光伏逆变器及储能常见的拓扑结构及其工作原理

7月前浏览520

逆变器是将直流电（DC）转换为交流电（AC）的电力电子装置，其拓扑结构根据功率等级、效率、成本和应用场景的不同而有所差异。逆变器的前端MPPT DCDC升压部分不需要隔离时一般就是普通的BOOST电路，由一个功率电感、电容、MOS和快恢二极管组成，当前级需要隔离时，可以选择的拓扑结构比较多，如移相全桥电路和LLC电路是基本的DC/DC电路。后端逆变器DC/AC逆变部分一般采用buck型的拓扑，用正弦波调制，拓扑结构很多，本文就会着重介绍：

1. 半桥逆变器（Half-Bridge Inverter）

结构：由两个开关管（如MOSFET或IGBT）和两个电容组成，电容中点作为交流输出参考点。

特点：

输出交流电压幅值为输入直流电压的一半。

结构简单，成本低，但输出电压谐波含量较高。

应用：低功率场景（如小家电、LED驱动）。

2. 全桥逆变器（Full-Bridge Inverter）

结构：四个开关管组成桥臂，输出端跨接在两个桥臂中点。

特点：

输出交流电压幅值可达输入直流电压（利用率高于半桥）。

可通过脉宽调制（PWM）控制输出电压和频率。

应用：中小功率逆变器（如光伏并网、UPS）。

3. 三相桥式逆变器（Three-Phase Bridge Inverter）

结构：六只开关管（每相上下桥臂），输出三相交流电。

特点：

可生成对称的三相电压，适合电机驱动等工业应用。

常用空间矢量调制（SVPWM）提高效率。

应用：工业电机驱动、新能源发电系统。

4. 多电平逆变器（Multilevel Inverter）

通过增加输出电平数降低谐波，减少滤波器需求，适合高压大功率场景。常见类型：

二极管钳位型（NPC, Neutral-Point Clamped）：

通过钳位二极管实现多电平，如三电平NPC。

飞跨电容型（Flying Capacitor）：

利用电容钳位，电平数灵活，但控制复杂。

级联H桥型（Cascaded H-Bridge）：

多个H桥串联，模块化设计，适合高压应用（如STATCOM）。

5. 推挽逆变器（Push-Pull Inverter）

结构：带中心抽头变压器，两个开关管交替导通。

特点：

变压器提供隔离，适合低压输入场景。

开关管电压应力为两倍输入电压。

应用：离网太阳能系统、车载逆变器。

6. Z源逆变器（Z-Source Inverter）

特点：

集成阻抗网络，允许直通状态（Shoot-Through），提升电压灵活性，适用于光伏等输入电压波动的场景。

以下是单相逆变的常见拓扑：

以下是三相逆变拓扑结构

我经常接触的就是三电平拓扑结构和heric拓扑结构，下面就着重介绍下这两个拓扑结构的工作原理。

一、三电平I型结构

I型NPC拓扑结构是最早提出的一种三电平拓扑，其基本结构由两级逆变器电路组成，使用两个中间电压点（中性点）来分配电压。电源通过多个开关（通常是IGBT）控制三个电平：正电压、中性电压、负电压。

冗余控制强：更多开关管组合可应对故障模式。

中性点平衡好：减少直流母线电压波动。

适合高压场景：如1500V光伏系统。

二、三电平T型结构

T型NPC拓扑结构是在I型NPC和ANPC基础上进一步优化的设计。T型NPC的主要特点是它将两个级联的逆变器和三个中性点钳位开关（T型开关）结合在一起，通过额外的电路优化，改善了中性点电压的稳定性和系统的性能。

效率更高：导通和开关损耗低，适合高频应用。

成本更低：减少开关管数量，依赖低价二极管。

体积更小：适合紧凑型逆变器设计。

三、heric拓扑结构

HERIC拓扑在传统全桥逆变器的基础上增加了两个开关管（S5、S6）和两个二极管（D1、D2），形成交流旁路路径，广泛应用在单相逆变上面。

交流旁路设计：通过S5/S6和D1/D2在开关管关断时提供续流通路，消除共模漏电流（光伏系统常见问题）。

软开关特性：降低开关损耗，提升效率（>99%峰值效率）。

四、储能电池部分的拓扑结构

在带储能的串式光伏逆变器中，双向DC/DC部分是独特的一部分电路，本节重点分析一下有哪些拓扑比较适合做这部分电路。前述所知，这部分电路的主要作用是一方面给电池存储能量，另一方面对电池进行放电供给负载，当系统功率较小时，或者单相系统而言，采用低压48V电池即可，对于大功率或者三相系统，一般采用400V或者800V的电池储能。