双向逆变器拓扑设计



电路拓扑结构是什么

电路拓扑结构是指电路中电子元件之间的相互连接方式。开关电源常用的基本拓扑结构约有14种，每种拓扑结构都有其独特的特点和适用场合。一些拓扑结构适用于离线式（电网供电的）AC/DC变换器，例如小功率输出或多组输出场合。有些拓扑结构在相同输出功率下使用器件较少，或在器件数与可靠性之间有较好的折中。输入/输出纹波和噪声也是选择拓扑结构时需要考虑的因素。

电路拓扑是指电路的连接关系，或组成电路的各个电子元件相互之间的连接关系。例如，AC/DC和DC/DC的电路拓扑结构是一样的，AC经过整流滤波后就是DC270V了。主要的拓扑结构包括反激、单管正激、双管正激、半桥、全桥和LLC谐振。

两电路有相同的拓扑结构意味着它们的连接方式相同。例如，开关电源电路有几种典型的结构，如Buck，Boost，反激，正激，半桥，全桥等，实际电路也都是以这些结构为基础再进行具体化。

拓扑电路是指电路的组成架构。例如，要完成AM广播信号的声音还原，可以采用直接接收、放大、检波滤波来还原声音，也可以采用超外差接收、放大、检波滤波来完成。这就是两种拓扑电路。

电路拓扑是指电路的连接关系，或组成电路的各个电子元件相互之间的连接关系。例如，开关电源电路有几种典型的结构，如Buck，Boost，反激，正激，半桥，全桥等，实际电路也都是以这些结构为基础再进行具体化。

拓扑结构的开关电源拓扑随着PWM技术的不断发展和完善，开关电源以其高的性价比得到了广泛的应用。开关电源的电路拓扑结构很多，常用的电路拓扑有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。其中，半桥电路中，变压器初级在整个周期中都流过电流，磁芯利用充分，且没有偏磁的问题，所使用的功率开关管耐压要求较低，开关管的饱和压降减少到了最小，对输入滤波电容使用电压要求也较低。由于以上诸多原因，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。

拓扑结构的逆变器是指目前采用的逆变器拓扑结构，包括全桥逆变拓扑、半桥逆变拓扑、多电平逆变拓扑、推挽逆变拓扑、正激逆变拓扑、反激逆变拓扑等。拓扑结构的选择和逆变器额定输出功率有关。对于4kw以下的光伏逆变器，通常选用直流母线不超过500V，单相输出的拓扑结构。

电路的拓扑结构是指电路的连接关系，或组成电路的各个电子元件相互之间的连接关系。例如，开关电源电路有几种典型的结构，如Buck，Boost，反激，正激，半桥，全桥等，实际电路也都是以这些结构为基础再进行具体化的。

