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光伏发电技术 储能系统 单相逆变器 ★ 5.0

基于图论的共地无变压器单相逆变器拓扑推导方法

Topology Derivation Method of Common-Ground Transformerless Single-Phase Inverters Based on Graph Theory

作者 Zhilei Yao · Qin Xu
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年11月
技术分类 光伏发电技术
技术标签 储能系统 单相逆变器
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 单相逆变器 拓扑推导方法 图论 电压增益 系统效率
语言:

中文摘要

共地型无变压器单相逆变器由于不存在共模漏电流,在光伏发电系统中得到了广泛应用,但目前尚无关于其拓扑推导的系统理论。因此,本文提出了一种基于图论的双接地单相逆变器通用拓扑推导方法。通过确定共地拓扑的特性,并分别在无向图中插入开关、电感和电容,可推导出共地拓扑。以具有四个节点、四个开关、三个电感和三个电容的拓扑为例,说明了该推导方法。以推导得到的其中一种拓扑为例,阐述了该逆变器的工作原理,该逆变器具有较高的电压增益。该系统为单级系统,因此可以提高系统效率。对参考电压表达式进行简化,以减少数字信号处理器(DSP)的计算时间。最后,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

English Abstract

Common-ground transformerless single-phase inverters are widely used in the photovoltaic generation systems because of no common mode leakage current, but there is no systematic theory on topology derivation of them. Therefore, a general topology derivation method of the double-grounded single-phase inverters based on graph theory is proposed. The common-ground topologies can be derived by determining the properties of the common-ground topologies and inserting switches, inductors, and capacitors to the undirected graphs, respectively. The topologies with four nodes, four switches, three inductors, and three capacitors are taken as an example to illustrate the derivation method. One of the derived topologies is taken as an example to illustrate the operating principle of the inverter, which has high voltage gain. The system is a single-stage system, so efficiency of the system can be improved. The reference voltage expression is simplified to reduce the digital signal processor (DSP) computation time. Finally, simulation and experimental results verify the theoretical analysis.
S

SunView 深度解读

从阳光电源光伏逆变器业务角度分析,该论文提出的基于图论的共地型无变压器单相逆变器拓扑推导方法具有重要的技术价值和应用前景。

在产品价值层面,共地型拓扑能够从根本上消除光伏系统中的共模漏电流问题,这对于阳光电源的户用和小型商用逆变器产品线尤为关键。当前市场对系统安全性和可靠性要求日益严格,共模漏电流不仅影响人身安全,还会导致系统频繁保护动作,降低发电效率。该方法通过系统化的拓扑推导理论,为我们开发新一代高性能逆变器提供了理论工具,有助于突破传统经验式设计的局限性。

技术创新方面,论文展示的单级高增益拓扑特别值得关注。相比传统两级架构,单级方案可显著提升系统效率(预期提升1-2个百分点),降低成本和体积,这与阳光电源追求高功率密度和高效率的产品战略高度契合。简化的参考电压表达式也能减轻DSP计算负担,为实现更复杂的控制算法预留资源。

然而,该技术的产业化仍面临挑战。首先,从理论推导到实际产品需要大量的电磁兼容、热设计和可靠性验证工作;其次,新拓扑的器件应力特性需要深入评估,以确保长期运行稳定性;再者,需要建立完整的控制策略和保护机制。

建议阳光电源将此方法纳入预研项目,结合公司在功率半导体和控制算法方面的积累,系统性探索适合量产的优化拓扑,为下一代户用逆变器技术储备奠定基础,巩固在无变压器逆变器领域的技术领先地位。