实验分析单相无变压器光伏逆变器的最优效率

j . Nishi¹,m . Roshini¹g·k . Gowri¹和k Immanuvel Arokia詹姆斯²

UG学者,EEE称,韦尔科技Multitech工程学院,印度钦奈
助理教授,IEEE, EEE的部门,或者科技Multitech工程学院,印度钦奈

文摘

分析了一种新的变压器,单相光伏逆变器拓扑生成没有共模电压,呈现出一种效率高。短时间光伏系统包括一个线路变压器在能量转化阶段,电隔离电网和光伏系统,从而提供个人防护。此外,它强烈降低了泄漏电流。但效率在很大程度上是由于功率损耗和降低线路变压器很大,沉重的和昂贵的。在这篇文章中,一个新的拓扑结构,基于h桥新的交流旁路电路组成的二极管整流器和直流中点钳位,一个开关。拓扑模拟和实验验证,比较与其他现有的拓扑。高转换效率和低泄漏电流。

关键字

光伏逆变器、h桥HERIC拓扑

介绍

光伏逆变器越来越广泛的个人和商业圈内。这些发电逆变器转换可用直流光伏电池板和饲料提供的公用电网。根据安装光伏发电的最新报告,2007年期间,总共有2.25千瓦的光伏系统安装,其中绝大多数(90%)已经安装在德国,西班牙,美国和日本。在2007年底,总光伏装机容量达到7.9千瓦约92%的电网连接。有两个主要的拓扑组织用于短时间的情况下光伏系统,即在没有电隔离。可以在直流端电隔离的形式高频电源变压器或电网方面的形式大笨重的ac变压器。这两种解决方案提供的安全性和利用电隔离,但整个系统的效率却降低了由于电力损失这些额外的组件。变压器是省略掉,整个光伏系统的效率可以增加一个额外的1% - -2%。最重要的优势种新型光伏系统更高效率和更小的尺寸和重量相比,电隔离的光伏系统(直流或交流侧)。种新型光伏逆变器使用不同的解决方案来减少地面泄漏电流,提高整个系统的效率,这个问题在许多论文曾被治疗。 In order to minimize the ground leakage current through the parasitic capacitance of the PV array, several techniques have been used.

种新型光伏系统的共模电流

当没有使用变压器,之间的电连接电网和光伏阵列的地面存在。因此出现共模谐振电路,组成的光伏模块和地面之间的寄生电容,直流和交流滤波器元素和电网阻抗(图1)。不同模电压可以激发共振电路并生成一个共模电流。由于大的表面光伏发电机,其杂散电容对地面达到价值甚至高于200 nF /成为朝鲜劳动党在潮湿环境或雨天。这些高值可以生成地面电流振幅远高于允许的水平,比如有关标准。电流可以引起严重的进行和辐射电磁干扰、扭曲的网格系统中当前的和额外的损失。这些泄漏电流是可以避免的,或者至少是有限的,由包括阻尼谐振电路的无源元件。显然,额外损失将出现在阻尼元素,从而减少转换阶段的效率。使用转换拓扑与一个常数共模电压是另一个选择。瞬时全桥逆变器的共模电压Vcm图1可以计算两中点电压的腿,农村村民和VBO

为了减少地面泄漏电流通过光伏阵列的寄生电容,一些技术已经被使用。

其中一个是直流环节的中点电容连接到中性的网格,网格状,中性点夹(人大),或三相全桥拓扑分裂电容,从而不断夹紧了光伏阵列的中性连接器公用电网。网格状和人大类型的转换器有很高的效率,在97%以上,如所示。此外,提出的拓扑减少直流电流注入,这是一个重要的问题在种新型拓扑结构的情况下,不同的标准是有限的。直流电流的non-injection网格拓扑保证通过添加第二个电容分压器的网格的接线柱连接。介绍了一个额外的控制回路补偿任何直流电流注入,通过控制电压两电容分规相等。网格状的缺点和人大类型的转换器,为单相电网连接,他们需要一个700 v直流环节。

另一个解决方案是断开光伏阵列的网格,在h桥逆变器(HB),当零向量应用于负载(网格)。这个断开可以对逆变器的直流侧和H5拓扑从太阳能技术或在交流方面高效和可靠的逆变器拓扑概念HERIC)从三维力控。

在本文中,一个名为HB问世的新拓扑状态整流器(HB-ZVR)提出了直流环节的中点夹到逆变器只有在零状态期间通过一个二极管整流器和一个开关。在第二部分中,比较知道HB-ZVR是种新型拓扑和使用模拟执行,关注地球和地面泄漏电流的电压。在第三部分,实验结果显示,证实模拟。第四部分介绍了拓扑相比效率曲线。

种新型拓扑分析

如上讨论之前),一个拓扑结构所产生的共模电压和调制策略可以极大地影响地面泄漏电流流经光伏阵列的寄生电容。一般来说,公用电网不影响模系统的行为,因此可以得出结论,生成的共模电压的逆变器拓扑结构和调制策略可以显示使用一个简单的电阻负载。因此,在模拟的情况下,只使用一个电阻负载和直流+终端之间的共模电压测量的直流源和接地电阻的中间点,如图2所示。使用垫在下面,模拟结果与我们实验室,仿真软件工具箱。仿真步长是0.1μs, 8 khz频率切换。

