2012年--外文翻譯--高效非變壓光電能量轉(zhuǎn)換器（譯文）

1、<p>　　中文4137字,2980單詞，15800英文字符</p><p>　　出處：Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), 2012 International Symposium on. IEEE, 2012: 93-98</p><p>　　高效非變壓光電能量轉(zhuǎn)換器<

2、;/p><p>　　M. C. Poliseno, R. A. Mastromauro, M. Liserre, A. Dell’Aquila</p><p>　　摘要：無(wú)變壓器的光電（PV）逆變器與通過(guò)一個(gè)提供電流隔離的變壓器連接到電網(wǎng)的逆變器相比具有更高的效率。然而，如果變壓器被省略，所產(chǎn)生的共模電壓通過(guò)光伏陣列的寄生電容極大地影響到地面的泄漏電流。因此，應(yīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)兩個(gè)功率級(jí)和轉(zhuǎn)換器的調(diào)制

3、策略，旨在避免泄漏電流，同時(shí)保證由國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求的高效率和無(wú)功功率處理能力。在本文中，對(duì)三單相無(wú)變壓器的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：高效可靠的逆變器概念轉(zhuǎn)換器（HERIC），最近出版的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于將降壓轉(zhuǎn)換器和最近修改的專(zhuān)利中性點(diǎn)鉗位變流器（NPC）在MOSFET的優(yōu)化使用結(jié)合在一起。模擬結(jié)果可用于顯示：電流波形，無(wú)功功率處理能力，效率和產(chǎn)生的共模電壓。</p><p>　　索引詞：光電無(wú)變壓器轉(zhuǎn)換器，效率，泄漏電

4、流，共模電壓</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　可再生能源，特別是光電（PV）起源由于其特定的價(jià)格在近年來(lái)發(fā)展迅速。</p><p>　　全橋（FB）逆變器被PV的光伏并網(wǎng)應(yīng)用廣泛采用，但隨著對(duì)提高效率和降低制造成本需求導(dǎo)致了新的創(chuàng)新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生[1]。正如指出，增加效率的主要方法是淘汰變壓器。在這種情況下，由于沒(méi)有

5、電流隔離導(dǎo)致泄漏電流，這是由PV面板產(chǎn)生的與地面的電容耦合。因此，無(wú)變壓器的結(jié)構(gòu)需要更復(fù)雜的解決方案，通常產(chǎn)生新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以保持在控制范圍內(nèi)泄露電流和DC電流的注入，以符合安全問(wèn)題。本文的目的是比較分析一些新的PV無(wú)變壓器的轉(zhuǎn)換器的效果。在第二部分中描述三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們的泄漏電流，接地電壓，效率和無(wú)功功率處理容量的模擬結(jié)果在第三部分描述。</p><p>　　無(wú)變壓器的光電轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p>

6、<p>　　在下面描述三種變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：第一種在生產(chǎn)光伏逆變器中效果最好，其他兩種是最近剛發(fā)表或注冊(cè)專(zhuān)利的新興拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　HERIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</b></p><p>　　所謂的“高效可靠的逆變器概念”（HERIC），由Sunways的商業(yè)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直接源于全橋轉(zhuǎn)換器，在其中一個(gè)旁路支路由兩個(gè)緊接的IGBTs電網(wǎng)頻率的操作

7、裝置被添加在AC側(cè)。HERIC的電路圖如圖一所示，Cin是直流連接電容器，Lfi和Lfg分別在轉(zhuǎn)換器和輸電網(wǎng)處的輸出濾波電感器，Cf濾波電容器。旁路分支有兩個(gè)重要功能：將光伏陣列與輸電網(wǎng)解耦連（用AC解耦連的方法），避免高頻電壓組分通過(guò)，避免濾波電感器與Cin在零電壓狀態(tài)時(shí)的無(wú)功功率轉(zhuǎn)換，從而提高效率[2]。</p><p>　　轉(zhuǎn)化器如下操作（見(jiàn)表I）：在正半周期S +過(guò)程中保持連接，而S1和S4在開(kāi)關(guān)頻率時(shí)整

8、流以便產(chǎn)生活動(dòng)向量和零矢量。當(dāng)活動(dòng)向量出現(xiàn)時(shí)（S1和S4打開(kāi)），電流由PV面板流向輸電網(wǎng)，相反，產(chǎn)生零向量時(shí)，S1和S4閉合，電流流向S+和D-這就是單向狀態(tài)。另一方面，當(dāng)產(chǎn)生負(fù)電流時(shí)，S+閉合，S-打開(kāi)，但是S3和S2在切換頻率時(shí)整流。這就意味著當(dāng)S3和S2打開(kāi)時(shí)，出現(xiàn)活動(dòng)向量，因此，電流由PV面板流向負(fù)載。當(dāng)S3和S2閉合時(shí)，在負(fù)載中出現(xiàn)零電壓，電流流過(guò)S-和D+。</p><p>　　當(dāng)提到經(jīng)典的全橋轉(zhuǎn)換器

