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Vedatroyee Ghosh Harald Parzhuber
摘要
随着光伏太阳能装置在过去十年中的快速普及，人们越来越需要具有高效率、更高功率密度和更高电源处理能力 的光伏逆变器.如今，这些系统中已集成了用于电池存储的功率转换系统（PCS），这是目前极为先进的技术.
该应用手册概述了设计光伏递变器和储能系统（ESS）常用功率级时最相关的电源拓扑注意事项.
内容
2太阳能串式逆变器 1引言..2.1直流/直流MPPT的功率级. 2.2电池端口直流/直流的功率级. 32.3用于单相直流/交流的功率级. 53未来技术和趋势. 2.4三相直流/交流功率级.4总结.. 5参考资料 .9 .96修订历史记录. 10
插图清单
图2-2.直流/直流MPPT级方框图 图2-1.太阳能串式逆变器方框图图2-3.电池直流/直流级方框图图2-4.单相直流/交流级方框图 图2-5.三相直流/交流拓扑的原理图表示
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商标
商标均为其各自者的财产.
1引言
太阳能串式逆变器用于将一申太阳能板的直流电源输出转换为交流电源.申式逆变器通常用于住宅和较小的商业安装.碳化硅（SiC）和氮化（GaN）等宽带隙半导体使转换器能够以更高的开关频率运行，从而可以使用更小的磁性元件，进而提高这些系统的功率密度.为了经常提高功率级别，此类系统采用模块化方式构建，从十分之一 千瓦到百分之一千瓦不等.
为了应对光伏（PV)系统在太阳光线减弱时停止发电的事实，这些系统通常会在电池储能系统（BESS）中包含一个电源转换端口.白天产生的多余能量将存储到电池中，可在PV串的能量不足时使用.
2太阳能串式逆变器
图2-1展示了太阳能申式递变器的典型架构.
图2-1.太阳能串式逆变器方框图
如图2-1所示，申式逆变器中有三个主要电源缺.第一级是单向直流/直流转换器级，用于将可变串输出转换为适统，直流总线电压通常为400Vpc-对于三相系统，直流总线电压约为800Vpc，甚至高达1500Vpc-第一个直 合后续级的稳定高压直流链路.第二级是双向直流/直流功率级，第三级是双向直流/交流逆变器级.对于单相系流/直流级还能够为一个完整串执行最大功率点跟踪（MPPT）.它只需通过更改整个申上的电压和电流来搜索最大流/直流被构建为双向PFC/逆变器，可以运行连接到电池储能系统的直流/直流功率级，并允许对ESS进行双向充 功率.然后，该直流总线电压通过直流/交流逆变器功率级转换为电网电压电平的交流电压.在当今的系统中，交放电.
更详细的太阳能串式逆变器方框图可在T的毕式逆交器应用页面上找到.
2.1直流/直流MPPT的功率级
MPPT直流/直流功率级执行以下功能：将电池板的MPPT电压的倍数（取决于串中的电池板数量）转换为适合逆 变器或用于电池输入的直流/直流级的稳定电压电平.输入电压由MPPT调节，MPPT通过软件或电源优化器等外部附加装置执行.PV电池板充当电流源，其短路电流与可用的辐照大致成正比.PV电池板上的开路电压取决于环境温度条件.对于住宅用例，400WPV电池板的输出MPPT电压通常为33V，500W或600W额定值电池板 为40V或更高.
串式逆变器是成本敏感型应用，因此在将输入申电压转换为稳定的直流链路电压时，非隔离式升压转换器是优选拓扑.图2-2展示了TIDA-010938中存在的此类示例.该输入电压为33V或40V的倍数，具体取决于所用电池板的类型和功率.直流链路电压取决于是单相应用还是三相应用.对于单相应用，总线的额定电压最高可达500V
至550V：而对于三相应用，通常最高可达1200V.由于较低的直流链路电压支持较高的电流，降压或降压/升压级的效率将降低，为了增加这个功率级的功率等级，可添加多个逆变器申作为独立输入.每个输入可独立且对称地设计.通常，此处不采用CLLLC级或同步升压，因为这种方法会降低成本效益.
图2-2.直流/直流MPPT级方框图
升压转换器需要一个受控开关（MOSFET、IGBT等）与一个不受控制的开关（二极管）和一个电感器结合才能实现.这种拓扑具有多种优势，例如元件数量较少、效率高、实现方式简单等.在较高的功率等级下，二极管被另 一个受控开关（用作同步开关）取代，以降低传导损耗.因此，它成为同步升压转换器.
在更高的功率级别（在申式逆变器中会遇到），我们最终会并联功率器件以减少传导损耗.同步升压转换器的多个级与用于驱动每个转换器的相位交错PWM配合使用.如果交错级数为“n”，各个PWM之间的相位差为360°n这样可以显著降低纹波电流，并有助于减小整体尺寸.
三相应用的漏源电压额定值可高达1200V（直流总线电压更高的系统需要更高的漏源电压额定值），通过将直流 请务必记住，需要根据应用类型适当地确定开关品体管的额定值.这意味着单相应用的漏源电压额定值为650V，链路电压升高到1000V以上将减少系统中的功率损耗，并允许串联更多电池板.然而，所选器件需要具有适当的 额定值.
