高效率中點鉗位型光伏逆變器拓撲比較

馬 琳 孫 凱 Remus Teodorescu 金新民

（1. 北京交通大學電氣工程學院 北京 100044 2. 清華大學電力系統及大型發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室 北京 100084 3. 奧爾堡大學能源技術系 奧爾堡 9220）

1 引言

近年來，分布式發電系統得到了快速的發展。與傳統的集中式發電系統相比，分布式發電距離用戶更近，發電靈活性更高，能夠更充分地利用可再生能源。隨著微電網技術的進步，分布式發電系統必將得到更進一步的發展。而光伏并網發電系統正是其中最具典型性的一類，近年來得到了越來越多的關注[1-3]。

圖1所示為典型的光伏并網發電系統，主要包括：光伏電池陣列、光伏逆變器、控制器以及儲能元件等，其中光伏逆變器是重要的核心部件。光伏陣列產生的低質量直流電，需經過光伏逆變器轉換為高質量的交流電傳送至電網。太陽能光伏電池板的造價較高，而能量轉換效率又較低。因此，為了提高太陽輻射能的利用效率、降低光伏發電的成本，光伏發電系統對于光伏逆變器拓撲的效率有著很高的要求。同時，由于光伏并網發電系統的用戶多屬于中小型用戶，甚至是家庭用戶，因此對于光伏發電系統的體積、安裝使用的簡易程度，以及人身安全性都提出了更高的要求。

圖1 典型的光伏并網發電系統結構Fig.1 Configuration of typical PV generation system

為滿足上述需求，近年來研究人員開發了多種無變壓器型光伏逆變器拓撲，不僅降低了裝置的體積和成本，而且提高了系統的效率和可靠性[4-8]。這些拓撲從原理上來講可以分為兩大類：①H橋改進型拓撲，如H橋直流旁路拓撲[6]、HERIC電路[7]、H5電路[8]等；②三電平中點鉗位型（NPC）拓撲，如二極管 NPC[9]、有源 NPC（ANPC）[10-11]、Conergy NPC[12]等。

二極管NPC三電平拓撲最早由A. Nabae等人以論文的方式系統地提出[9]，并已廣泛應用于電力傳動領域。相對于傳統的兩電平H橋逆變器，三電平NPC逆變器具有一系列優點：①開關損耗小，效率高。②開關動作時 dv/(dt) 小，引起的電磁干擾（EMI）小。③輸出電壓波形為三電平，諧波含量少，所需的濾波電感量小，有利于降低系統成本和功率損耗。因此，三電平NPC逆變器非常適用于光伏發電系統。而更為重要的是，當三電平NPC逆變器輸入端接光伏陣列時，光伏陣列輸出端對地雜散電容上的電壓為恒定值，不存在共模電壓的問題，即該裝置無對地漏電流，避免了對人身的傷害，提高了系統的安全性。

基于上述分析，在未來的光伏發電系統中，三電平NPC拓撲將得到更為廣泛的應用。

本文以三種典型的 NPC拓撲（二極管 NPC、有源NPC和Conergy NPC）為研究對象，分析了各自的拓撲結構和調制原理，并采用 MatlabPLECS仿真模塊對三種拓撲的功率損耗及分布情況進行了計算。在此基礎上，對三種拓撲的性能特點進行了比較分析，并通過實驗測試了三種電路的效率。最后，根據比較結果給出了相應的使用建議。

2 二極管NPC調制原理與損耗分析

傳統的單相半橋二極管NPC拓撲如圖2所示。NPC拓撲的基本工作原理為：當處于正半周期時（參考電壓調制信號Sr＞0），在有源供電狀態下S1、S2導通，在續流狀態下S2、S3同時導通；當處于負半周期時（參考電壓調制信號Sr＜0），在有源供電狀態下S3、S4導通，在續流狀態下S2、S3同時導通。這樣的開關狀態可以保證在功率因數不為1時，系統仍可正常工作。具體的開關動作如表1和圖3所示，表1中“1”代表導通，“0”代表關斷。

