光伏發電逆變技術的發展趨勢及其解決方案

范莉平

（太原合創自動化有限公司，太原 030032）

1 光伏發電逆變技術國內、外的現狀及發展趨勢

1.1 綜述

20世紀 70年代以來，兩次石油危機、當前嚴重的環境污染以及氣候變暖峰會的強烈呼吁，迫使人們更加努力尋找和開發新能源。對于污染及耗能大戶——電力工業，也面臨巨大的挑戰。光伏發電作為可再生的替代能源發電，在世界范圍內受到高度重視且發展迅速。目前，光伏發電作為常規能源的補充，無論從解決電力耗能問題上，還是從環境保護戰略上都具有重大的戰略意義。

在國內，政府先后出臺《可再生能源法》及其相關實施細則等政策來扶持光伏等新能源產業發展。2009年，隨著“金太陽”工程在全國各省的動工實施，國內光伏市場將得以長足發展。不僅如此，新能源振興規劃預測，2020年光伏發電安裝量將要達到2000萬kW，是《可再生能源中長期發展規劃》中規定的10倍以上。

由此可見，從全世界到國家，光伏發電產業都將得到大力支持，并得以迅速發展，這必將帶動光伏產業：原材料生產、太陽能電池及組件生產、逆變器等相關設備制造的配套行業的迅猛發展。光伏并網逆變器是光伏并網發電系統中核心部件，其主要功能是將太陽能電池板發出的直流電逆變成交流電，并送入電網。其效率的高低、可靠性的好壞將直接影響整個光伏發電系統的性能。

1.2 國外逆變器的研究現狀

國外低壓并網逆變器已經是較為成熟的市場產品，在歐洲光伏專用逆變器市場中就有 SMA，Sputnik和西門子等眾多的公司具有市場化的產品，高壓并網逆變裝置SMA、西門子等公司現已形成市場產品。

SMA公司的光伏并網逆變器目前有三大類型：SB組串逆變器， SMC小集中型逆變器，以及2008年研制成功1MW SC并網逆變器。SB產品系列可以將幾臺逆變器光伏組件輸入端并接的ST技術以及低輸入電壓 LV技術，可滿足不同的應用要求。SMC產品系列采用集成直流負荷斷路開關 ESS，較為簡單而又安全地斷開光伏組件與逆變器；具有三相功率平衡功能，確保并網時的三相平衡。SC并網逆變器使用的電源系統可靠性高，微處理技術較為先進。

1.3 國內逆變器的研究現狀

我國光伏發電的起步較晚，光伏系統的相關技術的研究處于起步階段，技術水平相對國外還有一定差距。針對大型光伏發電系統的核心部分兆瓦級并網逆變器，北京索英電氣技術有限公司、安徽合肥陽光電源有限公司等單位在這一方面進行了相關的研究。

目前，北京索英電氣技術有限公司主要是 SEE系列逆變器分為單相和三相太陽能并網逆變器。此系列產品容量范圍從10－100kW，采用日本的智能功率模塊IPM作為主回路功率器件，運用該公司并網控制技術，具有結構較為簡單、效率高、性能優良。但是應用于大型光伏電站則需要低壓變壓器來解決，從長遠來看，不利于大型光伏發電降低系統發電成本。

國內光伏逆變器領域的生產是一個弱項，光伏逆變器產業整體水平較低，中國最大的光伏系統提供商——中盛光電采購的光伏逆變器多采用西門子、SMA等外資企業。這樣導致大型光伏系統的造價升高、依賴性強，從而制約了并網型光伏系統在國內市場的發展和推廣。

1.4 逆變技術發展趨勢

隨著光伏發電的迅速發展，對光伏發電提出了新的要求，需要大規模的并網發電，與電網連接同步運行。并網逆變器作為光伏發電的核心，對其要求也越來越高。

首先，要求逆變器輸出的電量和電網電量保持同步，在相位、頻率上嚴格一致，逆變器的功率因數近于 1。其次，滿足電網電能質量的要求，逆變器應輸出失真度小的正弦波。第三，具有對孤島檢測的功能，防止孤島效應的發生，避免對用電設備和人身造成傷害。第四，為了保證電網和逆變器安裝可靠運行，兩者之間的有效隔離及接地技術也非常重要。

