光伏分布式發(fā)電中的逆變系統(tǒng)設(shè)計

孔德政

（山東石大勝華化工集團(tuán)股份有限公司，257061）

1 光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展

2013年的國內(nèi)外市場顯示，中國光伏產(chǎn)業(yè)目前正遭受歐美“雙反”與國內(nèi)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩的雙重考驗。人們不禁擔(dān)心，中國的光伏產(chǎn)業(yè)的春天是否已經(jīng)一去不復(fù)返了。實(shí)際上，這僅僅是光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能過剩，并不能因此看衰整個光伏產(chǎn)業(yè)。

2013年光伏需求將會同比增長7%，達(dá)31GW。中國將首次超過德國變成最大光伏市場。而亞洲也將變成需求最旺盛的大陸。中日印三國需求將占到全球需求的36%。2013年又將成為另外一個轉(zhuǎn)型之年，光伏業(yè)將適應(yīng)后歐洲市場的疲軟。目前，光伏產(chǎn)業(yè)的總體趨勢在走下坡路，而其中電站開發(fā)環(huán)節(jié)的趨勢是上升的，2013年必將迎來光伏發(fā)電電站建設(shè)的一個春天。

當(dāng)前我國政策鼓勵方向是分布式光伏發(fā)電。分布式光伏發(fā)電是指區(qū)別于集中式光伏發(fā)電的建設(shè)方法，一般建在用戶側(cè)，所生產(chǎn)電力主要自用。具有容量小、電壓等級低、接近負(fù)荷、對電網(wǎng)影響小等特點(diǎn)，可以應(yīng)用在工業(yè)廠房、公共建筑以及居民屋頂上。分布式光伏發(fā)電充分利用了太陽能廣泛存在的特點(diǎn)，并且避免了集中建設(shè)的場地限制因素，具有建設(shè)靈活的特點(diǎn)。

2 光伏發(fā)電的基本原理

2.1 光伏發(fā)電的類別

光伏發(fā)電一般按照與電力系統(tǒng)的關(guān)系分類，可以分為獨(dú)立光伏發(fā)電和并網(wǎng)光伏發(fā)電。獨(dú)立光伏發(fā)電不與電力系統(tǒng)連接在一起，獨(dú)立于整個系統(tǒng)，發(fā)出的直流、交流電直接供給負(fù)載。而并網(wǎng)光伏發(fā)電則像發(fā)電站一樣，可以向電網(wǎng)輸送有功、無功的電能。

2.2 獨(dú)立光伏發(fā)電的基本原理

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池陣列、蓄電池、逆變器組件、控制器和負(fù)載（直流負(fù)載和交流負(fù)載）組成。因為太陽能電池產(chǎn)生的電能為直流，但是由于光照強(qiáng)度實(shí)時變化，太陽能電池輸出的電壓也不穩(wěn)定，這時也需要蓄電池來起到一個濾波的作用，將太陽能電池產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定在蓄電池的電壓值上，在另外一種意義上，用蓄電池也有儲能的作用，可以將過剩的電能儲存起來供在光照強(qiáng)度較低的時候使用。如果是直流負(fù)載就可以直接接在蓄電池上工作，如果是交流負(fù)載，那么需要經(jīng)過逆變器的DC-AC變換，將直流電變成交流電，供給交流負(fù)載。

2.3 并網(wǎng)光伏發(fā)電的基本原理

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池陣列、蓄電池、逆變器組件、控制器和負(fù)載組成。因為需要將光伏發(fā)出來的電回饋給電網(wǎng)，這就需要將直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)要求的220V、50HZ的交流電，并且在相同相位的情況下并網(wǎng)，像電網(wǎng)供電。

無論是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)還是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，逆變系統(tǒng)對于交流負(fù)載和并網(wǎng)發(fā)電都是必不可少的，接下來我們主要就光伏分布發(fā)電中的逆變系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計進(jìn)行研究。

3 光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)設(shè)計

3.1 光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池、主回路、控制電路和負(fù)載組成。主回路主要包括DC/DC電路、DC/AC電路、濾波器組件。下面主要對于主回路部分的設(shè)計做介紹，其中包括主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，介紹一下全橋逆變電路的工作原理以及逆變器模塊的選型，以及相關(guān)保護(hù)的設(shè)計。

3.2 光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通常單相電壓型逆變器主要分為推挽式、半橋和全橋逆變電路三種。這三種方式根據(jù)其不同的特點(diǎn)應(yīng)用于不同的場合。