圖2 單相半橋二極管NPC拓撲Fig.2 Single-phase half-bridge diode NPC topology

表1 二極管NPC拓撲開關狀態表Tab.1 Switching states of diode NPC topology

圖3 二極管NPC拓撲調制原理Fig.3 Modulation strategy of diode NPC topology

二極管NPC拓撲的兩個主要的缺點在于：①在輸出電壓相同的情況下，輸入直流母線電壓是傳統H橋拓撲的2倍。②開關器件的功率損耗分布不平衡。

一般來說，二極管NPC拓撲的開關器件損耗分布與調制比和功率因數有很大的關系。調制比決定了有源狀態和續流狀態的比例，理論上高調制比（較低的中間直流電壓）可以降低開關損耗。功率因數決定是由反并聯二極管承擔通態損耗還是由 IGBT承擔通態損耗。但調制比和功率因數均是根據外部電源、負載或電網的要求而確定的，在二極管NPC拓撲的運行過程中不能隨意調節。因此，一旦電路的輸出功率、調制比和功率因數確定后，二極管NPC的功率損耗分布也就確定了，無法調整。

從表1可知，二極管NPC拓撲中內管（S2、S3）不承擔高頻開關損耗，而外管（S1、S4）承擔了幾乎所有的開關損耗。因此，在開關頻率較高的情況下，即使內管和外管的通態損耗差異不大，兩者的總功率損耗也會產生明顯的不平衡。而二極管NPC拓撲一般用于大功率電力電子系統。損耗分布不平衡，器件發熱不均，使得散熱設計困難，影響系統的穩定性和可靠性。這已成為二極管NPC拓撲的一個主要缺點。

為了說明上述問題，本文采用Matlab/Simulink與PLECS模塊，對二極管NPC拓撲的開關器件功率損耗進行了仿真計算，如圖4所示。仿真中，輸出功率為5kW，開關頻率16kHz，所用開關器件的型號為PM75DSA120，所有開關器件的結溫均固定為 125℃，開關器件總的功率損耗為 35.8W。所有仿真過程中，在測算系統損耗時，為了避免控制所帶來的干擾，電網采用純電阻代替（開環控制）；同時為了保證控制可靠，也進行了并網仿真驗證。由仿真結果可以看出，內管（S1）和外管（S2）的開關損耗差別非常大，造成了二者總功率損耗的不平衡。

圖4 二極管NPC拓撲功率損耗分布Fig.4 Power loss distribution of diode NPC topology

3 有源NPC調制原理與損耗分析

為了解決二極管 NPC拓撲中功率損耗分布不均的問題，文獻[10-11]中給出了一種有效的解決方案，即圖5所示的有源 NPC（ANPC）拓撲。該拓撲與傳統的二極管NPC拓撲相比，具有更多的零續流狀態，使得其 PWM調制方式更為靈活。二極管NPC的零續流狀態見表1，對于一定流向的續流電流只有一條續流通路。而ANPC則利用兩個可控開關器件，將續流回路擴展為兩條，大大提高了系統的控制自由度，使得開關器件的功率損耗分布調節成為可能。

圖5 單相半橋ANPC拓撲Fig.5 Single-phase half-bridge ANPC topology

在對 ANPC的控制中，本文采用了一種倍頻PWM（DF-PWM）調制方式[12]，其基本原理如表2和圖6所示。與傳統NPC半橋拓撲采用單極性調制波有所不同的是，在ANPC調制過程中采用的是雙極性調制波。