主要技術發展趨勢如下：

（1）結構發展趨勢

過去逆變器的結構由工頻變壓器結構的光伏逆變器轉化多轉換級帶高頻變壓器的逆變結構，功率密度大大提高，但也導致了逆變器的電路結構復雜，可靠性降低。現階段的光伏并網逆變器普遍采用了串級型，經過反復研究表明：逆變器采用多串級逆變結構，融合了串級的設計靈活、高能量輸出與集中型低成本的優點，是今后光伏并網逆變結構的一種發展趨勢。

（2）控制策略發展趨勢

光伏并網發電系統中的逆變器需要對電流和功率進行控制，逆變器輸出電流主要采用各種優化的PWM控制策略。

對光伏陣列工作點跟蹤控制主要有：恒電壓控制策略和MPPT光伏陣列功率點控制策略。

現代控制理論中許多先進算法也被應用到光伏逆變系統的控制中，如人工神經網絡、自適應、滑模變結構、模糊控制等。將來光伏并網系統的綜合控制成為其研究發展的新趨勢。基于瞬時無功理論的無功與諧波電流補償控制，使得光伏并網系統既可以向電網提供有功功率，又可以實現電網無功和諧波電流補償。這對逆變器跟蹤電網控制的實時性、動態特性要求更高。

逆變器對于孤島效應的控制，孤島效應的檢測一般分成被動式與主動式。常常采用主動檢測法如脈沖電流注入法 、輸出功率變化檢測法、主動頻率偏移法和滑模頻率偏移法等。隨著光伏并網發電系統進一步的廣泛應用，當多個逆變器同時并網時，不同逆變器輸出的變化非常大。將來多逆變器的并網通信、協同控制已成為其孤島效應檢測與控制發展趨勢。

2 高壓、大容量逆變器的關鍵技術

目前，我國小型、低壓用戶直接并網的光伏逆變器有了較成熟的產品，對于高壓大功率并網逆變器的研究正處于研制階段。本文介紹了一種采用高電壓、MW級大容量并網的方式，并達到了高壓并網要求的技術。

該逆變器采用九電平變基準疊加 PWM與矢量控制相結合的控制方法來控制 IGBT開關，通過三相 IGBT功率模塊及優化的網絡拓撲結構將直流逆變成完美無諧波的正弦電壓、電流波形，并采用數學模糊集合基礎上的頻率偏移主動式反孤島控制，與電網智能化軟連接并網運行。

2.1 技術原理

2.2 九電平IGBT開關拓撲電路

逆變器采用的拓撲電路是變基準疊加技術的九電平完美無諧波開關網絡拓撲電路，如圖2所示。

圖1

圖2 九電平完美無諧波開關網絡拓撲電路

圖3 九電平信號

圖4 四電平信號

（1）結構及原理描述

如圖2所示，變基準疊加技術的九電平完美無諧波開關網絡拓撲電路，由三個單相的開關網絡拓撲電路組成，U相開關網絡拓撲電路由6個二極管D1-D6、D10個絕緣柵雙極三極管IGBT1-IGBT10、電阻 R1、R2和電容 C1、C2構成。同理，開關網絡拓撲電路的V相和W相的所有元器件與U相的開關網絡拓撲電路完全相同。

電路中 IGBT1、IGBT5、IGBT4、IGBT8用作 PWM控制，IGBT2、IGBT3、IGBT6、IGBT7用作電平疊加，與其相對應的D3、D4、D5、D6均為箝位二極管。

IGBT開關工作原理是：如圖2所示，當U相的開關 IGBT3、IGBT4和 IGBT5、IGBT6以及 V 相的IGBT2、IGBT7、IGBT8導通時，在V相的IGBT1上施加PWM信號時，就會產生如圖3所示的九電平信號。如圖2所示，當U相的IGBT3、IGBT4和IGBT5、IGBT6以及V相的IGBT2、IGBT7導通時，在V相的IGBT1上施加脈沖寬度調制（PWM）信號時，就會產生如圖4所示的四電平信號。

根據上述原理，配合不同的開關狀態，可以產生出-4E～4E九個電平信號。在每一個電平臺階上，可根據不同脈寬的PWM信號，模擬出本段的波形，從而能夠形成比較完美的正弦波。

