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                                                      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:479

                                                      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。

                                                      瑞安市恩馳電子科技有限公司

                                                      RUIAN ENCHI ELECTRONIC TECHNOLOGY CO.,LTD.

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