史麗萍，張建偉，閻同東，樊麗麗，張文勝

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院電力系統(tǒng)專業(yè)，江蘇徐州 221008）

電能是一種極其寶貴的商品，許多市場(chǎng)研究表明，電能的需求正在按指數(shù)級(jí)不斷地增長(zhǎng)。然而，由于電能的有限以及日益高漲的石油價(jià)格，一個(gè)以降低電能消耗和促進(jìn)替代能源研究為目標(biāo)的時(shí)代即將到來。因此，迫切需要在所有的工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用中不斷地提高效率。由于傳統(tǒng)能源日益枯竭和人們對(duì)環(huán)境的重視，電力系統(tǒng)正面臨著巨大變革。太陽能發(fā)電以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是技術(shù)含量高、最有發(fā)展前途的技術(shù)之一。

光伏發(fā)電系統(tǒng)初期投入和成本都比較高，因而探索高性能、低造價(jià)的新型光伏轉(zhuǎn)換材料是其主要的研究方向之一。另外，進(jìn)一步減少光伏發(fā)電系統(tǒng)的自身損耗、提高運(yùn)行效率，也是降低發(fā)電成本的一個(gè)重要途徑。短期提高太陽電池板的轉(zhuǎn)換效率非常困難，成本也很高，但是提高逆變器的效率并非難事，而且相對(duì)經(jīng)濟(jì)。故對(duì)更高效的逆變器進(jìn)行投資是必然的選擇，以最具成本效益地提高逆變器效率為關(guān)鍵設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

目前并網(wǎng)型系統(tǒng)的研究主要集中于DC/DC和DC/AC兩級(jí)能量裝換的結(jié)構(gòu)，其中DC/AC是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。隨著開關(guān)頻率的不斷提高，消耗在開關(guān)上的能量越來越多。能耗包括穩(wěn)態(tài)損耗和暫態(tài)損耗，其中暫態(tài)損耗占主要成分，也稱開關(guān)損耗。一般指開關(guān)能耗即指暫態(tài)損耗，即開關(guān)損耗。通過設(shè)計(jì)合理的DC/AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以提高轉(zhuǎn)換效率，提高系統(tǒng)的可靠性。

本文針對(duì)小戶型并網(wǎng)系統(tǒng)，介紹了幾種典型的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最后提出一種利用諧振軟開關(guān)技術(shù)的逆變器（DC/AC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以減少高頻下開關(guān)損耗，提高逆變器的逆變效率。

1 并網(wǎng)逆變器典型結(jié)構(gòu)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，它關(guān)系著逆變器的效率和成本。分布式發(fā)電系統(tǒng)所使用的并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求成本低、效率高，而且能承受直流電壓波動(dòng)大、整體直流電壓很低的實(shí)際情況。另外，逆變器的輸出也要滿足較高的質(zhì)量，比如THD很小、功率因數(shù)為1、與電網(wǎng)電壓同頻同相等。

光伏并網(wǎng)逆變器一般采用電壓源電流控制型。電流源型直流側(cè)需要串聯(lián)一大電感提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，但由于此大電感往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，市電系統(tǒng)可視為容量無窮大的定值交流電壓源。如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則實(shí)際上就是一個(gè)電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，在這種情況下要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，就必須采用鎖相控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)與市電同步，在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可通過調(diào)整逆變器輸出電壓的大小及相移以控制系統(tǒng)的有功輸出與無功輸出。但由于鎖相回路的響應(yīng)較慢、逆變器輸出電壓值不易精確控制，可能出現(xiàn)環(huán)流等問題。綜合以上所述原因，光伏并網(wǎng)逆變器一般都采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式。圖1為電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

對(duì)小功率（＜5 kW）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，一般采用單相全橋逆變器。半橋逆變器結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但輸出交流電壓的幅值僅為直流側(cè)電壓的一半，直流電壓利用率低，開關(guān)承受的電流值變大，而且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián)，工作時(shí)還需要兩個(gè)電容器電壓的均衡。雖然全橋控制復(fù)雜，但由于使用DSP作控制芯片，所以控制部分大大簡(jiǎn)化。

