我們聊了關(guān)于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵性問題，提到接下來會聊聊光伏逆變器的三電平拓撲，那么今天我們就來聊聊光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的兩種三電平拓撲——NPC1和NPC2~內(nèi)容較長，建議收藏！
兩種拓撲的基本介紹
類似工業(yè)變頻器，伺服，UPS等，我們常見的逆變部分的電路拓撲都是兩電平的那種，很少會提及到三電平的電路拓撲。但是像光伏、風電和中高壓變頻器等，三電平相對來講就比較普遍了，當然也不乏兩電平的拓撲。下面我們先來看看兩種三電平電路拓撲的基本電路圖：
首先，NPC1三電平，我們也稱之為I字型三電平，逆變的拓撲結(jié)構(gòu)如下：
每一相的拓撲為：
是不是很形象，I型三電平，目前很多半導體廠商都有相應(yīng)的NPC1模塊，也有設(shè)計過程中用三個兩電平搭建三電平。
第二種，NPC2我們也稱之為T型三電平，逆變的拓撲結(jié)構(gòu)如下：
每一相的拓撲也很形象，T型三電平：
我們從所需功率半導體數(shù)量和所需驅(qū)動電源數(shù)量來聊聊這兩種拓撲。
①所需功率器件數(shù)量
從上圖來看，NPC1拓撲每相需要4只IGBT和6只二極管，三相總共需要12只IGBT和18只二極管；而NPC2拓撲每相需要4只IGBT和4只二極管，三相總共需要12只IGBT和12只二極管，在不增加控制難度的前提下，每相橋臂減少了2只鉗位二極管，成本上略有降低。
②所需的驅(qū)動電源數(shù)量
要實現(xiàn)對IGBT較好的開關(guān)控制，驅(qū)動電路必須具備兩種功能：一是實現(xiàn)控制電路和被驅(qū)動IGBT的隔離；二是提供合適的門極驅(qū)動脈沖。
如上圖，NPC1三電平中12只IGBT需要12路驅(qū)動電路，為了防止上、下橋臂通過開關(guān)電源短路，每個橋臂的IGBT驅(qū)動電路需要采用相互隔離的直流電源供電，并且驅(qū)動電源的地和該IGBT的發(fā)射極相連；而下橋臂的T4\T8\T12是共發(fā)射極的，所以這三只IGBT的驅(qū)動電源共地，因而只需要一路驅(qū)動電源。因此，NPC1三電平至少需要10路相互隔離的驅(qū)動電源。
NPC2三電平拓撲中，每相橋臂由兩只內(nèi)管共集電極串聯(lián)后與中點相連，由于T2與T1共發(fā)射極，可共用一路驅(qū)動電源；T3、T7和T11的發(fā)射極通過中點相連，也可共用一路驅(qū)動電源；T4、T8、T12共發(fā)射極也可共用一路驅(qū)動電源。所以，NPC2三電平拓撲只需5路相互隔離的驅(qū)動電源。從數(shù)量上看，NPC2比NPC1所需的驅(qū)動電源數(shù)量少，損耗和體積也就相應(yīng)的減小了。
換流過程和損耗分析
下圖是三電平逆變器的電壓和電流波形圖：
這里為了方便，我們以其中A相為例進行分析。V0為輸出電壓的基波分量。穩(wěn)態(tài)時，三電平的P、0、N分別對應(yīng)A點的電壓為：+Vdc/2、0、-Vdc/2；負載電流IA由逆變器注入負載方向為正，反之為負。
當輸出功率因數(shù)不為1時，假設(shè)感性負載時電流滯后電壓θ角，將一個調(diào)制周期內(nèi)的輸出電壓、電流根據(jù)過零點的情況劃分為四個區(qū)域。我們這里僅分析在調(diào)制電壓的正版周期(V0＞0)且負載電流IA＜0時的工作模式，其他工作模式是類似的。
為了便于分析，假定V0＞0且IA＜0時，并以0到P狀態(tài)和P到0狀態(tài)為例，分析其換流過程中的開關(guān)損耗。
NPC1拓撲的換流過程
①從0到P狀態(tài)
下圖為NPC1拓撲中從0到P狀態(tài)的換流過程：
換流前 換流時 換流后
換流前：在t0時刻之前，T3導通T1關(guān)斷，電流IA經(jīng)T3、D14流入電容中點0，電路處于IA＜0，VA=0；
換流時：在t0~t1時間段，T3關(guān)斷且T1尚未導通前，由感性負載作用，電流直接通過D2、D1流向P點；
換流后：在t1~t2時間段，T3關(guān)斷T1導通后，電流IA經(jīng)D2、D1流向P點，輸出電壓被二極管D2、D1鉗位到正母線電壓，電路處于IA＜0，VA=Vdc/2。
在此過程中負載電流在T3、D14和D2、D1之間換流。對應(yīng)的開關(guān)損耗分別為Loss_T3、Loss_D14、Loss_D2、Loss_D1。
②從P到0狀態(tài)
下圖為NPC1拓撲中從P到0狀態(tài)的換流過程：
換流前 換流時 換流后
換流前：在t1~t2時間段，T1導通T3關(guān)斷，電流IA經(jīng)D2和D1流向P點，電路處于IA＜0，VA=Vdc/2；
換流時：在t2~t3時間段，T1關(guān)斷且T3尚未導通前，電流還是繼續(xù)通過D2和D1流向P點；
換流后：在t3~t4時間段，T1關(guān)斷T3導通后，電流IA經(jīng)T3、D14流入到電容中點0，電路處于IA＜0，VA=0。