为什么离网型光伏发电系统的蓄电池

混合系统和微型电网的核心部件----逆变充电一体机（又称蓄电池逆变器或双向逆变器）的技术

水平已经取得很大的发展。舆论普遍认为，是因为应用了新型拓扑结构的功率电路，然而更为重要原因是，数字

控制技术使用，智能化大大提高。新技术使得各种不同层次产品，都可以采用高级算法，组建智能控制系统。这

种先进的控制方式还提供很多灵活性，可以建立新型系统拓扑结构---即太阳能、风力、发电机和蓄电池混合在一

起。作为系统集成的核心逆变充电一体机，使直流母线和交流母线智能的耦合在一起。基本的示意图，

系统中，逆变器被用于调节能量流，作为不同交流能量源（来自AC IN 侧/来自AC OUT 侧）之间的接口，管理交

流负载和控制直流和交流母线。

通过阅读参考文献1 得知，现在业界已经普遍接受，混合系统可以为边远地区的电气化提供一个可靠的解决方

案。现在标准的配置分：直流母线应用、交流母线应用，或者是交流和直流母线混合使用。项目集成商倾向于，

针对组成每个系统要求，对部件进行特别的组合，以优化系统性能。

目前市面上的产品能提供很多好的方法，来调节能量流和管理能量源。本报告采取举例的方式介绍一些新的功

能，启发系统集成商找到合适的优化方案。

首先，是能量协助功能（智能增强），这个功能帮助降低发电机的配置容量，从而提高混合系统的效率。第二个

案例是，通过先进的算法，形象得解释，根据系统不同的状态，选择能量源来自直流或交流。

几年以前，已经有人提出交流母线并接的概念，这是一个典型的，利用现有的太阳能并网逆变器，通过增加一些

智能控制技术实现新功能的技术方案，参考文献4 和5。为了能够兼容这种系统，逆变器需要具有相对应的电压/

频率控制模式。但是，即使并网逆变器没有电压/频率下垂模式，通过新的办法仍然可以实现交流并接。本文中案

例展示了，来自两个不同厂家的逆变充电一体机（离网）和并网逆变器如何实现交流并接。

双向PCS储能变流器（一）基于I型NPC三电平逆变器拓扑的单级式PCS MATLAB/Simulink仿真实现

在电网系统中，电力负荷周期性变化，峰谷差大，为满足高峰负荷需求，电网公司需投资大量输配电设备，导致设备利用率低，整体负荷率下降。分布式发电和智能电网的大规模应用推动了储能技术的发展，储能系统可平抑可再生能源发电并网功率波动，缓解高峰负荷需求，起到“削峰填谷”作用，维持微电网功率平衡，改善电能质量，提高电网设备利用率，减少电网建设投资，降低运营成本。能量转换系统（PCS），即储能变流器，作为储能载体与电网的接口装置，起着能量双向交换的重要作用。

PCS电路拓扑分为单级式和双级式两种。单级式PCS仅含有一个双向DC/AC变流器，电路拓扑结构和控制简单，效率较高，但储能单元容量选择不够灵活，电池需要串并联成高压大电流电池组后，才能接入直流母线。

双级式PCS拓扑相对于单级式拓扑多了一个前级的双向DC/DC变流器。双级式电路拓扑结构直流侧接入电池电压范围较宽，电池组配置更加灵活，但由于多了一个双向DC/DC环节，结构和控制系统较复杂，系统效率降低。

不管是单级式PCS还是双级式PCS，都需要双向DC/AC变流器。双向DC/AC变流器可以采用两电平或三电平变流器拓扑结构。相比于两电平变流器，三电平变流器具有以下优点：

（1）桥臂上单个功率开关管承受的电压仅为直流母线电压的一半，降低了器件耐压等级的要求，从技术和经济方面都是可实现的，同时避免了器件串联时的动态均压问题，保证了系统的稳定性和可靠性；

（2）在相同调制频率下，每个开关管的开关频率是两电平的一半，交流侧电流谐波含量低，直流电压纹波小，器件损耗和应力小，电磁干扰小，减小了旋转用电设备的振荡，提高了系统的性能。

下文展示了一个50kW双向单级式PCS的MATLAB/Simulink仿真案例，主电路原理如下图，双向DC/AC变流器采用I型二极管中点钳位(Neutral Point Clamped, NPC)三电平逆变器，实现DC/AC逆变并网和AC/DC整流能量双向流动的功能。

三相电网电压3AC380V，频率50Hz，直流电压DC800V，储能变流器开关频率10kHz。AC/DC变换时负载功率50kW，DC/AC变换时并网功率P=50kW，Q=25kVar。

电压外环采用PI控制器，PQ控制时计算dq电流参考值。电流内环采用PI控制器，dq电流解耦，电网电压前馈。采用三电平SVPWM空间矢量调制。含中点电位平衡控制。含锁相环（基于单同步旋转坐标系的锁相环SRF-PLL）。控制算法框图如下图。

0-0.5s储能变流器工作在整流AC/DC模式，控制整流输出电压为DC800V，直流负载50kW，单位功率因数运行。0.5-1s储能变流器工作在逆变并网DC/AC模式，采用有功功率无功功率PQ控制，P为50kW，Q为25kVar。仿真结果如下。