仿真参数:

Fsw = 8 kHz频率切换所有情况下除了单极开关频率的脉冲宽度调制(PWM)已经被选为焊= 4 kHz,所以逆变器的输出电压频率相同的情况下。

答:半桥拓扑与单极开关

大多数单相HB逆变器使用单极开关为了提高注入电流逆变器的质量,这是通过调节输出电压有三个水平与开关频率的两倍。此外,这种类型的调制可以减少压力逆变器输出滤波器,减少损失。积极活跃的向量应用到打开S1和S4的负载,如图3所示。

消极积极向量是类似的,但在这种情况下,S2和S3是打开。如图3所示,问世至今状态是通过逆变器的短路输出的情况下单极开关模式。这种情况下的波形是详细的在图4中,可以看到,输出电压有三个级别:

0 + V, V−由于单极开关模式。如图6所示,在一种新型光伏系统使用这种类型的拓扑结构和调制的高频共模电压,测量在CG−PV,将导致一个非常高的地面泄漏电流,使它不安全,因此不使用无变压器的光伏应用程序(推荐)。

b . HERIC拓扑

这种拓扑中,图5所示,结合三级的优点的单极调制输出电压降低共模电压,如双极调制的情况下。这种方式,逆变器的效率增加,不影响它的整个系统的行为。问世至今状态实现使用一个双向开关显示灰色背景的微型计算机体积很小。这个双向开关由两个绝缘栅双极晶体管(igbt)和两个二极管(S5和S6)。在负载(网格)的正半波电压,S6开启和使用S1和S4的随心所欲的时期。另一方面,在负半波,S5打开和使用随心所欲的期间S2和S3。这种方式,利用S5或S6如图6所示,问世至今状态实现了逆变器的输出短路,在这期间,PV和电网分离,因为S1-S4或S2-S3关掉。

如图7所示,输出电压和负载电流的纹波很小,尽管如此,在这种情况下,电流的频率等于切换频率。

如Fig.8所示,逆变器生成没有共模电压;因此,通过寄生电容的漏电流的PV会非常小。

图5所示。HERIC拓扑:活跃的向量应用到负载,使用S1和S4在正半波。

c .提出的拓扑(HB-ZVR)

生成另一个解决方案问世至今状态可以通过使用一个双向开关由一个IGBT和一个二极管桥。拓扑是详细的在图9中,显示双向开关作为辅助组件与一个灰色背景。这种双向开关夹直流环节电容中点的为了解决光伏阵列的潜力也在问世至今向量S1-S4和S2-S3开放。一个额外的二极管用于保护从较低的直流环节电容短路。在正半波,S1和S4是用于生成活动状态,提供一个正电压的负载,如图9所示。问世至今状态是通过打开S5 S1和S4关闭时,如图10所示。S5门信号将S1和S4的互补信号门,小死时间,以避免短路输入电容。通过使用S5,电网电流有可能在两个方向;这种方式,逆变器还可以满足电网无功功率,如果必要的。

在负载电压的负半波,S2和S3是用来生成使用互补的主动控制向量和S5 S2和S3的信号并生成零电压状态,通过短路输出的逆变器和夹紧直流环节的中点。

死时间期间,活动状态和零状态,有随心所欲的电流时短时间内找到它的路径通过反并联二极管的输入电容,而所有的开关都关闭。这是图11所示,导致更高的损失,HERIC拓扑相比,在随心所欲的电流通过双向开关,发现它的路径通过S5或S6,这取决于当前的迹象。

如图10所示,逆变器的输出电压有三个水平,考虑到随心所欲的一部分在死亡时间。在这种情况下,负载电流纹波很小和频率等于切换频率。表明这个拓扑不生成一个不同的共模电压、Vcm已经计算了关于积极的开关状态,0,和消极的向量

详细的(1)-(4),共模电压常数转换器的开关状态。因此,通过寄生电容的漏电流的PV会非常小,如图15所示。

实验结果

比较不同的逆变器的行为,所有三个拓扑已经测试使用相同的组件。PM75DSA120智能功率模块的最大评级1200 V和75三菱igbt和DSEP 30-06BR最高评级的600 V和30的二极管ixy已经使用的二极管桥提出拓扑。

图12所示的基于模块化设置可以测试不同的拓扑结构,即全桥双或单极调制,HERIC拓扑,提出HB-ZVR,使用相同的组件。

答:网格与单极开关

HB与单极开关逆变器的主要优点是输出电压有三个水平和输出电压的频率的双开关频率,从而提高逆变器的效率,减小输出滤波器的大小。然而,这种拓扑的主要缺点是高频共模电压,这使得它不适合用于种新型光伏系统。

