新型雙向并網逆變器，解決傳統H橋逆變器存在的問題

時間：2020/5/25  點擊數：1846

天津大學電氣自動化與信息工程學院、國網天津市電力公司經濟技術研究院、國網天津客服中心的研究人員王議鋒、崔玉璐、馬小勇、孟準、冀睿琳，在2019年第21期《電工技術學報》上撰文，提出一種交錯并聯型雙向并網逆變器。實驗結果表明20%至滿載范圍內逆變器效率均高于98%。



隨著環境污染與資源短缺等問題的日益加重，針對分布式發電領域的相關研究受到廣泛關注。其中，接口電路是分布式發電系統的重要部分，是系統各部分之間能量變換的樞紐。為了分布式發電系統的大范圍推廣，實現高比例分布式發電并網，緩解能源危機給社會造成的問題，分布式發電的接口電路一般要求具有體積小、效率高、可靠性強和能量可雙向流動的特點。因此，針對上述特點的接口電路拓撲研究已經成為熱點。

目前，傳統的接口電路拓撲主要基于橋式電路，通過控制橋臂開關管實現電網與可再生能源發電系統間的能量流動。橋式電路憑借其可靠性高，控制策略簡單易行的優勢，得到了廣泛應用。但是，橋式電路存在橋臂直通的問題，需要設計死區時間，不可避免地引入低次諧波，從而造成波形畸變，增大濾波器的體積與成本，無法實現變換器的高效率、高功率密度。

為解決上述問題，有學者提出采用兩組相同的Buck電路結構組成逆變器，該逆變器具有Buck電路結構簡單、易于控制且無橋臂直通的優點。有學者提出采用兩組相同的Boost電路結構組成整流器，利用交錯并聯技術成功地降低了輸出電流紋波與開關管電流應力。同時，減小濾波器體積，提高功率密度。有學者提出采用兩組相同的Buck-Boost電路組成逆變器，實現了變換器的升壓/降壓變換，避免了橋臂直通問題，提高了開關頻率，降低了濾波器體積。

但上述三類變換器均是在單向變換的基礎上進行研究，未實現能量的雙向流動，且都未對濾波器參數的選取進行詳細的分析討論。

在接口電路濾波器方面，有學者在整流電路基礎上，采用LC濾波器，濾除網側電流諧波，降低波形畸變率；有學者在逆變器基礎上，采用LCL三階濾波器，在同等濾波條件下，相較于LC濾波器，LCL濾波器具有更好的濾波效果，且對電感量的要求更小，有益于減小濾波器的體積，提高了功率密度。

但上述文獻僅基于單向變換對濾波器進行設計，難以直接應用于雙向變換器電路拓撲。在雙向電路拓撲中，濾波器的設計需要同時滿足整流、逆變兩種電路模式下的性能要求，受到多個條件限制，使濾波器的設計變得更加復雜。所以針對雙向拓撲中濾波器的研究尚需完善。

因此，天津大學電氣自動化與信息工程學院、國網天津市電力公司經濟技術研究院、國網天津客服中心的研究人員，基于雙Buck電路拓撲，引入交錯并聯技術，采用4個完全相同的Buck電路，衍生出一種新型交錯并聯雙Buck全橋型雙向變換器。新型變換器具有輸出電流紋波小、開關管的電流應力低與能量雙向流動的優勢。

此外，新型變換器濾波器的設計綜合考慮整流、逆變兩種電路模式下的性能要求，兼顧濾波器性能、成本與功率密度。并在此基礎上，對變換器的損耗進行理論分析計算，獲得兩種模式下的損耗分布。最后，基于一臺5kW的實驗樣機對理論分析進行驗證。


5kW實驗樣機

研究者進行了濾波器參數設計，實現了電感量最小化與良好的濾波效果。樣機功率密度約達22W/in3，具有較高的功率密度，且滿載時輸出電流THD為3.37%，20次以上諧波幾乎被濾除。

經損耗分析可知，整流模式下的開關管損耗占比低于逆變模式，逆變模式下的電感損耗占比低于整流模式，由于開關管損耗占比較小，逆變模式下變換效率相對整流模式較高。

在逆變模式下，輸入功率為2.6kW時效率最高為98.80%，滿載時效率為98.09%；整流模式下，輸入功率2.7kW時效率最高為98.61%，滿載時效率為98.01%，實現了全負載范圍的高效率雙向電能變換。