基于I型二极管中点钳位(Neutral Point Clamped, NPC)三电平逆变器的双向单级式PCS的MATLAB/Simulink仿真案例，实现了DC/AC逆变并网和AC/DC整流能量双向流动的功能，具备中点电位平衡功能，上电容电压与下电容电压稳态偏差在±5V以内，同时具有较低的电流畸变率，电流THD<1%。

北京电力逆变器

高频升压逆变电路及整流：这是一个推挽式拓扑逆变电路，北京电力逆变器，当E1驱动脉冲驱动时，Q1导通，使VT3、VT6导通，VT7、VT8截止，此时电路进行正半周波形放大，变压器升压到次级，通过高频整流管整流，当E2脉冲驱动时，Q2导通，北京电力逆变器，驱动VT7、VT8导通。VT3、VT6截止，进得负半周波形放大。经升压变压器升压后，高频整流。　（此VT3678以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一对导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流.）逆变器产品具备短路、过载，北京电力逆变器、过/欠电压、超温5种保护功能。北京电力逆变器

逆变器输入输出保险丝熔断：此类故障一般明显可以看到，只要更换保险丝即可。蓄电池电压高于额定直流输入电压20%逆变器有一个工作电压范围，一般为额定直流电压+-10%之间，如若高于此电压，需要更换蓄电池组或者更换逆变器，以防止对机器造成损坏。蓄电池电压低于额定直流输入电压15%此类问题主要是由于蓄电池电量不足，只需要给蓄电池组充电即可。负载功率过大：这类问题主要是前期对负载功率计算不足造成，需要增大逆变器的功率或者减小负载功率即可。合肥5000w逆变器销售厂家逆变器把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。

光伏逆变器的效率影响着光伏发电系统的整体效率，其安装事项不可忽视，需有专业的操作，以确保提供光伏逆变器适宜稳定的运行环境。选择好安装位置后，如何安装光伏逆变器需要确认以下几点：1、在安装前首先应该检查逆变器是否在运输过程中有无损坏。2、在选择光伏逆变器安装场地时，应该保证周围内没有任何其他电力电子设备的干扰。3、在进行电气连接之前，务必采用不透光材料将光伏电池板覆盖或断开直流侧断路器。暴露于阳光，光伏阵列将会产生危险电压。4、所有安装操作必须且由专业技术人员完成。5、光伏系统发电系统中所使用线缆必须连接牢固，良好绝缘以及规格合适。6、所有的电气安装必须满足当地以及国家电气标准。

邮电通信逆变器：为邮电、通信提供的48V逆变器，其产品质量好、可靠性高、模块式(模块为1KW)逆变器，并具有N+1冗余功能、可扩充(功率从2KW到20KW)。航空、军 队逆变器此类逆变器为28Vdc输入，可提供下列交流输出：26Vac、115Vac、230Vac，其输出频率可为：50Hz、60Hz及400Hz，输出功率从30VA到3500VA不等。还有供航空的DC-DC转换器及变频器。多重串联型逆变器适用于大功率的电动汽车驱动系统。采用多重串联型结构，可降低多个蓄电池串联带来的危险，降低器件的开关应力和减少电磁辐射。但需要的电池数增加了2倍。多重串联型结构输出电压矢量种类较大增加，从而增强了控制的灵活性，提高了控制的精确性；同时降低电机中性点电压的波动。为维持每组蓄电池电量的均衡，在运行时需要确保电池的放电时间一致。通过旁路方式，可灵活地对蓄电池组充电，还可控制再生制动的力矩。逆变器电池的极接反了，保险丝熔断。更换保险丝。

