1、6.1.1 6.1.1 硬、软开关方式及开关过程器件损耗硬、软开关方式及开关过程器件损耗1硬开关方式 所谓的硬开关或硬开关转换（Hard-Switching transformation），是指开关器件在其端电压不为零时开通（硬开通），在其电流不为零时关断（硬关断），硬开通、硬关断统称为硬开关。无论是在DC/DC变换或是DC/AC变换中，电路多按PWM方式工作，器件处于重复的开通、关断过程。由于器件上的电压uT、电流iT会在开关过程中同时存在，因而会出现开关功率损耗。以图6-1a Buck变换电路为例，设开关器件VF为理想器件，关断时无漏电流，导通时无管压降，因此稳定通或断时应无损耗。图6-1
2、b为开关过程中VF上的电压、电流及损耗p的波形，设负载电流io=Io恒定。第第6 6章章 光伏逆变器相关技术光伏逆变器相关技术图6-1 Buck直流变换电路硬开关过程中的电压、电流损耗p的波形a)Buck变换电路 b)硬开关过程中的波形2软开关方式开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。理想软开关波形如图6-3a所示，器件开通时，器件两端电压uT首先下降为零，然后施加驱动信号ug，器件的电流iT才开始上升；器件关断时，通过某种控制方式使器件中电流iT下降为零后，撤除驱动信号ug，电压uT才开始上升。实际软开关波形如图6-3b所示，器件
3、开通时，对开关管施加驱动信号，电流上升的开通过程中，电压不大且迅速下降为零。器件关断时，撤除驱动信号，电流下降的关断过程中，电压不大且上升很缓慢。实现软开关的具体措施是在开关电路中增设小值电感、电容等储能元件，在开关过程前、后引入谐振，确保在电压或电流谐振过零时刻实现开通和关断。如在降压型零电压开关准谐振电路中（见图6-4），增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感Lf、电容Cf相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关管VF增加了反并联二极管VD1，而硬开关电路中不需要这个二极管。在该电路中，由于开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重
4、叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。图6-3 软开关特性a)零电压开通，零电流判断波形 b)软开通，软判断波形图图6 6-4 Buck-4 Buck直流变换电路的软开关直流变换电路的软开关电路电路6.1.2 6.1.2 软开关电路的分类软开关电路的分类器件导通前两端电压就已为零的开通方式称为零电压器件导通前两端电压就已为零的开通方式称为零电压开通，器件关断前流过的电流就已为零的关断方式为零开通，器件关断前流过的电流就已为零的关断方式为零电流关断，这都是靠电路开关过程前后引入谐振来实现电流关断，这都是靠电路开关过程前后引入
5、谐振来实现的。一般无需具体区分开通或关断过程，称为零电压开的。一般无需具体区分开通或关断过程，称为零电压开关（关（ZVSZVS）和零电流开关（）和零电流开关（ZCSZCS）。根据电路中主要开关）。根据电路中主要开关器件是零电压开通还是零电流关断，首先可将软开关电器件是零电压开通还是零电流关断，首先可将软开关电路划分为零电压电路和零电流电路两大类；其次按软开路划分为零电压电路和零电流电路两大类；其次按软开关技术发展的历程和谐振机理可将软开关电路分成准谐关技术发展的历程和谐振机理可将软开关电路分成准谐振电路、零开关振电路、零开关PWMPWM电路和零转换电路和零转换PWMPWM电路。电路。1准谐振转
6、换器2零开关PWM电路3零转换PWM电路6.1.3 6.1.3 典型的软开关电路典型的软开关电路1零电压开关准谐振电路（ZVSQRC）以以DC/DCDC/DC降压变换电路为例的零电压开关准谐振电路原理降压变换电路为例的零电压开关准谐振电路原理图如图图如图6 6-8a-8a所示，开关管所示，开关管VFVF与谐振电容与谐振电容C Cr r并联，谐振电感并联，谐振电感L Lr r与与VFVF串联，假设电感串联，假设电感L Lf f和电容和电容C Cf f很大，可以等效为电流源和很大，可以等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。开关电路的工作过程是按开电压源，并忽略电路中的损耗。开关电路的工作过程是