并網(wǎng)逆變器主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有工頻變壓器形式主電路、高頻變壓器形式主電路和無變壓器形式主電路。工頻變壓器形式質(zhì)量大，尺寸大，在大功率并網(wǎng)系統(tǒng)中用的居多。高頻變壓器形式輸入輸出絕緣、體積小，質(zhì)量輕，但是電路分為高頻逆變和工頻逆變，系統(tǒng)比較復(fù)雜,且成本高。無變壓器形式電路，不采用變壓器進(jìn)行輸入輸出絕緣，只要采取適當(dāng)措施，同樣可以保證主電路和控制電路的運(yùn)行安全，體積最小、質(zhì)量最輕，而且效率最高，成本也較低。主電路包括升壓部分和高頻逆變部分，適應(yīng)輸入直流電壓范圍寬，有利于和光伏電池進(jìn)行匹配。近年來，并網(wǎng)逆變器不斷向無變壓器非隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)展。圖2為光伏發(fā)電逆變器主電路。

由于無變壓器形式主電路沒有變壓器對(duì)輸入和輸出絕緣，因此逆變器的輸入光伏電池的正負(fù)極不能直接接地，輸出的單相三線制中性點(diǎn)接地，而光伏電池面積大，對(duì)地等效電容存在（正極等效電容和負(fù)極等效電容），電容將在工作中出現(xiàn)放電電流。其中低頻部分，有可能使供電電路中的漏電開關(guān)誤動(dòng)作而造成停電。其中高頻部分將通過配線對(duì)其它用電設(shè)備造成電磁干擾，而影響其它用電設(shè)備正常工作。對(duì)這種對(duì)地電容電流，必須在主電路加電感與電容組成的濾波器進(jìn)行抑制，特別是抑制高頻部分。而工頻部分，可以通過控制逆變器開關(guān)方式來消除。

2 ZVT-PWM并網(wǎng)逆變器及工作模式

ZVT-PWM并網(wǎng)逆變器將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到并網(wǎng)逆變器，是指諧振網(wǎng)絡(luò)與主功率開關(guān)相并聯(lián)，并使主功率開關(guān)在零電壓下完成開關(guān)過程的PWM變換器，稱為零電壓轉(zhuǎn)換ZVT-PWM變換器。

光伏逆變器面臨著體積更小，質(zhì)量更輕，效率更高，可靠性更高等諸多要求。要達(dá)到上述要求，逆變電源必須實(shí)現(xiàn)工作頻率由低頻向高頻的轉(zhuǎn)變。眾所周知，在硬開關(guān)方式下，不斷提高逆變電源的工作頻率會(huì)引起以下問題：

（1）開關(guān)損耗大；

（2）感性關(guān)斷電壓尖峰大；

（3）容性開通電流尖峰大；

（4）電磁干擾嚴(yán)重。

利用軟開關(guān)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)零電壓開通和零電流關(guān)斷使開關(guān)損耗近似為零。器件結(jié)電容上的電壓亦近似為零，解決了容性開通問題。同時(shí)，開通時(shí)，二極管反向恢復(fù)已經(jīng)結(jié)束，因此二極管反向恢復(fù)問題亦不存在，d i/d t和d u/d t的降低使得EMI問題得以解決。

使用軟開關(guān)可以省去濾波器件，這樣可以使體積和質(zhì)量減小。但是傳統(tǒng)的軟開關(guān)技術(shù)是在常規(guī)的PWM硬開關(guān)電路的基礎(chǔ)上加上輔助諧振電路。與常規(guī)硬件開關(guān)電路相比，他們毫不例外地增加了電路中開關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力，使電路中的導(dǎo)通損耗明顯增加，從而部分地抵消了降低開關(guān)損耗的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，輔助諧振電路中的電感和電容由于應(yīng)力造成體積增大，也部分抵消了功率變壓器和濾波元件體積質(zhì)量的減小。另外，傳統(tǒng)軟開關(guān)電路基本上都是把諧振元件放在電路的主功率通路上，這就不可避免的產(chǎn)生如下問題：首先諧振電感要承受兩方面的電壓，給電路的開關(guān)器件增加了額外的電壓應(yīng)力；其次，由于諧振電感位于主功率通路上，全部能量幾乎都要通過諧振電感，這就使得電感儲(chǔ)能極大地依賴于電壓和輸出負(fù)載，電路很難在一個(gè)很寬的輸入電壓和輸出負(fù)載變化的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)動(dòng)作。