（2）與傳統技術進行比較的優勢

本逆變器采用了上述結構與傳統技術相比，具有以下幾點優勢：

1）利用低電壓、小功率的IGBT開關的組合實現了大功率高電壓逆變器的開關網絡拓撲電路。

2）逆變器輸出電壓波形為九電平完美無諧波，其THD各項指標均滿足IEEE要求。

3）電路易于控制，用PWM控制去完成系統的無功功率分布，進而達到使系統功率因數趨于1。

4）與傳統的多重化結構比較：若輸出九電平波形，多重化電路需要16個IGBT開關。本逆變器拓撲電路采用疊加技術，每相只需10個IGBT開關。

2.3 九電平開關操作及并網運行主控制器原理

圖5為九電平開關操作及并網運行主控制器原理框圖，其特點為：通過檢測開關狀態提高 IGBT開關的可靠性和易操作性，并實時檢測比較九電平IGBT開關輸出端與電網端的電流、電壓、頻率、波形等相關信息，完成智能化軟啟動并網運行及反孤島運行的功能。

圖5 主控制器原理框圖

該主控制器包括主控制微控制器及輔助電路、輔助控制微控制器及輔助電路、控制面板微控制器及輔助電路、IGBT開關檢測電路、雙端口隨機存取存儲器和模擬信號偏置電路。

主控制微控制器與輔助控制微控制器之間采用雙端口隨機存取存儲器連接，完成傳遞 IGBT開關檢測數據及軟啟動開關的數據，相互傳遞通訊信息，完成優化控制功能。

IGBT開關檢測電路與主控制微控制器和輔助控制微控制器連接，使主控制微控制器及輔助控制微控制器實時準確的檢測所有 IGBT開關的切換狀態及關斷狀態，為主控制微控制器及輔助控制微控制器提供可靠的開關狀態信息，使主控制微控制器及輔助控制微控制器可準確無誤的向九電平 IGBT開關拓撲電路發出觸發信號，同時避免了開關切換時的狀態混疊現象，保證IGBT開關有序的切換。

模擬信號偏置電路與主控制微控制器和輔助控制微控制器連接，為主控制微控制器和輔助控制微控制器提供被控電網的電壓及電流參數。

主控制微控制器及輔助電路包括主控制微控制器芯片，用于接收由 PT、CT轉化后的信號而自動檢測直流系統及電網的參數并動態的建立其數學模型，計算直流系統運行的所有參數并輸出相應的指令，控制輸出給電網的電壓為期望的九電平波形，電流為完美無諧波的正弦波形，使逆變器與電網系統功率因數趨于1.0。

同時，主控制微控制器（MCU）和輔助控制微控制器（MCU）還與智能化軟啟動連接及反孤島運行控制部分相連，實時采集處理軟啟動開關兩側的電流、電壓、頻率變量完成智能化軟啟動并網運行及主動反孤島式運行的功能。

2.4 智能化軟起動連接及反孤島運行控制部分

晶閘管開關對逆變器輸出側和電網側電壓幅值、大小、相位及頻率實時采集，不斷進行比較，當其達到允許誤差值范圍時，由控制器發出觸發信號，控制相應可控硅的門極。因為電壓幅值、相位及頻率均為空間矢量，當進行比較時需要在三維空間內進行，將其轉化成模糊集合更趨近于實際工程情況，故此處使用數學模糊集合的概念對空間矢量進行替換，完成軟起動功能。

本逆變器采用人工智能主動式頻率負偏移方法。通過軟硬件將電路周期性地檢測出相鄰兩次電網電壓過零點的時刻，計算出電網電壓的頻率f，然后在此頻率f的基礎上引入偏移量△f，最后將頻率（f±△f）作為輸出并網電流的給定頻率，并且在電網電壓每次過零時使輸出并網電流復位。當電網出現故障時，光伏陣列經逆變器的輸出的電流、電壓發生畸變，且出現輸出頻率錯位變化。形成了給定逆變器輸出的電流、電壓、頻率的正反饋，并超過頻率保護的上、下限值，從而使逆變器有效的檢測出系統故障。利用模糊數學的方法將已知的數據進行狀態估計和處理，并實時與逆變器輸出的電壓、電流、頻率進行比較，以達到與電網的主動式反孤島運行，并網開關的智能化軟起動連接，以及逆變器相應的IGBT開關的優化控制操作運行。

3 結論

本文介紹的逆變器采用變基準疊加技術的九電平完美無諧波開關網絡拓撲電路，使逆變出的電流波形滿足IEEE標準要求，盡可能的減少諧波污染。

逆變器的主控制器可通過實時檢測開關狀態，有效避免開關的混疊，提高 IGBT開關的可靠性和易操作性。

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