9、，HERIC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了單極輸出電壓與整流的具有相同的頻率。而且，在光伏陣列的直流電終端沒(méi)有大的波動(dòng)，因此，泄漏電流是極小的。</p><p>　　在表I中列出的調(diào)整狀態(tài)不提供無(wú)功功率的處理能力，因?yàn)檫@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由S +的雙向開(kāi)關(guān)和S-不被控制，以被同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，因此電流只能在由當(dāng)前打開(kāi)ON開(kāi)關(guān)定義方向上流動(dòng)。修改逆變器的切換策略才可以將無(wú)功功率注入到電網(wǎng)[2]。</p><p>　　B.

10、Araujo拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　轉(zhuǎn)換器的操作基本原理稱(chēng)為“阿勞霍拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”[3]，它依賴(lài)于兩個(gè)并聯(lián)的降壓轉(zhuǎn)換器，調(diào)整整流正弦電流，運(yùn)用相反的極性連接到所述負(fù)載的輸出（圖2）。</p><p>　　阿勞霍拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能的導(dǎo)電狀態(tài)在圖二中描述。兩個(gè)電路的負(fù)半波由高頻開(kāi)關(guān)參考正弦曲線(xiàn)調(diào)整S1，而S4仍然開(kāi)啟。當(dāng)S1失效以后，二極管D1提供電流的慣性滑行途徑，同時(shí)，光伏陣列的能量?jī)?chǔ)存在直流

11、連接的電容器中。相似的，高頻開(kāi)關(guān)S2的正半波，S3被激活。慣性滑行通過(guò)D2產(chǎn)生。此外，D3和D4是二極管箝位器來(lái)保護(hù)位于輸電網(wǎng)側(cè)的開(kāi)關(guān)應(yīng)對(duì)可能的電壓瞬變。應(yīng)增加低頻開(kāi)關(guān)（等于30微秒@10 kHz的開(kāi)關(guān)頻率）信號(hào)之間的不工作區(qū)，以避免電網(wǎng)短路。特別是，不像其他逆變器其中兩個(gè)濾波電感始終處于活動(dòng)狀態(tài)，在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，在關(guān)閉相應(yīng)的低頻之前電感開(kāi)關(guān)之前感應(yīng)器中電流必須等于零，使整個(gè)開(kāi)關(guān)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。</p><p>

12、;　　第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在每種條件下與一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)（S1或S2）工作的可能性，顯著減小開(kāi)關(guān)損耗，而S3和S4電壓應(yīng)力等于電網(wǎng)電壓和僅在電網(wǎng)頻率操作，減少了傳導(dǎo)損失。由于光伏陣列的正極端子無(wú)論直接連接到正半波和到中立在負(fù)半波，與地面不存在高頻振蕩，因此避免漏電流。</p><p>　　然而，用這種轉(zhuǎn)換器不能處理無(wú)功功率。</p><p>　　C. NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解耦MOSFETs</p>

13、;<p>　　為了增加轉(zhuǎn)換器的效率，需要采用開(kāi)關(guān)損耗低，反并聯(lián)或穿過(guò)每個(gè)晶體管的恢復(fù)性能號(hào)的續(xù)流二極管。MOSFETs通?？梢栽试S快速切換，但內(nèi)部的反并聯(lián)二極管體的恢復(fù)性能較差。這種二極管可以導(dǎo)電，即使當(dāng)前另一個(gè)電流路徑是可用的，諸如并行連接的續(xù)流二極管。當(dāng)一個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)關(guān)掉時(shí)，電流可以從MOSFET的傳輸通道進(jìn)入體二極管中，同時(shí)，當(dāng)控制MOSFET接通，導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在體內(nèi)二極管恢復(fù)電荷被清除。體二極管的突然反向恢復(fù)