注意事项1）电视机，显示器，电动机等在启动时电量达到峰值，尽管转换器可以承受标称功率2倍的峰值功率，但有些功率符合要求的电器的峰值功率可能会超过转换器的峰值输出功率，引发过载保护，电流被关断。同时带动多个电器，可能发生这种情况，这时应先关闭电器开关，打开转换器开关，然后逐个打开电器开关，并应较先开启峰值较高的电器。2）在使用过程中，电瓶电压开始下降，当转换器DC输入端的电压降到10.4-11V时，报警器发出峰鸣声，此时电脑或其它敏感电器应及时关闭，若忽视报警声，转换器将在电压到9.7-10.3V时，自动关断，这样可以避免电瓶被过量放电，电源保护关断后，红色指示灯亮起；3）应及时启动车辆,给电瓶充电,防止电量衰竭,影响汽车启动和电瓶寿命；4）尽管转换器没有过压保护功能，输入电压超过16V，仍有可能损坏转换器；5）连续使用后，壳体表面温度会上升到60℃，注意气流通畅，易受高温影响的物体应远离。逆变器即逆变时不可将充电插头插入逆变输出的电气回路中。北京电力逆变器

逆变器电磁兼容性和抗电磁干扰能力。北京电力逆变器

光伏逆变器保养应注意些什么？维修时需注意一下几点：1、在进行任何维修工作前，首先要断开逆变器与电网的电气连接，然后断开直流侧电气连接。2、等待至少5分钟直到内部元件放电完毕方可进行维修工作。3、任何影响逆变器安全性能的故障必须立即排除才可以再次开启逆变器。4、避免不必要的电路板接触5、遵守静电防护规范，佩戴防静电手环。6、注意并遵守产品上的警告标识。7、操作前初步目视检查设备有无损坏或其它危险状态。8、注意逆变器热表面。比如功率半导体的散热器等，在逆变器断电后一段时间内，仍保持较高温度，这时要防止烫伤。较后，机器维修完毕后，要确保任何影响逆变器安全性能的故障已经确认解决，才能再次开启逆变器。明白了光伏并网逆变器的维修规范，我们在日常养护维修过程中加以重视，始终把安全放在一位，这样才能避免隐患的发生。北京电力逆变器

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电力

户用储能的DC-DC实现方案

户用储能系统常常通过在光伏逆变器的直流侧引入双向DCDC模块来实现电池包的充放电，这套系统由MPPT、DCDC和PCS三部分构成。其中，双向DCDC单元有两类常见设计：

首先，双向全桥型DCDC拓扑以其紧凑的结构和灵活的配置能力脱颖而出，适用于大规模电池组，它确保电池包与直流母线之间的安全隔离，特别适合对隔离有高要求的场合。

另一种常见的设计是采用Boost和Buck模式工作的双向DCDC，其优点在于结构简单，器件少，驱动和控制相对简单，损耗也较低。然而，它存在电池与直流母线共地的不足。

在光伏储能系统中，PCS（Power Conditioning System）起着关键作用，它负责协调电池储能系统与交流电网的双向能量转换，通过精细的控制策略实现电池充放电管理，跟踪网侧负荷功率，以及在不同运行模式下控制网侧电压。通常情况下，户用PCS与光伏逆变器共享DC/AC逆变器，功率较小的系统可能采用Heric等特殊拓扑。传统上，根据电压需求，会选择双电平、三电平或多电平模式。

光伏漫谈4- 逆变器拓扑结构

光伏逆变器作为光伏发电核心设备，其设计与应用根据不同功率需求与场景，采用的电路拓扑结构存在显著差异。主要拓扑结构包括工频隔离、高频隔离、非隔离以及特殊的组串式逆变器NPC拓扑等。

工频隔离逆变器采用工频50Hz变压器实现功率传输，结构相对简单，由整流桥、滤波和工频变压器组成，但受限于体积较大的变压器，实际应用中较少使用。

高频隔离逆变器在微型逆变器中较为常见，为了保障人体安全，需要在交流与直流侧隔离。此拓扑结构采用高频隔离，可显著减小体积。三种常用拓扑结构包括昱能的250W微型逆变器、禾迈MI-700的交错反激拓扑以及不含直流母线串联谐振的拓扑。前两种拓扑在高压电容使用、控制复杂度和效率上有所差异，后者则无需高压电容，但需要增加低压大电容，控制简单，适合小功率应用。

