buck-boost同步整流电路在光伏并网逆变器中的应用

同步整流技术在光伏并网逆变器中的应用 西安工程大学自动化及电力电子研究室 电气工程12班徐宁博 光伏发电的背景及意义光伏并网逆变器的主电路拓扑同步整流技术在光伏并网逆变器中的应用相关电路设计分析 主要内容 西安工程大学自动化及电力电子研究室 1 15 一 光伏发电的背景及意义 随着传统不可再生能源的日益消耗 人类面临着一次次的能源危机 同时传统能源的利用带来了雾霾 酸雨 温室效应等严重的环境污染问题 这迫使全世界都开始关注开发绿色能源的发展进程 近年来 太阳能 风能 水能 氢能 海洋能 生物能等新兴能源不断兴起 且随着太阳能光伏电池板原材料单晶硅成本的下降以及各国政府对光伏产业的激励措施 太阳能光伏发电产业逐渐在诸多新能源中脱颖而出 光伏这个新兴的朝阳产业面临着前所未有的机遇和挑战 西安工程大学自动化及电力电子研究室 2 15 可按并网电压的相数单相并网逆变器拓扑 三相并网逆变器拓扑 可根据能量传输的级数 分为单级式并网逆变器拓扑 两级式并网逆变器拓扑和多级式并网逆变器拓扑 可按照是否起到电气隔离作用 分为非隔离型和隔离型 其中隔离型按隔离变压器的类型又分为高频隔离型和工频隔离型 西安工程大学自动化及电力电子研究室 3 15 二 光伏并网逆变器的主电路拓扑 西安工程大学自动化及电力电子研究室 4 15 非隔离型并网逆变器拓扑结构如1所示 这种逆变器结构简单 成本低廉 由于除去了隔离变压器 所以其转换效率较高 但是非隔离型并网逆变器存在一些问题 例如存在漏电流图1非隔离型工频隔离型并网逆变器结构如图2所示 在逆变器与电网之间放置了工频变压器 这样的结构可以有效地阻止逆变器输出电流中的直流分量注入到电网当中 可以减小对电网的污染并提高系统的安全性 但是工频变压器存在体积大 效率低 成本高等问题 图2工频隔离型 西安工程大学自动化及电力电子研究室 5 15 高频隔离型并网逆变器常见的结构有两种 一种是变压器放置在DC AC变换器内 如图3所示 另一种是变压器放置在DC DC变换器内 如图4所示 以上两种方式均能实现高频电气隔离 且高频变压器体积小 重量轻 功率密度高 有利于装置的小型化 但是由于电路变换级数多 结构复杂 系统损耗增加 图3图4 西安工程大学自动化及电力电子研究室 6 15 在一般的光伏电站中 通常采用的是集中型并网系统或者是组串型并网系统 传统集中型光伏并网系统是将成百上千个光伏组件串并联后 经过一个公共逆变器接入电网 其结构如图5所示 这种结构只用到一个逆变器 系统的成本较低 但是只能采用集中型MPPT 损耗较大 当逆变器出现故障 会损失所有光伏组件产生的能量 系统可靠性低 图5 西安工程大学自动化及电力电子研究室 7 15 为了解决这个问题 组串型并网系统应运而生 其结构如图6所示 组串型并网系统是将光伏组件串联后 给每一路串联后的光伏组件分别安装逆变器 然后将各个逆变器的输出接入电网 当系统中的光伏组件出现问题 只是其所在的串联支路停止工作 不会对其他支路产生影响 这种结构设计灵活 可单独设计MPPT 使得系统损耗减小 但是此结构仍存在问题 逆变器数量增加 成本上升 且当某个逆变器出现故障 损失该路所有光伏组件产生的能量 系统可靠性同样不高 图6 光伏并网逆变系统 同步整流BUCK BOOSTDC DC变换电路 动态调节DC DC变换器的导通时间Ton 匹配光伏电池和DC DC变换器的等效阻抗 实现光伏电池的MPPT 西安工程大学自动化及电力电子研究室 8 15 二 同步整流技术在光伏并网逆变器中的应用 由于光伏组件的输出电压相对于电网电压幅值较低 前级DC DC需要将直流电压提高一个等级 而且在实际工作时因为天气原因 部分光伏板可能会受遮挡 所以前级DC DC变换器采用可升降压的Buck Boost变换器 电路原理图如图7所示 图7buck boost电路 BUCK BOOST工作两种状态 开关管开通时的等效电路 开关管关断时的等效电路 9 15 西安工程大学自动化及电力电子研究室 同步整流 Buck Boost变换器输出的电压较低 电流较大 整流二极管T2i的通态损耗尤为显著 即使使用低压降的肖特基二极管也有0 6V的压降 为解决整流二极管T2i的通态损耗较大的问题 利用低导通电阻的MOSFET 通常只有几个毫欧 产生几个毫伏的压降 来代替整流二极管T2i实现整流 即同步整流技术 图8同步整流的BUCK BOOST电路 由光伏并网逆变器入网认证标准可知 其转换效率必须大于96 由于后级采用工频逆变 所以后级逆变桥的开关损耗很小 所以整体方案的损耗主要集中在前级的DC DC变换器中 10 15 西安工程大学自动化及电力电子研究室 同步整流技术的核心问题是同步整流驱动电路设计 同步整流管提前开通或者延迟关断都会导致短路 而延迟开通或者提前关断会使体二极管导通时间过长 增大整流损耗 所以 同步整流驱动信号的同步其本质是驱动信号与流过寄生二极管的电流信号的同步 栅极驱动信号的精确与否成为了同步整流驱动电路的关键问题 继而同步整流技术对驱动电路提出了如下基本要求 驱动电压幅值要稳定驱动电路本身损耗要小驱动电路的可移植性要好 同步整流驱动电路的分类 自驱动型 外驱动型 外驱动型驱动信号很好 但是驱动电路复杂 成本较高 因此较少采用 电压自驱动型 电流自驱动型 11 15 西安工程大学自动化及电力电子研究室 电压驱动型同步整流 通常采用输出滤波电感的电压或变压器副边绕组的输出端电压信号 经过处理后驱动MOS管 有时通过增加辅助绕组来产生驱动信号 同步整流管的驱动电压波形受输入电压范围影响较大 而且主电路拓扑不同需要的驱动方式也会有差异 驱动电路不具普适性 电流自驱动型同步整流 是在整流支路串联一个电流互感器 当有电流流过同步整流管的体二极管时 电流互感器的副边感应电流给同步整流管栅源电容充电 使得同步整流管开通 电流降低为零或反向时 同步整流管关断