光伏逆变器技术外文翻译资料

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光伏逆变器技术

摘要

为了实现与碳足迹无关的可持续和清洁能源，对可再生能源的需求不断增长。 光伏能源（PVE）是一种重要的可再生资源，本文论述了目前关于PVE系统和技术的研究， 综述了各种PV电源转换器/逆变器技术的拓扑结构，并讨论

了它们的优缺点。

关键词： 太阳能，转换器，逆变器，光伏（PV）系统，能量转换。

1.引言

太阳能技术产生的功率在过去的二十年中持续增长，截至2013年，全球总产能为138GW [1]。太阳能采用两种方式发电，第一种热处理，它是将太阳照射的热能收集并集中起来作为加热水的热能，产生的蒸汽用于驱动涡轮发电。第二种方法是这次研究的主要对象，涉及到光伏（PV）电池，这些电池通常放置在大面板上的阵列中，太阳能电池板有最佳排列的位置，以便接收最大的日照量。电池硅或其他半导体材料经过电子激发过程使太阳能转化成电能，然后将其储存起来，或者供给离网负载或电网 [2-3]。

本文思路如下：第二部分描述了两个主要的光伏系统结构，第三部分讨论了光伏集成拓扑结构，第四部分总结了光伏集成拓扑结构的研究和发展方向。第六部分是总结段落。

2.光伏系统分类

根据应用情况，光伏系统由多个相互连接的组件组成。它旨在完成从为小型便携式设备供电到为更大规模电源提高电量等特定任务。 光伏系统的用来产生交流或直流波形，并有一定的储能能力。

光伏系统有配置和分类的要求， 市场上常见的光伏系统有两种主要类型，离网型和并网型[4]。

2.1离网光伏系统

当无法连接到电网时，首先要考虑离网系统。 例如使用电子产品和位处远离电网的时候。 这些应用仅由太阳能电池产生功率来支持它们的运行，如图2.1所示[5]。太阳能储存是一个独立的系统，允许当能量短缺时可以满足低功率需求，并且可以在高峰需求时或太阳辐射不存在时提供能量。 具有存储的离网系统通常用于无法接入电网的区域[5]。

图2.1 离网系统

第三个独立光伏系统是混合系统。 混合系统允许光伏系统和其他形式的电力系统之间互联[6]。

2.2并网光伏系统

光伏并网发电系统通过电力转换器与有或没有存储电池的电网连接。 光伏系统必须与电网的电压，频率和相位同步。 这些系统的大小各不相同，从屋顶安装的小型光伏系统到光伏发电站[7,8]。

并网系统的主要优点是，当光伏系统不能提供电力时，可以从互联的电网中获取电力。 光伏系统有助于提高电网电压和整体可靠性。 相关技术人员正在开发一种与当前电网集成的成本低且可靠的光伏系统[7]

3.光伏系统逆变器

逆变器使用开关将直流波形并转换为正弦波形。 主要有两种类型的逆变器，双级逆变器和多级逆变器。

3.1双级逆变器

双级逆变器是经典的逆变器设计。 一个单相双级逆变器的例子如图3.1所示。功能机制取决于开关的状态， 开关状态使输出端有两个不同的电压电平，这样可以实现双级逆变器的单相和三相结构[9]。

3.2多级逆变器

多级逆变器与双级逆变器相比，多级逆变器具有明显优势，尤其是在用于中等功率和高功率时，这是因为多级逆变器能够合成更高的输出电压， 与双级逆变器产生的方波相比，这种逆变器的输出是阶梯函数， 因此，输出波形中的失真较少且谐波含量显著降低。 最常用的多级逆变器拓扑结构是二极管钳位，飞跨电容器和级联逆变器，如图3.2所示。三种多级逆变器拓扑结构的操作和结构规范详见[10-12]。

图3.1双级逆变器

图3.2多级逆变器：a）二极管钳位型逆变器的单相支路。 b）三级飞跨电容逆变器的单相支路。 c）五级串级逆变器的单相支路。

4.光伏整体拓扑

拓扑结构根据阶段的数量和系统配置进行分类[13-15]。 这里讨论隔离和处理级的数量。

4.1处理级数量

通常，使用的拓扑有一个或两个处理级。 在确定光伏系统的复杂性和成本方面，处理级的数量非常重要。 单级是最理想的拓扑，因为该结构有其优点。 然而，在实施过程中可能会出现一些问题，并且可能会失去一些优势。 多级逆变器可以接受多种电压输入，但是多级逆变器通常更加昂贵，结构更复杂，并且效率相对较低[13]。