非隔离逆变器通过直接将光伏输入升压至工频信号，进而实现组串式逆变，相比隔离型，此类逆变器效率更高、成本更低，但存在零点偏移、直流分量等问题。为解决此类问题，可以采用交流或直流旁路方式隔断DC分量。专利H5技术通过5个开关管实现了直流旁路逆变器，通过交替控制实现完整的正弦输出。

组串式逆变器中，NPC三电平逆变器因其效率高、谐波小而广受青睐。I型NPC结构正负半周期由不同的IGBT承担开关损耗，ANPC结构则通过在每个IGBT旁并联IGBT来平衡内（Q2和Q3）外（Q1和前）管之间的损耗。T型三电平拓扑则通过减少开关损耗，提高效率，但需要IGBT耐压达到母线电压的两倍，适用于低压系统或高压功率管应用。

随着功率器件特性和耐压的提升，某些拓扑结构的竞争力增强。同时，学术研究的深入与功率器件的变化将催生更多逆变器拓扑，进一步提升应用效率，降低体积和成本。技术发展将持续推动逆变器拓扑的创新与优化。

典型的双向全桥dc-dc变换电路2种控制方式有何区别?

在探讨典型的双向全桥直流-直流变换电路的两种控制方式时，关键在于理解每种方法的原理和特性。控制方法的差异对电路的性能有着直接影响。

第一种控制方式采用两套控制系统，整流器执行电压源型变换（VSR），逆变器则执行电压源型逆变（VSI）。这使得控制逻辑更为复杂，但优势在于能够通过在DQ变换后为Q轴设定0的参考值来精确控制功率因数。这种控制方式下，占空比会发生变化，但其调压范围受限，因为变压器只能实现升压和隔离功能，而交流侧电压的幅度不能超过直流侧电压。因此，交流侧电压需要通过LC滤波接近正弦波形。

第二种控制方式则采用传统双相移控制的双主动/半桥结构，其设计相对简化，仅需采样输出电压，占空比固定为50%。通过DSP对副边进行脉宽调制（EPWM）时设置相移延迟，便能实现电流波形的生成。然而，电流波形并非正弦波。

在变压器的设计与应用中，不仅要考虑升降压和隔离功能，还需考虑利用漏感进行储能。理论上，当原副边的折算变比接近1时，电路能实现零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）。然而，实际操作中，由于死区效应的存在，输出电压并不能精确为零。为了改善性能，可以通过调整设计参数、引入电容形成LLC拓扑结构，或采用更先进的控制策略如双相移控制。

此外，值得注意的是，传统的双主动/半桥控制方式还存在交流电流零漂和死区极性反转的问题。深入研究这些现象，有助于优化电路设计，提高变换效率和稳定性。

单相小功率逆变器拓扑

逆变器技术在光伏并网系统中的应用日益广泛，尤其在低压电网指令和无功调节方面面临挑战。常见拓扑结构在抑制漏电流和共模电流方面存在局限性，因此高效抑制漏电流的拓扑架构和共模电流抑制成为关键。本文将详细介绍逆变器拓扑在这些问题上的解决方案和改进。

传统小功率逆变器主要使用H4单相全桥拓扑，但由于存在漏电流问题，需要通过改变调制策略或增加RC吸收电路、输出隔离变压器等方式解决，这些措施会导致效率下降、体积增大和成本增加。德国SMA公司推出的H5结构从根本上解决了漏电流问题，随后出现了一系列解决漏电流的拓扑，如H6、双Buck拓扑等，这些拓扑在提高效率方面表现出色。

抑制共模电流是提升逆变器性能的关键之一。共模电流影响系统安全，降低效率，并引入谐波。逆变器中寄生电容的存在导致共模电压变化，进而产生共模电流。抑制共模电流的方法主要是降低共模电压的频率或维持共模电压不变。在实际应用中，选择合适的拓扑结构对于抑制共模电流至关重要。

