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技术资料

剖析并联谐振的高频隔离型并网正弦波逆变电源的工作原理和谐振特性

针对DC-DC变换型高频隔离型正弦波逆变电源中开关损耗大、电压尖峰大、稳定性差的问题,提出由并联谐振与传统DC-DC变换型正弦波逆变电源相结合的新型正弦波逆变电源电路拓扑。
 
该正弦波逆变电源可以实现高频功率器件的零电压开通、体二极管和整流二极管的软关断,从而消除功率器件的开关尖峰,减小正弦波逆变电源的损耗。详细介绍电路的工作过程和各开关器件软开关原理,同时建立电路的谐振等效模型,以及谐振参数对增益和软开关的影响关系,给出谐振参数的设计原则。为了消除由于加入死区而引入的低次谐波,在控制系统中添加了死区补偿,以提高逆变电流质量。最后制作实验样机,经过实验验证电路拓扑和控制策略的正确性。
 
太阳能作为清洁的可再生能源受到越来越多的关注,并网正弦波逆变电源作为太阳能和电网之间重要的转换部件,其性能不仅影响着这个光伏系统的使用寿命,同时对整个系统能否能安全、稳定、高效的运行起着至关重要的作用[1,2]。应用于不同的功率等级,并网正弦波逆变电源可选择不同的电路拓扑,拓扑的性能对整个系统的效率、可靠性及成本有重要影响[3]。
 
根据拓扑结构,应用于中小功率的正弦波逆变电源根据有无变压器可分为隔离型和非隔离型。非隔离型正弦波逆变电源具有体积小、成本低的优点,但是光伏组件和电网之间共模漏电流以及安全等问题一直影响着非隔离型正弦波逆变电源的广泛使用[4],因此带隔离变压器的并网正弦波逆变电源是目前常用的结构。
 
变压器不但起到电压匹配的作用,电气隔离更提高了系统的安全性。但是变压器的加入也带来一些问题,变压器使整个系统的体积和成本增加,变压器中的损耗使整个系统效率降低,与非隔离型正弦波逆变电源相比,效率降低2%以上。
 
由Bedford首先提出高频链逆变技术的概念,使隔离型正弦波逆变电源的体积大大减小,功率密度提高[5]。但是效率低的问题仍然存在,运行在高频状态下整个系统损耗更大,变压器的寄生参数谐振引起开关电压尖峰和电磁兼容问题,系统稳定性降低。
 
不少文献介绍谐振式DC-DC变换器实现功率开关器件的软开关,降低开关损耗。文献[6]提出的方案电路简单,能实现软开关,但需要附加额外的谐振网络。文献[7]对比了非谐振式和谐振式DC-DC变换器的特点,提出的带隔离的LC谐振式DC-DC变换器,通过采用移相控制实现功率器件零电压开通,提高了系统效率。
 
文献[8]详细分析了LCC谐振变换器的电路特性,并给出了谐振参数的设计原则。但是,上述文献提出的谐振变换器仅用于直流恒压输出,仍需要后级连接逆变桥完成逆变并网。
 
本文把高频链型正弦波逆变电源和谐振变换器相结合,采用并联谐振变换器的电路拓扑和高频链型正弦波逆变电源控制思想,提出一种基于LC谐振的高频链型正弦波逆变电源,给出谐振元件参数设计方法,可实现高频功率器件的软开关并提高效率。
 
图1 高频隔离型光伏并网正弦波逆变电源主电路拓扑
剖析并联谐振的高频隔离型并网正弦波逆变电源的工作原理和谐振特性
 
结论 
本文提出了一种基于并联谐振的高频隔离型并网正弦波逆变电源,详细分析了谐振电路的工作原理、谐振特性、参数设计原则和系统的控制策略。 
谐振单元吸收了变压器的寄生参数,减小了变压器的损耗,消除了漏感引起的电压尖峰问题;实现了高频功率器件的零电压开通和体二极管的软回复阻断,变压器二次侧整流二极管软关断,降低了系统损耗,相比传统的隔离型正弦波逆变电源,进一步提高了系统效率。 
样机的实验结果充分表明系统中软开关情况符合理论分析的结果,额定功率下并网波形质量高,谐波含量为3.5%,额定功率下效率可达93.4%。
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