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新型双向并网逆变器,解决传统H桥逆变器存在的问题

时间:2020-5-25  点击数:79

天津大学电气自动化与信息工程学院、国网天津市电力公司经济技术研究院、国网天津客服中心的研究人员王议锋、崔玉璐、马小勇、孟准、冀睿琳,在2019年第21期《电工技术学报》上撰文,提出一种交错并联型双向并网逆变器。实验结果表明20%至满载范围内逆变器效率均高于98%。



随着环境污染与资源短缺等问题的日益加重,针对分布式发电领域的相关研究受到广泛关注。其中,接口电路是分布式发电系统的重要部分,是系统各部分之间能量变换的枢纽。为了分布式发电系统的大范围推广,实现高比例分布式发电并网,缓解能源危机给社会造成的问题,分布式发电的接口电路一般要求具有体积小、效率高、可靠性强和能量可双向流动的特点。因此,针对上述特点的接口电路拓扑研究已经成为热点。

目前,传统的接口电路拓扑主要基于桥式电路,通过控制桥臂开关管实现电网与可再生能源发电系统间的能量流动。桥式电路凭借其可靠性高,控制策略简单易行的优势,得到了广泛应用。但是,桥式电路存在桥臂直通的问题,需要设计死区时间,不可避免地引入低次谐波,从而造成波形畸变,增大滤波器的体积与成本,无法实现变换器的高效率、高功率密度。

为解决上述问题,有学者提出采用两组相同的Buck电路结构组成逆变器,该逆变器具有Buck电路结构简单、易于控制且无桥臂直通的优点。有学者提出采用两组相同的Boost电路结构组成整流器,利用交错并联技术成功地降低了输出电流纹波与开关管电流应力。同时,减小滤波器体积,提高功率密度。有学者提出采用两组相同的Buck-Boost电路组成逆变器,实现了变换器的升压/降压变换,避免了桥臂直通问题,提高了开关频率,降低了滤波器体积。

但上述三类变换器均是在单向变换的基础上进行研究,未实现能量的双向流动,且都未对滤波器参数的选取进行详细的分析讨论。

在接口电路滤波器方面,有学者在整流电路基础上,采用LC滤波器,滤除网侧电流谐波,降低波形畸变率;有学者在逆变器基础上,采用LCL三阶滤波器,在同等滤波条件下,相较于LC滤波器,LCL滤波器具有更好的滤波效果,且对电感量的要求更小,有益于减小滤波器的体积,提高了功率密度。

但上述文献仅基于单向变换对滤波器进行设计,难以直接应用于双向变换器电路拓扑。在双向电路拓扑中,滤波器的设计需要同时满足整流、逆变两种电路模式下的性能要求,受到多个条件限制,使滤波器的设计变得更加复杂。所以针对双向拓扑中滤波器的研究尚需完善。

因此,天津大学电气自动化与信息工程学院、国网天津市电力公司经济技术研究院、国网天津客服中心的研究人员,基于双Buck电路拓扑,引入交错并联技术,采用4个完全相同的Buck电路,衍生出一种新型交错并联双Buck全桥型双向变换器。新型变换器具有输出电流纹波小、开关管的电流应力低与能量双向流动的优势。

此外,新型变换器滤波器的设计综合考虑整流、逆变两种电路模式下的性能要求,兼顾滤波器性能、成本与功率密度。并在此基础上,对变换器的损耗进行理论分析计算,获得两种模式下的损耗分布。最后,基于一台5kW的实验样机对理论分析进行验证。


5kW实验样机

研究者进行了滤波器参数设计,实现了电感量最小化与良好的滤波效果。样机功率密度约达22W/in3,具有较高的功率密度,且满载时输出电流THD为3.37%,20次以上谐波几乎被滤除。

经损耗分析可知,整流模式下的开关管损耗占比低于逆变模式,逆变模式下的电感损耗占比低于整流模式,由于开关管损耗占比较小,逆变模式下变换效率相对整流模式较高。

在逆变模式下,输入功率为2.6kW时效率最高为98.80%,满载时效率为98.09%;整流模式下,输入功率2.7kW时效率最高为98.61%,满载时效率为98.01%,实现了全负载范围的高效率双向电能变换。

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