如图3所示,单相PWM策略中使用HB拓扑的情况下生成一个高频共模电压,测量直流+终端之间的直流环节和地面。这种共模电压非常高的振幅在直流和开关频率。此外,低频分量上测量电压,这是由100 hz单相功率变化引起的。这不同的共模电压产生一个非常高的地面泄漏电流有限的光伏阵列的寄生电容。

b . HERIC(实验)

II-B在仿真结果(部分),HERIC拓扑生成一个共模电压恒定,通过断开负载的光伏(网格)在零的状态向量,当逆变器的输出短路。这种分离确保寄生电容的共模电压作用于不改变光伏阵列,因此将漏电电流保持在非常低的值,远低于300毫安的标准要求,通过vde - 0126 - 1 - 1,短时间的德国标准光伏系统。

c . HB-ZVR(实验)

正如II-C节中提到的,HB-ZVR拓扑生成问世至今HERIC拓扑向量以类似的方式,但使用另一个双向开关配置的解决方案。当然,它的行为的拓扑结构是相似的,一样的HERIC拓扑。如图13所示,输出电压似乎变化从光伏阵列获得不同的源电压值。

效率

在单相电网连接的情况下,所需的最小直流环节逆变器的输入电压,在欧洲的情况下,必须至少350 V;否则,需要提高阶段。测试已经完成了Vdc = 350 V的输入电压。

HERIC拓扑,还建议通过它的名称,有非常高的转换效率在整个工作范围内,有最好的效率相比,拓扑结构,如表我也详细的图16所示。HB-ZVR拓扑效率略低,由于双向开关与开关频率控制,而在HERIC拓扑的情况下,双向开关只是开关与电源频率。最大效率为94.88%,是种新型光伏系统的一个非常有吸引力的解决方案。HB-Bipolar拓扑效率最低,由于他们的高损失的二级电压输出。

仿真波形

输出电压和电流,当太阳能电压= 300

结论

这非变压器的逆变器提供了更好的效率,逆变器相比,电隔离。另一方面,省略的变压器,逆变器拓扑的共模生成的行为极大地影响地面泄漏电流通过PV的寄生电容。双PWM生成一个共模电压不变,但转换器的效率很低,由于两个输出电压水平。

通过使用单相PWM调制,转换器的输出会有三个层次,但在这种情况下,生成的共模电压会有高频分量,这将导致非常高的地面泄漏电流。在本文中,我们验证了非变压器拓扑和给定一个双向开关的替代解决方案,用于生成问世。HB-ZVR的恒模电压拓扑及其高效使其无变压器光伏应用的一个有吸引力的解决方案。

确认

作者想表达自己的感激之情的巨大支持的科技、印度为赞助的拳头项目(SR /置/ College-189/2013)。和作者想表达自己的感激之情AICTE巨大的支持,印度为赞助MODROBS项目(Ref: 12 / AICTE / RIFD /国防部(Policy-3rd) / Pvt - 129/2012-13)。

引用

“光伏应用趋势:选定能源机构国家的检验报告在1992年到2007年之间,”IEA,巴黎,法国,众议员IEA-PVPS T1 - T17, 2008。
j·m·卡拉斯科l . g . Franquelo j . t . Bialasiewicz e·加尔文,r·c·p·Guisado m·A . m .屁股j . i莱昂和n . Moreno-Alfonso”Powerelectronic网格系统集成可再生能源:一项调查显示,“IEEE反式。印第安纳州。电子。,vol. 53, no. 4, pp. 1002– 1016, Jul. 2008.
“光子国际光伏》杂志,2007年4月。
r·冈萨雷斯·j·洛佩兹、p .桑吉和l . Marroyo“种新型单相光伏系统逆变器,IEEE反式。电力电子。,22卷,不。2,页693 - 697,2007年3月。
b . Sahan A·n·n . Henze A .断和p .撒迦利亚,“singlestage PV模块集成转换器基于低功耗电流源逆变器,“IEEE反式。印第安纳州。电子。,vol. 55, no. 7, pp. 2602 2609, Jul. 2008.
m·加莱j . Myrzik t·斯普纳诉Agelidis“单相电网连接光伏系统逆变器”,第33 IEEE电力电子专家会议,4卷,pp.1995 - 2000, 2002。
奥斯卡洛佩兹,Fransisco d . Freijedo Alejandro g .耶佩斯Pablo Fernandez-Comesana,哈诺Malvar, Remus Teodorescu,耶稣Doval-Gandoy”消除地面电流在一种新型光伏应用”,IEEE能量转换,25卷,1号,第147 - 140页,2010年。
r·冈萨雷斯·e·Gubia、j·洛佩兹和l . Marroyo“种新型单相Multilevel-Based光伏逆变器”,IEEE工业电子、55卷,第2702 - 2694页,2008年。
r·冈萨雷斯·j·洛佩兹、p .桑吉和l . Marroyo“种新型单相光伏系统逆变器”,IEEE电力电子,22卷,第697 - 693页,2007年。
t·克雷克斯、r . Teodorescu和博,“种新型光伏逆变器连接到电网”,《亚太经合组织,1733 - 1737年,2007页。