在此過程中，負載電流在D2、D1和T3、D14之間換流。對應(yīng)的開關(guān)損耗分別為Loss_D2、Loss_D1、Loss_T3、Loss_D14。
NPC2拓撲的換流過程
①從0到P狀態(tài)
下圖為NPC2拓撲中從0到P狀態(tài)的換流過程：
換流前 換流時 換流后
換流前：在t0時刻之前，T3導通T1關(guān)斷，電流IA經(jīng)D2、T3流入電容中點0，電路處于IA＜0，VA=0；
換流時：在t0~t1時間段，T3關(guān)斷且T1尚未導通前，電流直接通過D1流向P點；
換流后：在t1~t2和t3~t4時間段，T3關(guān)斷T1導通后，電流IA經(jīng)D1流向P點，電路處于IA＜0，VA=Vdc/2。
在此過程中負載電流在T3、D2和D1之間換流。對應(yīng)的開關(guān)損耗分別為Loss_T3、Loss_D2、Loss_D1。
②從P到0狀態(tài)
下圖為NPC2拓撲中從P到0狀態(tài)的換流過程：
換流前 換流時 換流后
換流前：在t1~t2時刻段，T1導通T3關(guān)斷，電流IA經(jīng)D1流入電容中點P，電路處于IA＜0，VA=Vdc/2；
換流時：在t2~t3時間段，T1關(guān)斷且T3尚未導通前，電流還是繼續(xù)通過D1流向P點；
換流后：在t3~t4時間段，T1關(guān)斷T3導通后，電流IA經(jīng)D2和T3流入電容中點0，電路處于IA＜0，VA=0。
在此過程中負載電流在D2和D1、T3之間換流。對應(yīng)的開關(guān)損耗分別為Loss_D2、Loss_D1、Loss_T3。
從上面的過程我們可以看到，在V0＞0且IA＜0時，無論是從0到P狀態(tài)還是從P到0狀態(tài)，NPC2拓撲均會比NPC1拓撲少一個二極管的開關(guān)損耗。類似的，V0＞0且IA＞0時，也是如此。
電壓應(yīng)力和損耗分析
NPC1三電平的電壓應(yīng)力和損耗分析
下圖是NPC1拓撲在V0＞0且IA＜0時各個管子所承受電壓應(yīng)力的示意圖：
圖中以VA=Vdc/2為基準，其他電壓應(yīng)力按照高度比例以此為參考，VA和IA分別表示A相輸出的電壓和電流。
㈠ 在t0時刻之前
T3導通，T1、T2、T4關(guān)斷，電流通過T3和D14流向中點0，此時VA=0，即0狀態(tài)；T1、T2、D1、D2、D13承受的電壓均為Vdc/4，T4、D4承受的電壓為Vdc/2，由于T3、D14導通，故不承受電壓應(yīng)力，D3也不承受。
㈡ 在t0~t1、t1~t2、t2~t3和t4~t5時間段
其中t0~t1時間段，T1、T2、T3、T4均處于關(guān)斷狀態(tài)；t1~t2時間段，T1、T2同時導通；t2~t3時間段，T2導通，T1關(guān)斷且T3尚未導通；t4~t5時間段，T3關(guān)斷T2導通，這四個時間段電流都是通過D2和D1流向P點，輸出電壓被二極管鉗位在正母線電壓，此時VA=Vdc/2，即P狀態(tài)。
㈢ 在t3~t4時間段
T2、T3導通，T2導通但沒電流流過，電流通過T3和D14流入中點0，此時VA=0，即0狀態(tài)。
對于NPC1拓撲，在V0＞0且IA＜0時，T1導通時間較長，并且開關(guān)狀態(tài)頻繁切換，功率損耗最大，而T2一直處于導通狀態(tài)，只有導通損耗。同理分析其他情況，可以得出：兩個外觀T1、T4幾乎承擔所有的開關(guān)損耗，所以在開關(guān)頻率較高時，兩個外管的總損耗會很大，這樣T1、T4的芯片結(jié)溫就較高。
NPC2三電平的電壓應(yīng)力和損耗分析
下圖是NPC2拓撲在V0＞0且IA＜0時各個管子所承受電壓應(yīng)力的示意圖：
同樣的，也可以和NPC1一樣，分為三個狀態(tài)：
㈠t0時刻前和t3~t4時間段；㈡t0~t1時間段；㈢t1~t2、t2~t3、t4~t5時間段。
這里就不再贅述，每個狀態(tài)下的電壓應(yīng)力見下表：
狀態(tài)功率管電壓應(yīng)力
㈠VT1、VT4、VD1、VD4
Vdc/2
VT2、VT3、VD2、VD30
㈡VT4、VD4Vdc
VT2、VD2、VT3、VD3Vdc/4
VT1、VD10
㈢VT4、VD4Vdc
VT3、VD3Vdc/2
VT1、VD1、VT2、VD20
對于NPC2拓撲，在V0＞0且IA＜0時，開關(guān)狀態(tài)均由T1承擔，續(xù)流狀態(tài)由D2、T3承擔。其他情況以此類推。可以得出：尚、下橋臂之間總的損耗比較均衡，發(fā)熱也就較為均衡，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。另外，在有源供電狀態(tài)時，只有一只管子(T1或者T4導通)，所以導通損耗較低，使得總損耗更低、效率更高。
好了，關(guān)于光伏系統(tǒng)逆變器的兩種拓撲就聊到這里，更多內(nèi)容后續(xù)跟進。今天的內(nèi)容依舊希望你們能夠喜歡~
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