仿真结果表明,提出新颖的衣架式逆变器的共模电流小于前一个衣架式逆变器拓扑。提出的逆变器拓扑结构具有一定的实用性和经济来满足实际的需求。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

所有作者声明没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(赠款。51667020也没有。61364010),新疆大学的优秀博士研究生创新项目(没有。xjubscx - 2016018),新疆维吾尔自治区研究生创新项目(没有。XJGRI2017025)。