7、按开关周期重复的，在分析时可以选择开关周期中任意时刻为分关周期重复的，在分析时可以选择开关周期中任意时刻为分析的起点，选择合适的起点，可以使分析得到简化。析的起点，选择合适的起点，可以使分析得到简化。假定假定t t000，VFVF处于通态，处于通态，i iT T=i iL L=I Io o，u uT T=u ucrcr=0=0，续流，续流二极管二极管VDVD截止。在截止。在t t=0=0时撤除时撤除VFVF的驱动信号的驱动信号u ug g，把一个开关，把一个开关周期周期T Ts s中的通、断过程可分为中的通、断过程可分为7 7个开关状态，其电压、电流个开关状态，其电压、电流波形如图波形如图6
8、6-8b-8b所示。所示。图图6 6-8 -8 零电压开通准谐零电压开通准谐振变换电路工作过程振变换电路工作过程a)a)电路电路 b)b)电压、电流波形电压、电流波形2零电流开关准谐振电路（ZCSQRC）以DC/DC降压变换电路为例的零电流开关准谐振电路如图6-11a所示，电路中Cf足够大，在一个开关周期Ts中输出负载电流Io和输出电压Uo都恒定不变。如果滤波电感Lf足够大，则Ts中If=Io恒定不变。假定t0时，ug=0，VF处于断态，VD续流。iT=iL=0，ID=If=Io，uT=Ud，=0，续流二极管VD截止，在t=0时VF施加的驱动信号ug，把一个开关周期Ts中的通、断过程可分为5个
9、开关状态，其电压、电流波形如图6-11be所示。图6-11 零电流开关准谐振电路工作过程3零电压转换PWM电路（ZVS PWM）零电压转换PWM电路是在 ZVS QRC电路的谐振电感Lr上并联一个辅助开关管VD2和VF2组成的，如图6-12所示。图6-12 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形a)电路图 b)波形图4零电流转换PWM电路（ZCS PWM）ZCS PWMZCS PWM变换电路是在变换电路是在 ZCS QRCZCS QRC电路的谐振电容电路的谐振电容C Cr r上并上并联一个辅助开关管联一个辅助开关管VFVF2 2和其并联的和其并联的VDVD2 2组成的，如图组成的，如图6
10、6-13-13所示。所示。图图6 6-13 Buck-13 Buck零电流转换零电流转换PWMPWM电路的电路的原理图和主要电量波形图原理图和主要电量波形图a)a)电路图电路图 b)b)主要波形图主要波形图5谐振直流环在光伏逆变器中的变换电路中多存在在光伏逆变器中的变换电路中多存在中间直流环节，中间直流环节，DC/ACDC/AC逆变电路中的功逆变电路中的功率器件都将在恒定直流电压下以硬开关率器件都将在恒定直流电压下以硬开关方式工作，如图方式工作，如图6 6-14-14a a所示，导致器件所示，导致器件开关损耗大、开关频率提不高，相应输开关损耗大、开关频率提不高，相应输出特性受到限制。如果在直流
11、环节中引出特性受到限制。如果在直流环节中引入谐振，使直流母线电压高频振荡，出入谐振，使直流母线电压高频振荡，出现电压过零时刻，如图现电压过零时刻，如图6 6-14-14b b所示，就所示，就为逆变电路功率器件提供了实现软开关为逆变电路功率器件提供了实现软开关的条件，这就是谐振直流环节电路的基的条件，这就是谐振直流环节电路的基本思想。本思想。图6-15为用于电压型逆变器的谐振直流环原理电路及其等效电路。原理电路中，Lr、Cr为谐振电感、电容；谐振开关器件VF保证逆变器中所有开关工作在零电压开通方式。实际电路中，VF的开关动作可用逆变器中开关器件的开通与关断来代替，无需专门开关。图6-15 谐振直
12、流环电路a)原理电路 b)等效电路由于谐振周期相对于逆变器开关周期短得多，故在谐振过程分析中可以认为逆变器的开关状态不变。此外电压源逆变器负载多为感应电动机，感应电动机电流变化缓慢，分析中可认为负载电流恒定为，故可导出图6-15b的等效电路，其中VF的作用用开关S表示。谐振直流环的工作过程可用图6-16所示波形来说明。图6-16 谐振直流环工作波形图6.2.1 6.2.1 逆变器并联运行控制模式逆变器并联运行控制模式1集中控制方式2主从控制方式3分布式并联控制4无互连线独立控制方式6.2 6.2 逆变器并联运行技术逆变器并联运行技术6.2.2 6.2.2 逆变器并联运行条件逆变器并联运行条件
13、由于PWM逆变器并联系统不具有自同步能力，所以为确保PWM逆变器并联运行的稳定与可靠，系统中的各个逆变器必须满足一定的条件。下面以两台逆变器并联为例，分析逆变器并联所需的条件，其等效电路如图6-21所示。其中、表示两个逆变器的桥臂中点输出电压向量；L1、L2和C1、C2分别是两个逆变器的滤波电感和滤波电容；RL是两个逆变器的公共负载。图6-21 两逆变器并联运行等效电路6.2.3 6.2.3 逆变器并联均流控制方法逆变器并联均流控制方法1有功、无功控制2电压和频率下垂控制3瞬时调制控制技术6.2.4 6.2.4 逆变器并联的环流分析与抑制逆变器并联的环流分析与抑制1逆变模块工作于逆变状态分析对