推挽式逆變電路的電路結(jié)構(gòu)比較簡單，如圖3-1 所示。其上電路只需要兩個晶閘管，基極驅(qū)動電路不需要隔離，驅(qū)動電路比較簡單，但是晶閘管需要承受2倍的線路峰值電壓，所以適合于低輸入電壓的場合應(yīng)用。

同時變壓器存在偏磁現(xiàn)象，初級繞組有中心抽頭，流過的電流有效值和銅耗較大，初級繞阻兩部分應(yīng)緊密藕合，繞制工藝復(fù)雜。因為推挽式逆變電路對于晶閘管的耐壓要求比較高，不適合作為光伏發(fā)電的逆變系統(tǒng)主回路。

圖3 -1 單相推挽式逆變電路

相比于推挽式逆變電路，單相半橋式逆變電路中所使用的晶閘管的耐壓要求就相對較低，不會有線電壓峰值2倍這么多，絕對不會超過線電壓峰值。其逆變出來的波形也相對推挽式比較接近于正弦波，所以濾波的要求也相對較低。由于晶閘管的飽和壓降減小到了最小，所以不是最重要的影響因素之一。但是由于半橋式逆變電路的結(jié)構(gòu)決定，如圖3-2所示，其集電極電流在晶閘管導(dǎo)通時會增加一倍，使得在晶閘管選型的過程中，要考慮大電流、承受高壓的情況，就難免會因為其價格昂貴，所以不適合作為光伏發(fā)電的逆變系統(tǒng)主回路。

全橋式逆變電路就是介于推挽式和半橋式之間，兼顧其各自優(yōu)點(diǎn)的一種逆變電路。其既有推挽式電路的電流性質(zhì)，也有半橋式電路的電壓性質(zhì)，其結(jié)構(gòu)詳見圖3-3所示。全橋式電路可以使得晶閘管期間達(dá)到最大輸出功率，而且其逆變出來的波形更加接近于正弦波。所以，這次這次光伏發(fā)電的逆變系統(tǒng)主回路選用了全橋式逆變電路。

其中VT1-VT4為晶閘管，VD1-VD4為四個反向并聯(lián)的二極管。下面詳細(xì)介紹一下全橋逆變電路的工作原理。

圖3 -3 單相全橋式逆變電路

3.3 全橋逆變電路的工作原理

首先，VT1和VT4是一對同時開關(guān)的晶閘管，VT2和VT3是另外一對同時開關(guān)的晶閘管，VT1、VT4，VT2、VT3各受兩路控制電壓的控制。首先，VT2、VT3的控制電壓為負(fù)值，那么VT2、VT3關(guān)斷，處于截止?fàn)顟B(tài)。VT1、VT4的的控制電壓為正值，那么VT1、VT4導(dǎo)通，電流流通路徑如圖3-4所示。如果忽略晶閘管自身的壓降，那么輸出電壓就等于Uout=EN2/N1。

然后，VT1、VT4關(guān)斷，四個功率開關(guān)都處于截止?fàn)顟B(tài)。

圖3 -4 電流流通路徑

第三個時刻，VT1、VT4的控制電壓為負(fù)值，那么VT1、VT4關(guān)斷，處于截止?fàn)顟B(tài)。VT2、VT3的的控制電壓為正值，那么VT2、VT3導(dǎo)通，電流流通路徑如圖3-5所示。如果忽略晶閘管自身的壓降，那么輸出電壓就等于Uout=-EN2/N1。

最后，VT2、VT3關(guān)斷，四個功率開關(guān)都處于截止?fàn)顟B(tài)。

這就是一個周期內(nèi)，晶閘管的開關(guān)變化情況。按照這種工作方式，則可以獲得交變的電壓。

圖3 -5電流流通路徑

3.4 逆變器的設(shè)計

逆變器組件的設(shè)計

根據(jù)某地的用戶載荷分析，用戶的用電載荷平均大概為3.2kW。根據(jù)某地全年品均月輻照強(qiáng)度5.4KWh/m2/天。總共需要的電池板方陣功率計算公式為：

Wl：負(fù)載的消耗功率

F：蓄電池放電效率的修正系數(shù)（通常取1.05)

Tm：峰值日照時數(shù)，其值與輻照強(qiáng)度的值基本相同，這里取3.6h

：方陣表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數(shù)，通常可取 0.9～0.95

：方陣組合損失和對最大功率點(diǎn)偏離以及控制器效率的修正系數(shù)，通常可取0.9～0.95

L：蓄電池的維修保養(yǎng)率（通常取0.8)

Ka ：包括逆變器等交流回路的損失率（通常取0.7，如逆變器效率高可取0.8)