表2 ANPC拓撲開關狀態表Tab.2 Switching states of ANPC topology

圖6 ANPC拓撲調制原理Fig.6 Modulation strategy of ANPC topology

這種 PWM方式將內管和外管的開關損耗平均分配，以此來實現開關器件總功率損耗的平衡分布。以正半周期為例，從正向續流狀態1向正向有源狀態換流的過程中，S1、S6導通，S5斷開，其中 S5與 S6的動作均屬于軟開關過程，只有 S1承擔了開通損耗；從正向有源狀態向正向續流狀態2換流過程中，S3導通，S2斷開，S2承擔了關斷損耗，在正向續流狀態2下，電流通過S3、S6回路續流；從正向續流狀態2向正向有源狀態換流的過程中，S2導通、S3斷開，其中S3的動作為軟開關過程，S2承擔了開通損耗；最后，從正向有源狀態向正向續流狀態1換流，完成一次開關周期的動作，S5導通，S1、S6斷開，只有S1承擔了關斷損耗，在正向續流狀態1下，電流通過S2、S5回路續流。從正半周期內一個開關周期的換流過程可以看出，內管和外管各自承擔了一半的開關損耗。

為了驗證上述分析，本文利用 PLECS模塊對ANPC拓撲的功率損耗進行了仿真計算，如圖7所示。仿真中，輸出功率為 5kW，開關頻率 8kHz，所用開關器件的型號為PM75DSA120，所有開關器件的結溫均固定為 125℃，開關器件總的功率損耗為135.0W。

圖7 ANPC拓撲功率損耗分布Fig.7 Power loss distribution of ANPC topology

由仿真結果可以看出，內管（S2）和外管（S1）的開關損耗基本上是平均分配的，使得二者總的功率損耗趨于平衡。近來，針對ANPC拓撲研究人員提出了更加靈活的PWM方式[14]。這類方法根據不同的通態損耗情況，適當地改變內管和外管的開關損耗分布，可以實現二者的總功率損耗完全平衡。因此，相對于二極管NPC，ANPC的器件損耗分布能夠方便地調節，可解決器件發熱不均的問題，有利于大功率應用場合的散熱設計。但其缺點在于，比二極管 NPC多用了兩個全控開關器件，成本較高，且控制比較復雜。

4 Conergy NPC調制原理與損耗分析

如圖8所示，Conergy NPC電路是一種改進型NPC拓撲，它利用一個雙向開關（由兩個開關器件S+、S-及反并聯二極管 VD+、VD-構成）來實現中性點對地鉗位的功能。

圖8 單相半橋 Conergy NPC拓撲Fig.8 Single-phase half-bridge Conergy NPC topology

Conergy NPC拓撲的調制原理如表3和圖9所示。以正半周期為例，在有源供電狀態下S1導通；在續流狀態下S+、S-同時導通，用以保證在功率因數不為1時，電流仍有續流通路。負半周期的調制原理與正半周期類似，在有源供電狀態下S2導通；在續流狀態下S+、S-同時導通。

表3 Conergy NPC拓撲開關狀態表Tab.3 Switching states of Conergy NPC topology

圖9 Conergy NPC拓撲調制原理Fig.9 Modulation strategy of Conergy NPC topology

Conergy NPC拓撲具有以下特點：①所用開關器件數目較少，僅用4個IGBT和4個二極管，不僅少于ANPC（6個IGBT，6個二極管），而且少于二極管NPC（4個IGBT，6個二極管）；②不論是正半周期，還是負半周期，續流狀態的通態損耗均由S+和S-承擔，而同時開關損耗全部由S1、S2承擔，這樣上下橋臂之間的功率損耗是比較均衡的。

本文利用PLECS模塊對Conergy NPC拓撲的功率損耗進行了仿真計算，如圖10所示。仿真中設置的參數和器件型號與第2節二極管NPC的仿真完全相同，輸出功率為5kW，開關頻率16kHz，開關器件的型號為PM75DSA120，所有開關器件的結溫均固定為125℃。將圖10與圖4進行比較可以發現，由于在有源供電狀態時，只有一個開關器件導通，因而通態損耗較低，使得該拓撲的總功率損耗低于二極管NPC，其效率更高。