14、于逆变模块并联时工作于逆变状态，其主电路的工作状态对于逆变模块并联时工作于逆变状态，其主电路的工作状态可分别由图可分别由图6 6-23-23、图、图6 6-24-24、图、图6 6-25-25的各个状态图进行说明。的各个状态图进行说明。图图6-236-23、图、图6 6-24-24、图、图6 6-25-25中的工作状态图是对正半周母线电中的工作状态图是对正半周母线电压（这里指逆变模块并联后输出的交流电压，以下同）进行描压（这里指逆变模块并联后输出的交流电压，以下同）进行描述的，对于负半周交流电压，也可作相同分析。述的，对于负半周交流电压，也可作相同分析。图图6 6-23-23表示表示VFVF1
15、 1、VFVF4 4导通，直流侧能量馈入母线电压，电流导通，直流侧能量馈入母线电压，电流I IL L以图中箭头所示的方向增加。以图中箭头所示的方向增加。图图6 6-24-24表示，表示，VFVF1 1、VFVF3 3导通，直流侧能量对电容导通，直流侧能量对电容C C进行充电，进行充电，电感电感L L储存能量通过储存能量通过VF1VF1及及VD3VD3组成回路与母线电压进行能量交组成回路与母线电压进行能量交换。换。如电流IL的绝对值减小，表示主电路工作于逆变状态，电感IL储能减小；反之，则表示主电路工作于可控整流状态，电感IL储能增加。图6-23 主电路工作状态1图6-24 主电路工作状态2图图
16、6 6-25 -25 主电路工作状态主电路工作状态3 32主功率管驱动波形分析3环流分量的抑制6.2.5 6.2.5 逆变器并联的同步控制逆变器并联的同步控制逆变系统中，为抑制模块间环流的影响，模块实现功率均分，必须保证电压、相位和频率的一致性。保证各逆变模块的输出电压的相位及频率的一致性，实现同步控制，这是控制系统实现并联控制关键的前提条件。并联逆变系统输出电压的同步原理如图6-26所示。在并联控制器中设置一个公共同步基准信号，各并联逆变器均能接受该同步信号，并使输出电压跟踪该信号，从而达到各逆变器输出电压同步的目的。输出电压跟踪同步信号锁相环电路完成。由于晶振的振荡频率精度很高，并具有良好
17、的稳定性，因此可认为不同逆变器的输出电压频率近似相等，同步的主要任务是使与的相位一致。6.3.1 6.3.1 移相多重叠加法移相多重叠加法由信号分析理论可知，一个方波信号如图6-27所示，其数学表达式可表示为式（6-6），从式中可看出包含基波分量和奇次谐波分量。而谐波分量特6.3 6.3 逆变器的多重叠加技术逆变器的多重叠加技术图6-27 方波信号6.3.2 6.3.2 多重叠加法的基本原理多重叠加法的基本原理若将N个单相方波逆变器的输出变压器次级，按照图6-28所示的方式串联起来，就组成了单相串联多重叠加式逆变器，如果N个单相方波逆变器用的都是桥式逆变电路，则此单相串联多重叠加式逆变器既能改
18、善输出电压波形，又能调节输出电压。图6-28 单相串联多重叠加式逆变器图6-29 单台桥式逆变器及其波形图a)电路图 b)输出电压波形图6-30 逆变器输出电压的谐波特性图6-31 两个单相桥式逆变器的串联叠加a)电路图 b)叠加波形图6.3.4 6.3.4 三个单相桥式逆变器的串联叠加三个单相桥式逆变器的串联叠加图6-32 三个单相桥式逆变器的串联叠加电路及波形图a)电路 b)向量图 c)叠加波形图多电平逆变器作为一种新型的高压大功率逆变器从电路拓扑入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服两电平电路的诸多缺点：无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低，因而开关器件应力小、系统效率高、对电网污
19、染少等。目前应用成熟的有主要有二极管钳位型、电容钳位型和独立直流源级联型 3 种拓扑，电平也从三电平、五电平发展到了更多电平，这 3 种结构具有共同的优点：电平数越高，输出电压谐波含量越低；器件开关频率低，开关损耗小；器件应力小，无需动态均压。下面以二极管钳位型来讨论。6.4 6.4 逆变器的多电平变换技术逆变器的多电平变换技术6.4.1 6.4.1 二极管钳位型三电平变换二极管钳位型三电平变换图6-33 二极管钳位型三电平逆变器 6.4.2 6.4.2 飞跨电容型多电平逆变器飞跨电容型多电平逆变器图6-35 飞跨电容型三电平逆变器6.4.3 6.4.3 级联型多电平逆变级联型多电平逆变器器1级联型多电平逆变器拓扑2H桥级联型逆变器工作机理1阶梯波调制策略6.4.4 6.4.4 多电平调制策略的研究现状多电平调制策略的研究现状图6-39 五电平阶梯波输出波形2 2开关点预置开关点预置PWMPWM调制策略调制策略3空间矢量PWM调制策略