本方案選用230W的單晶硅電池板，則總共需要8塊，總功率為1.84Kw 。

由于當(dāng)?shù)氐挠秒婋妷簽?2OV，所以選擇輸出電壓為22OV的離網(wǎng)逆變器，經(jīng)過用戶用電器統(tǒng)計可知，用戶的最大功率約為716W,考慮到用戶負(fù)載中有感性負(fù)載，在啟動過程時有較大的沖擊電流，同時考慮系統(tǒng)的臨時增加負(fù)載的情況，所以逆變器功率應(yīng)相對選擇較大的。在逆變系統(tǒng)中要求系統(tǒng)響應(yīng)快，可靠性高，保護(hù)功能強(qiáng)等。本次設(shè)計的逆變電路中蓄電池通過DC/DC變換最大提供給逆變器400V的直流電壓，所以單個晶閘管所承受的最大耐壓也為400V，考慮到電壓波動和留一定的余量的關(guān)系，最終將晶閘管的最大耐壓設(shè)定在150%的輸入最大輸入電壓，那就是600V。

逆變器的額定輸出功率為3kW，輸出電流的峰值為18A，隔離變壓器的變壓比為1：1。考慮到留有一定的余量，每個晶閘管的耐流值設(shè)定在30A。然后我們就可以進(jìn)行選型了。

最后，選擇了PM200CLA060型號的三菱公司出品的IPM模塊，其耐壓600V，耐流200A，符合我這次設(shè)計的光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)對于模塊的要求。

3.5 逆變器支流側(cè)電容的設(shè)計

對于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其直流側(cè)需要增加電容保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定，不出現(xiàn)電壓突變。那么需要設(shè)計出符合以下公式要求的電容。

其中P為太陽能電池的輸出功率，按照此項目每塊太陽能電池的輸出功率80W±3%計算，那么40塊太陽能電池組成的陣列，其輸出功率可達(dá)3.2KW。

f為電網(wǎng)的頻率，取50Hz。

K為波紋系數(shù)，取0.1。

U為直流母線電壓，取400V。

所以，我們只要選用大于1273.89的電容即可，我選用2200。由于考慮到直流側(cè)電壓為400V，那么選擇500V/2200的電解電容。

3.6 交流輸出濾波電路設(shè)計

由單相全橋逆變電路逆變出來的電壓不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而是直流斬波電壓。如下圖所示。

為了使得輸出的波形更加接近正弦波，以保證負(fù)載和電網(wǎng)獲得高質(zhì)量的電能，濾波電路是影響波形輸出的一個重要環(huán)節(jié)。在濾波電路的設(shè)計中最重要的就是電感和電容的設(shè)計。

其中，由于逆變器的輸出為220V/3kVA，那么所以Poutmax=3kVA。Uout=220V。

設(shè)定逆變器效率為96%。波紋電流系數(shù)為17%。

那么而電容的設(shè)計如下：

其中K為諧振頻率/基波頻率，設(shè)定為12.

f為基波頻率，就是50Hz。那么

所以根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)，濾波電容選擇40，濾波電感選擇2mH。

圖3 -2 單相半橋式逆變電路

4 總結(jié)

光伏分布式發(fā)電在日常生活中越來越常見，其中在并網(wǎng)和交流負(fù)載的使用過程中，逆變器的設(shè)計至關(guān)重要，本文通過對于逆變器部分的結(jié)構(gòu)和原理的分析，簡述了光伏發(fā)電中逆變器設(shè)計的總體思路。整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行還依靠于各個部分，包括太陽能電池、蓄電池、濾波部分、控制部分、并網(wǎng)控制部分的配合。所以在實(shí)際的逆變器設(shè)計過程中，要充分考慮到其他部分的配合和影響。

[1]董密,羅安.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的設(shè)計與控制方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2006,30(20):97-102.

[2]吳巍.基于波動低壓輸入的獨(dú)立光伏逆變器的設(shè)計[J].光學(xué)精密工程,2013,21(4):963-971.DOI:10.3788/OPE.20132104.0963.

[3]楊水濤,丁新平,張帆等.Z-源逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2008,28(17):112-118.

[4]張紅超,馬春英,李全喜等.環(huán)境對太陽能光伏逆變器性能影響的試驗方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011,39(16):135-138.DOI:10.3969/j.issn.1674-3415.2011.16.025.

[5]安樹懷,王明渝,鄧威等.可用于光伏并網(wǎng)的雙頻逆變器控制策略[J].電力自動化設(shè)備,2011,31(1):84-88.DOI:10.3969/j.issn.1006-6047.2011.01.021.

[6]于晶榮,曹一家,何敏等.單相單級光伏逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤方法[J].儀器儀表學(xué)報,2013,34(1):18-25.