14、會(huì)引起較高的開(kāi)關(guān)損耗和高頻振蕩，這對(duì)組件產(chǎn)生高應(yīng)力并產(chǎn)生噪聲和電磁干擾等有關(guān)問(wèn)題。為了彌補(bǔ)這種缺陷，使用的MOSFET逆變器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需要添加兩個(gè)系列和續(xù)流的超快速二極管。加入這些二極管顯著增加了逆變器設(shè)計(jì)的成本并增加了傳導(dǎo)損耗。由于這些原因當(dāng)逆變器在高于100至200 VDC電壓下工作時(shí)，IGBT是一個(gè)更實(shí)際的選擇。IGBT通常比MOSFET開(kāi)關(guān)性能較差，但快速恢復(fù)時(shí)需要較少的二極管，因?yàn)閮?nèi)部存在的IGBT串聯(lián)二極管允許設(shè)計(jì)人員使用一個(gè)

15、二極管添加到慣性滑行路徑中。IGBTs的使用能夠降低設(shè)計(jì)成本但是當(dāng)高頻時(shí)降低轉(zhuǎn)換器的效率。</p><p>　　此外，開(kāi)發(fā)可以處理無(wú)功功率的高效逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， MOSFET內(nèi)部的二極管在處理無(wú)功功率時(shí)會(huì)造成很高的反向恢復(fù)損失。</p><p>　　因此，有必要提供一種逆變器的電源模塊有效地控制和減少M(fèi)OSFET中體二極管的影響。尤其是，尋求減少EMI不良效應(yīng)和由體二極管功率引起的損耗的方

16、法。</p><p>　　在橋或中性點(diǎn)鉗位（NPC）的配置中禁用的成分，可包括一個(gè)旁路二極管，用于提供一種可替代的無(wú)功負(fù)載電流或?qū)OSFET從無(wú)功負(fù)載中解耦連的電感器傳導(dǎo)通路。當(dāng)通過(guò)電感器去耦MOSFET，同時(shí)，對(duì)反向路徑中的旁路二極管也是有利的。</p><p>　　基于這些原理的逆變器拓?fù)淙鐖D3所示。這就是所謂的“NPC逆變器解耦輸出和MOSFET所有開(kāi)關(guān)”??并且可達(dá)到的轉(zhuǎn)換效率最

17、高值[4]。本發(fā)明通過(guò)阻止流動(dòng)在逆變器的MOSFET的內(nèi)部體二極管電路的顯著電流最小化體二極管的影響。這就保證在每個(gè)切換循環(huán)中最低的體二極管反向恢復(fù)效應(yīng)。</p><p>　　這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)自著名的NPC，因此與PWM方案十分相似，通過(guò)激活MOS1和MOS2，在輸電網(wǎng)處激活MOS3和MOS4而獲得三相輸出電壓。特別是，MOS1及MOS3在正半波期間打開(kāi)，同時(shí)MOS2和MOS4在負(fù)半波和電流的反向流動(dòng)由四個(gè)二極管介

18、導(dǎo)，分別是D1-D3和D2-D4（見(jiàn)表III）。此外，該無(wú)功功率由二極管D3和D4負(fù)責(zé)，它們采用硅管以達(dá)到反向傳導(dǎo)的最高效率[5]。</p><p><b>　　模擬結(jié)果</b></p><p>　　為了將轉(zhuǎn)換器在泄漏電流，效率，無(wú)功功率的處理能力等方面的效果進(jìn)行比較，上述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)由PLECS工具箱（在模擬環(huán)境中模擬電路）開(kāi)發(fā)的模擬實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)。模擬參數(shù)在表IV中

19、。光電轉(zhuǎn)換器的模型在以下組成部分熱模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的：600V的TrenchStop IGBT,650V的CoolMOS?功率晶體管，600V的三代thinQ!TM碳化硅肖特基二極管和1200V的thinQ!TM碳化硅肖特基二極管。SiC二極管用于保證接近零的反向恢復(fù)電流，因?yàn)樗试S減少開(kāi)關(guān)損耗。</p><p>　　A.HERIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　引入HERIC逆變器是對(duì)

20、全橋的修正，運(yùn)用“交流去耦”技術(shù)以提供高效率和恒定的共模電壓。逆變器的輸出電壓具有三個(gè)水平與負(fù)載電流紋波，如圖4所示，雖然電流脈動(dòng)的頻率等于開(kāi)關(guān)頻率,是非常小的。</p><p>　　如已經(jīng)提到的，HERIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不產(chǎn)生變化的共模電壓，在零電壓狀態(tài)下，逆變器的輸出發(fā)生短路時(shí)光電逆變器與輸電網(wǎng)斷開(kāi)。這種分離確保了共模電壓作用在光伏陣列的寄生電容不隨時(shí)間而改變，因此將通過(guò)光伏陣列的寄生電容而產(chǎn)生的泄漏電流維持在非常