圖10 Conergy NPC拓撲功率損耗分布Fig.10 Power loss distribution of Conergy NPC topology

5 三種NPC半橋拓撲的比較

實際上，上文所介紹的所有拓撲均為半橋拓撲，而 NPC半橋拓撲與所有的半橋拓撲一樣具有電壓利用率低（僅為全橋拓撲的一半）、電壓電平數量少的缺點。但是，由于NPC半橋拓撲可以直接將其中性點接地，消除共模電壓干擾，因此在光伏并網領域得到了廣泛的應用。與傳統半橋電路相比，NPC半橋電路最大的優勢在于具有三電平（傳統半橋電路只有兩電平），同時可以直接運用到交流逆變系統中，因此NPC半橋電路成為了一種廣泛應用于光伏逆變器的拓撲。

為了探索高效率、高性能且經濟適用的光伏逆變器解決方案，本文對上述三種NPC拓撲的器件數目和能量轉換效率進行了比較。

三種拓撲所用的器件數目見表 4。從表 4中可以看出，如果選擇相同型號的 IGBT和二極管構成主回路，則Conergy NPC的器件成本最低，二極管NPC次之，而ANPC的器件成本最高。

表4 NPC拓撲器件數目比較Tab.4 Comparison of the device number used in NPC topologies

本文在相同的單相 NPC實驗平臺上對上述三種拓撲在不同輸出功率下的主電路效率進行了實驗測試，實驗參數見表 5。為了更加公正地比較電路效率，實驗采用開環給定調制比的控制方法，輸出電壓經過純電感濾波器后接電阻作為負載。這樣在比較過程中就消除了不同的控制及電網對逆變器的影響。

表5 NPC拓撲實驗參數Tab.5 Parameters in NPC topology experiments

從圖3、6、9中可以發現，在一個開關周期內ANPC的開關次數是二極管NPC和Conergy NPC的兩倍。因此，為了準確地比較開關損耗，在實驗測試中二極管 NPC和 Conergy NPC的開關頻率為10kHz，而ANPC（DF-PWM）的開關頻率為5kHz。

開關器件采用三菱智能功率模塊（IPM），型號為PM75DSA120。每個模塊均采用隔離光纖信號驅動，并自帶過電流保護功能，并采用銅排連接，結構簡單，易于調整拓撲。圖 11為進行 ANPC實驗時的平臺。由于實驗輸出波形類似，在本文中僅給出調制方法最為復雜的ANPC拓撲的實驗波形，其他波形不再贅述。

圖11 ANPC實驗平臺照片Fig.11 Photo of ANPC experimental setup

圖12為ANPC的實驗波形，其中Ch2為輸出電流，其他通道為相應的IPM驅動信號。

三種拓撲的效率對比曲線如圖13所示。從實驗結果可以看出，在采用相同開關器件的條件下，Conergy NPC的效率最高，而ANPC與二極管NPC的效率非常接近。三者的效率均是隨著輸出功率的增大而提高，且效率最高值均可以達到97%以上。

圖12 ANPC實驗波形Fig.12 Experimental results of ANPC

圖13 NPC拓撲效率比較Fig.13 Comparison of the efficiency for NPC topologies

6 結論

本文以光伏逆變器為應用背景，深入地研究了NPC拓撲的結構特點和工作原理。對三種典型的單相半橋NPC拓撲（二極管NPC、ANPC和Conergy NPC）的器件成本、調制方式、損耗分布以及效率進行了比較分析。研究結果表明：

（1）Conergy NPC的效率在三種拓撲中最高，且在使用相同開關器件的條件下其器件成本最低。

（2）ANPC的功率損耗分布可以靈活調節，有利于大功率應用場合的散熱設計，但其控制比較復雜，且器件成本在三種拓撲中最高。

（3）二極管 NPC拓撲的功率損耗分布不易調節，不利于大功率應用場合的散熱設計。

綜上，Conergy NPC是一種高性能、高效率且經濟適用的電路拓撲，應在未來光伏逆變器的開發中得到更為廣泛的應用。

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