4.2 隔离

光伏系统逆变器的隔离通常使用一个变压器来实现，该变压器可以安装在电网频率侧（低频 - LF）或源频率侧（高频 - HF）。使用高频变压器会使尺寸更紧凑，但变压器在设计时需要特别注意，以减少潜在损失[16,17]。

最新的解决方案是使用脉冲宽度调制DC-AC逆变器，它的IGBT的开关频率达到10和20 kHz，这有助于产生高质量的输出波形和器件性能[3]。

在无变压器的情况下，将电网连接到直流侧会因为电容接地而泄漏更多的电流。这些电流反过来会增加传导和辐射的电磁辐射，并会增加注入公用电网的电流谐波以及功率损耗。泄露的电流幅度和频谱取决于转换器的拓扑结构、开关策略以及由接地电容、逆变器、滤波器和公用电网本身的阻抗产生的谐振电路[16]。

4.3高级拓扑

功率转换器技术的进步使它们更高效和便宜，并且可以轻松实现电网集成。 以下将讨论基于光伏系统集成的各种拓扑结构。

4.3.1拓扑结构1

该拓扑结构包括一个直流 - 直流升压转换器和一个七级逆变器，如图4.1所示[17]。 C1和C2是七级逆变器的独立输入电压源。 它们由S1和S2控制以确定放电路径，它们由[17]给出，

(1)

(2)

其中Vs是太阳能电池阵列输出电压，D是开关S1的占空比。S3和S4将dc-dc转换器的两个输出电压转换为三个电平。 H-桥每半个周期改变负电压极性，并在输出端产生七电平电压。 在任何时候，仅有其中一个开关在脉宽调制频率下切换，以产生适当的输出电压。 当Vc1=，Vc2 =时，拓扑电路输出电压如表4.1所示。

图4.1拓扑结构1

表4.1

拓扑结构1的开关状态

4.3.2拓扑结构2

图4.2显示了九级逆变器。 它包括两个由直流电源和快速电容供电的级联全桥（CFB）。 通过控制两个来源之间的比例可以产生不同的输出水平集[18]。 这种类型使用了两套开关。 S1，S2，S5和S6是IGBT，而S3，S4，S7和S8是MOSFET。 表4.2列出了Vcf lt;0.5VDC时产生的不同输出电压区域。 这些区域得产生取决于两个源之间的比率，开关的状态以及正在充电或放电的Ccf的状态。当Vcf = Vdc时，产生九个等间隔的输出区域。根据输出电压，将选择适当的区域来控制飞跨电容器的电压。 M1，M2和S9减少电流浪涌。 此外，这些开关有助于保持PV寄生电容两端的电压不变, 并消除接地漏电现象。

图4.2拓扑结构2

表4.2

拓扑结构2的开关状态

4.3.3拓扑结构3

该拓扑结构使用带有混合变压器的直流 - 直流转换器[19]。 如图4.3所示，通过在开关电容Cr上增加一个小谐振电感Lr，脉宽调制（PWM）和谐振功率转换被用于这种拓扑。这样，电感和电容能量同时传输到高压直流总线增加了输送的功率。 表4.3显示了一个开关周期的五个不同阶段。 升压转换比率由下式给出。

（3）

其中n是变压器的匝数比，D是开关S1的占空比。 与其他传统升压转换器[20]相比，这种拓扑将n项引入升压转换。 谐振电流的传输能量可以通过谐振贡献kr来测量，由[19]给出，

（4）

Vin是输入电压，Vo是输出电压。 当输入电压增加时，谐振指数增加。 这将减少传导和开关损耗

图4.3拓扑结构3

表4.3

拓扑结构3的五个不同阶段

4.3.4拓扑结构4

图4.4显示了带有电池[21]的准Z源逆变器（q-ZSI）。电池与C1并联，与[22]中的拓扑不同，电池与C2并联。 在这种拓扑结构中，可以同时控

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