所以本文采用零電壓轉(zhuǎn)換變換電路，變換電路旨在解決上述軟開關(guān)電路中的諸多問題，它的主要特點(diǎn)是把輔助諧振網(wǎng)絡(luò)從主功率通路中移開，變?yōu)榕c主功率開關(guān)器件并聯(lián)。在主功率開關(guān)器件變換的很短一段時(shí)間間隔內(nèi)，導(dǎo)通輔助開關(guān)管使輔助諧振網(wǎng)絡(luò)起作用，為主功率開關(guān)器件創(chuàng)造零電壓或零電流的開關(guān)條件。轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，電路又返回到常規(guī)的PWM工作方式。由于輔助諧振網(wǎng)絡(luò)與主功率開關(guān)器件并聯(lián)，因而使主開關(guān)器件軟開關(guān)工作時(shí)，并沒有增加過高的電壓或電流應(yīng)力；同時(shí)，輔助諧振網(wǎng)絡(luò)并不需要處理很大的環(huán)流能量，因而減小了電路的導(dǎo)通損耗。另外，諧振網(wǎng)絡(luò)所處的位置使其可以不受輸入電壓或輸出負(fù)載的影響，電路可以在很寬的輸入電壓和輸出負(fù)載變化范圍內(nèi)在軟開關(guān)條件下工作。圖3為ZVT-PWM逆變器。

ZVT-PWM逆變器的工作模式如下，共分為7個(gè)模式：

模式1：（t0—t1）t1時(shí)刻主開關(guān)S1和S4處于導(dǎo)通狀態(tài)，S2和S3和輔助開關(guān)Sf關(guān)閉狀態(tài)。電流經(jīng)S1和S4流經(jīng)電網(wǎng)。打開輔助開關(guān)Sf，換流電感L1和L2充電，ILr逐漸增大，到t1時(shí)刻達(dá)到最大值I0。由于d i/d t被換流電感的抑制作用，所以Sf屬于零電流開通。

模式 2：（t1—t2）t1時(shí)刻關(guān)閉主開關(guān) S4。L1、L2和緩沖電容C3、C4發(fā)生諧振，對(duì)C4進(jìn)行充電，C3對(duì)電感放電，t2時(shí)刻C4兩端電壓為Us。由于C4對(duì)d u/d t的抑制作用，所以S4關(guān)斷屬于零電壓關(guān)斷。

模式 3：（t2—t3）當(dāng) Uc4＞Us，此時(shí)續(xù)流二極管 VD3導(dǎo)通，開始續(xù)流，C3兩端電壓被鉗于零。t3時(shí)刻將S3打開，由于C3兩端電壓為零，所以為零電壓開通。

模式4：（t3—t4）電流經(jīng) S1和 VD3進(jìn)行續(xù)流。t4時(shí)刻關(guān)斷主開關(guān)S1。與前邊分析一樣屬于零電壓關(guān)斷。

模式 5：（t4—t5）L1、L2和緩沖電容 C1、C2發(fā)生諧振，C1充電，C2放電。t5時(shí)刻C1兩端電壓增為Us。

模式 6：（t5—t6）當(dāng) Uc1＞Us，動(dòng)作模式與模式 3 相同。S2以零電壓方式開通。

模式7：（t7—t8）電流經(jīng)S3和 VD2續(xù)流，關(guān)斷輔助開關(guān)Sf，此時(shí)電感電流很小，可認(rèn)為Sf為零電流關(guān)斷，電流反向，經(jīng)S3和S2流經(jīng)電網(wǎng)。

輔助諧振電路只工作在逆變橋開關(guān)的切換瞬間，而開關(guān)周期的其余時(shí)間維持PWM調(diào)制的特點(diǎn)。輔助開關(guān)的工作過程一定要和PWM控制同步。

ZVT-PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主功率器件通常選用MOSFET或IGBT。它們的寄生電容能夠成為諧振網(wǎng)絡(luò)的一部分。所以這種電路可以工作在很高的諧振頻率下，除了主功率開關(guān)切換過度的瞬間，這種電路的工作過程和傳統(tǒng)意義上的PWM電路完全類似。