2.2电池端口直流/直流的功率级
对于非隔离式应用，双向直流/直流转换器可用于实现电池储能系统（BESS）.双向性对于直流/直流转换器来说非常重要，它可以像电池充电器一样（降压模式）为电池充电，也可以像电池放电一样（升压模式）为直流链路提供更高、更稳定的输出电压.然后，在低辐照度或夜间条件下，可通过直流/交流转换器向电网输送交流电.
而早晚的电力更小.在全球许多地区，电力的价格取决于需求，当需求高时（如晚上和早晨），电力的价格（每 太阳能每天、每季和每年都有波动，因此不是最可靠的来源，在并网系统中，最大电力在中午时分输送到电网，瓦成本）较高，而当需求低时（中午、深夜），电力的价格较低.因此，安装太阳能装置的消费者中午使用的是 自己产生的电力，价格较低，而晚上使用的是电网的电力，价格较高，此外，如果由于电网故障而无法接入电网，产生的电力都会白白浪费.由于存在这些间题，现在的趋势是在本地进行一些储能，以便在需求低时将能量储存起来，然后在需求高时释放到电网中供人们使用.
减小EMI滤波器尺寸并增加功率密度.实现和控制方式相对简单，但为了获得出色的性能，建议使交错半桥尽可 为了提高该级的功率等级并降低电流纹波，可以进行分支交错.交错技术有助于减小输出电流纹波和输出噪声，能对称，以便在它们之间实现平衡电流.此类多相设计还支持在输出EMI滤波器上实现多个开关频率，从而减小之间施加了180°的相位差. 设计尺寸.此类非隔离式拓扑的典型应用如图2-3中的TIDA-010938所示.这里，我们可以看到两个交错级彼此
图2-3.电池直流/直流级方框图
有扩展相移的双有源电桥（例如在TIDA-010054中），它可处理700V至800V直流初级电压、350V至500V直 当我们谈论与汽车应用或额定电压较低的电池有关的系统时，隔离就会派上用场.在这方面很常见的拓扑包括具流次级电压（单相移SPS）或250V至500V（扩展相移EPS），功率高达10kW；移相全桥（例如在PMP22951中），它可处理从400V降至54V的电压，功率等级为3kW：或CLLLC双有源电桥（例如在 TIDM-02002中），它可处理380V至600V的初级电压、280V至450V的次级电压，功率等级高达6.6kW.根据是三相应用还是单相应用，器件的漏源电压额定值会发生变化.这相当于单相的650V漏源电压额定值，三相应用的漏源电压额定值最高可达1200V（直流总线电压更高的系统需要更高的漏源电压额定值）.
率级别.较低功耗的单相系统通常使用48V电池，而较高功耗的三相系统使用400V电池.具有更高功率范围串 尽管铅酸电池在储能系统中非常流行，但较新的系统越来越多地转向各种类型的锂电池.电池电压取决于系统功式逆变器的系统可以使用800V电池进行存储，这可能会因应用和用例而异.
有关能量存储功率转换系统的更详细方框图，请参阅TI的能量存储功率转换系统（PCS)应用页面.
2.3用于单相直流/交流的功率级
逆变器功率级保持双向，以实现从直流链路到电网兼容交流电源的功率转换，反之亦然.先进的申式逆变器往往进一步决定了器件是分相（日本、美国等地区为110VRMs）还是230VRMs（欧洲、ROA等地区）的额定值. 通过锁相环（PLL）随时与电网连接并与电网同步.逆变器或PFC级可分为两大类，即电网是单相还是三相.单相
并网逆变器的额外任务是将振幅、频率和相位与由多个源和负载组成的现有电网同步.它还需要解决在电网出现任何故障（如停电、断电、过压等）时检测并将自身与电网隔离的间题.这称为防孤岛保护.
当今的串式逆变器在成本和功率密度方面都具有竞争力，一般都不需要变压器.无变压器的串式逆变器为返回电流提供了低阻抗路径.由于PV表面暴露在接地屋顶或附近的其他表面上方，因此这种漏电流是PV应用中众所周 知的挑战.表面积较大会导致PV电池板与接地之间的杂散电容值较高，在潮湿环境或雨天，杂散电容可能高达致EMI和电网电流失真等问题.可以发现，需要通过所用拓扑来解决安全和残余电流检测（RCD）方面的问题.因 此，所选的相应拓扑需要解决该问题.
图2-4.单相直流/交流级方框图
图2-4表示TIDA-010938中存在的基干HERIC的直流/交流转换器拓扑.当仅FETQ6、Q7、Q8、Q9运行且不使用Q10和Q11时，也可以将其配置为H桥模式.对于逆变器级，可使用各种由正弦PWM调制的降压衍生非隔离式拓扑.其中包括适用于单相的拓扑，例如支持双极调制的两级H桥、支持单极调制的三级H桥、HERIC逆变器级，可配置为单极、双极和基于HERIC的转换器.表2-1列出了每个系统的优势和挑战.
表2-1.单相直流/交流拓扑的优势和挑战
2LH桥双极优势 3LH桥单极 控制方案简单 控制方案简单 3L图腾柱 4个开关 3L HERIC 低 THD4个开关 4个开关 可通过1个PWM实现 低 EMI2 PWM 更小的无源器件 1PWM 均匀的损耗分和 frpple = fpm 小型无源器件 低共模噪声低THD fre = fpm 低共模噪声 fippie = fow均匀的损耗分布 wxz =