H4和H6拓扑在抑制共模电流方面的性能分析表明，H6拓扑相对H4拓扑在共模电流抑制上具有优势。H6逆变拓扑采用单极性SPWM调制，产生高频SPWM输出波形，通过LC滤波器连接市电。控制环路通过采样BUS电压、市电电压和电感电流，实现输出电流与市电电压相位的同步，同时满足各法规对输出电流的要求。在工作原理中，H6逆变桥采用6个开关管驱动波形，实现高频和低频开关管的优化配置，以减少损耗和提高效率。

在H6拓扑中，开关管的选取考虑了开关频率和电流峰值等因素，以确保在稳定工作条件下，高频开关管开关动作时的△Vds范围较小，从而减少开关损耗。此外，通过合理配置二极管、滤波电感和滤波电容，实现逆变器的高效运行和良好的电流输出波形。

为了进一步优化逆变器的性能，设计了差分采样电路和抬升电路，以满足DSP28335的ADC输入电压范围需求。逆变器的输出滤波器采用LC或LCL结构，选择合适的滤波器结构以满足不同应用场合的需求，从而实现对高频谐波的有效衰减。

最后，通过双极性和单极性SPWM控制方式的比较，双极性SPWM虽然在损耗和电感电流纹波方面相对较高，但不存在共模漏电流问题，且不容易产生过零点畸变。因此，在设计逆变器控制策略时，需要综合考虑效率、损耗和系统稳定性等因素。

综上所述，高效抑制漏电流的拓扑架构和共模电流抑制策略是小功率逆变器面临的技术难题。通过采用先进的拓扑结构、优化控制策略和合理配置电路组件，可以显著提升逆变器的性能和可靠性，满足低压电网指令和无功调节的需求。

双向PCS储能变流器（二）基于T型三电平逆变器拓扑的单级式PCS MATLAB/Simulink仿真实现

基于T型三电平逆变器拓扑的单级式PCS在MATLAB/Simulink中的仿真实现，主要包括以下关键步骤和要点：

系统设计与参数设置：

三相电网电压与频率：设定仿真中的电网电压等级和频率，这是系统运行的基础参数。直流电压：根据实际应用需求，设定储能系统的直流母线电压。储能变流器开关频率：选择合适的开关频率，以平衡系统性能和开关损耗。负载功率：根据仿真需求，设定负载的功率特性。

控制策略设计：

电压外环与电流内环：采用PI控制器构建电压外环和电流内环，以实现精确的电压和电流控制。三电平SVPWM空间矢量调制：利用三电平空间矢量脉宽调制技术，优化开关状态，提高逆变效率。锁相环技术：引入锁相环技术，确保系统能够准确跟踪电网相位，实现同步控制。

仿真模型搭建：

T型三电平逆变器模型：在MATLAB/Simulink中搭建T型三电平逆变器模型，包括功率开关器件、直流母线电容等。双向PCS控制系统模型：结合电压外环、电流内环控制器和三电平SVPWM调制策略，搭建双向PCS的控制系统模型。电网与负载模型：搭建三相电网模型和负载模型，以模拟实际运行场景。

仿真结果分析：

电压稳定性：观察并验证系统在逆变并网和整流模式下的电压稳定性。电流畸变率：分析电流波形，确保电流畸变率低于设定值。中点电位平衡：验证T型三电平逆变器在双向PCS中的应用效果，确保中点电位平衡功能正常。

系统性能验证：

逆变并网模式：在逆变并网模式下，验证系统能否将直流电能高效转换为交流电能并入电网。整流模式：在整流模式下，验证系统能否将交流电能转换为直流电能并存储于储能系统中。

总结：基于T型三电平逆变器拓扑的单级式PCS在MATLAB/Simulink中的仿真实现，通过精确的系统设计与参数设置、合理的控制策略设计、详细的仿真模型搭建以及全面的仿真结果分析，验证了T型三电平逆变器在双向PCS中的应用效果，确保了系统的高效稳定运行。

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