21、低的值。如圖5所示，在直流連接的直流終端和地面之間只是正弦曲線(xiàn)形狀，因此其光譜不含有高頻內(nèi)容。</p><p>　　HERIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，顧名思義，在整個(gè)工作范圍內(nèi)具有非常高的轉(zhuǎn)換效率（表V），由于其雙向開(kāi)關(guān)由主頻率控制。</p><p>　　B. ARAUJO拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　阿勞霍逆變器具有很高效率（表Ⅵ）和低的開(kāi)關(guān)損耗，由于在其他電路中有限數(shù)量的半導(dǎo)

22、體組件，如HERIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另外，在這種情況下，所獲得的輸出電壓具有三個(gè)水平，負(fù)載電流的紋波（圖6）大于HERIC逆變器，從而導(dǎo)致整個(gè)濾波器更高的損失。這種應(yīng)用的調(diào)制策略導(dǎo)致為了避免電網(wǎng)短路的低頻信號(hào)之間產(chǎn)生小的死角。如圖7和8所示，在關(guān)閉各自的低頻開(kāi)關(guān)之前并且無(wú)過(guò)電壓流經(jīng)開(kāi)關(guān)時(shí)，經(jīng)過(guò)電感器的電流等于零（請(qǐng)考慮L1和L2分別代表上部和下部導(dǎo)線(xiàn)）。由于光伏陣列到地面的電壓如圖9所示的波形，因此漏電流不會(huì)達(dá)到最高值。</p>

23、<p>　　C. NPC拓?fù)浜蚆OSFETs解耦輸出</p><p>　　與以往使用IGBTs的逆變器相比，通過(guò)檢測(cè)證明NPC逆變器解耦輸出和MOSFETs所獲得的結(jié)果在很大程度上反映其優(yōu)異的性能。經(jīng)典的NPC逆變器允許到達(dá)很高效率，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)損耗減少，外部開(kāi)關(guān)的額定電壓可降低到Vin/ 4和一條通路以較低的頻率控制[6]。NPC逆變器解耦輸出和MOSFET提高經(jīng)典N(xiāo)PC的性能，與無(wú)功功率處理能力相結(jié)合

24、。如圖VII所示，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高值，在30%額定負(fù)載時(shí)高達(dá)99.13%。如圖10所示，負(fù)載電流具有比其他兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高次諧波失真。此外，如圖11所示，當(dāng)電壓VPE常數(shù)等于Vin/2時(shí)，泄漏電流會(huì)很小。模擬結(jié)果與預(yù)期不是很符合，因?yàn)镻lecs沒(méi)有精確地將MOSFET內(nèi)部的二極管和它們差的恢復(fù)性能納入考慮。</p><p>　　通過(guò)模擬“Altium Designer”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到了更好的預(yù)期結(jié)果：在這種情況下，

25、有必要使用Spice模型的每個(gè)電子部件。在這種模型中先進(jìn)的操作功能可以以參數(shù)設(shè)定。</p><p>　　為了比較光伏逆變器z的整體效率，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)加權(quán)值即European efficiency (μEU) 和 Californian efficiency (μCEC),</p><p>　　其中μi%表示在其額定功率下逆變器效率的百分比[7]。不同的操作點(diǎn)檢測(cè)所有提到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以通過(guò)

26、計(jì)算它們European and Californian效率，見(jiàn)表VIII。</p><p>　　應(yīng)當(dāng)注意到，在制定未來(lái)國(guó)家電網(wǎng)準(zhǔn)則時(shí)，無(wú)功功率處理能力可以成為其中一個(gè)最重要的參數(shù)。所有提及的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)除Araujo均符合這個(gè)特點(diǎn)如表VIII。</p><p>　　數(shù)據(jù)12在不同功率級(jí)比較三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率。</p><p><b>　　結(jié)論</b&g

27、t;</p><p>　　在本文中，高效可靠的逆變器概念轉(zhuǎn)換器（HERIC）是最近剛發(fā)表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它將降壓轉(zhuǎn)換器（ARAUJO拓?fù)洌┖妥罱?cè)專(zhuān)利的對(duì)MOSFET的使用優(yōu)化的中性點(diǎn)鉗位變流器（NPC）融合。在輸出共模電壓，效率和無(wú)功功率處理能力方面進(jìn)行討論和比較。HERIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比阿勞霍拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在無(wú)變壓器的光伏應(yīng)用展示更高的效率和更低的泄漏電流。由于將MOSFETS代替IGBTs，NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的解耦聯(lián)輸出與