顯然，諧振電感L1、L2和逆變橋上電容之間的諧振是有源開關(guān)獲得零電壓切換的必備條件。由于所有的有源器件ZVT開關(guān)過程都處于PWM操作過程當(dāng)中，所以相對(duì)于傳統(tǒng)的PWM電路，這種拓?fù)潆娐分械拈_關(guān)順序就顯得比較復(fù)雜。但是采用DSP作為控制器件，使控制部分變得簡(jiǎn)單。

3 開關(guān)選擇

功率開關(guān)的兩個(gè)選擇是MOSFET和IGBT。一般而言，MOSFET比IGBT可以工作在更高的開關(guān)頻率下。此外，還必須始終考慮體二極管的影響，在升壓級(jí)的情況下并沒有什么問題，因?yàn)檎９ぷ髂Ｊ较麦w二極管不導(dǎo)通。MOSFET的導(dǎo)通損耗可根據(jù)導(dǎo)通阻抗RDS（ON）來計(jì)算，對(duì)于給定的MOSFET系列，這與有效裸片面積成比例關(guān)系。當(dāng)額定電壓從600 V變化到1 200 V時(shí)，MOSFET的傳導(dǎo)損耗會(huì)大大增加，因此，即使額定RDS（ON）相當(dāng)，1 200 V的MOSFET也不可用或是價(jià)格太高。

對(duì)于額定600 V的升壓開關(guān)，可采用MOSFET。對(duì)高頻開關(guān)應(yīng)用，這種技術(shù)具有最佳的導(dǎo)通損耗。目前市面上有采用TO-220封裝、RDS（ON）值低于100mΩ的MOSFET和采用TO-247封裝、RDS（ON）值低于50mΩ的MOSFET。

對(duì)于需要1 200 V功率開關(guān)的并網(wǎng)逆變器，IGBT是適當(dāng)?shù)倪x擇。較先進(jìn)的IGBT技術(shù)，都針對(duì)降低導(dǎo)通損耗做了優(yōu)化，但代價(jià)是較高的開關(guān)損耗，這使得它們不太適合于高頻下的升壓應(yīng)用。本文針對(duì)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般電壓不會(huì)超過600 V，所以采用MOSFET管。

4 結(jié)論

無論從經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還是從環(huán)境角度來考慮，研究光伏發(fā)電技術(shù)均具有重大現(xiàn)實(shí)意義，而且近年來已得到了飛速的發(fā)展。本文從提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的角度，針對(duì)其主要部件——逆變器的相關(guān)研究發(fā)展進(jìn)行了論述，分析了屋頂光伏發(fā)電的幾種典型并網(wǎng)逆變器。

本文提出了一種應(yīng)用軟開關(guān)的并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析了其工作的過程。通過諧振可以實(shí)現(xiàn)主功率開關(guān)的零電壓開通和關(guān)斷，而且輔助開關(guān)和二極管都是零電流開通和關(guān)斷，大大減小了開關(guān)損耗。輔助諧振網(wǎng)絡(luò)與主功率開關(guān)器件并聯(lián)，可以消除電壓尖峰和浪涌電流，極大地降低了器件的開關(guān)應(yīng)力并大大提高了并網(wǎng)系統(tǒng)的效率和可靠性。

[1]林忠岳.現(xiàn)代電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2007.

[2]趙為.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

[3]王飛.單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的分析和研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

[4]劉飛，段善旭，徐鵬威，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)若干技術(shù)問題的研究[J].太陽能，2006(5):34-37.

[5]許春雨,陳國(guó)忠.ZVT軟開關(guān)三相PWM逆變器控制策略研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004（11）:19-14.

[6]阮新波,嚴(yán)仰光.采用輔助諧波網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的移相控制全橋變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),1998(4):13-2.

[7]王艷,謝志遠(yuǎn),聶恩旺.分布式發(fā)電及其并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國(guó)電力教育,2006（S1）：204-207.

[8]WU Tsai-fu,LIANG Shi-han,CHEN Yu-kai.A structural approach to synthesizing soft switching PWMconverters[J].IEEE,2003，18（1）：38-43.