太陽能逆變器的研究

程秀玲+單水維

中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）09-0261-01

在對光伏并網發電系統進行設計和實現之前，需要對整個系統進行基本的了解，本章將在對光伏發電系統的工作原理進行簡要概述之后，對光伏并網逆變器的總體設計方案和拓撲結構進行分析。

一、光伏并網發電系統的基本原理

常見的光伏并網發電系統，根據系統中有無蓄電池，可以分為兩類：一種是不含蓄電池的“不可調度式光伏并網發電系統”；另一種是含有蓄電池的“可調度式光伏并網發電系統”。可調度式并網光伏系統以蓄電池作為儲能裝置，在電網斷電的時候可以通過電壓逆變實現不間斷電源（UPS）的功能。而且蓄電池儲能還有助于實現電網調峰，但是因為其壽命短、造價昂貴、體積笨重等缺點，可調度式光伏并網發電系統應用較少。

不可調度式光伏并網發電系統的結構，它由太陽能光伏陣列、并網逆變器、控制器和其他輔助裝置組成，省去了蓄電池儲能環節。該系統直接與電網相連，在滿足自用負載的同時，可將多余的電力輸送到電網進行銷售。太陽能光伏陣列是光伏并網發電系統的核心部件，它的作用將太陽光的能量直接轉變成電能，其質量和成本將直接決定整個系統的造價。

二、光伏并網逆變器的分類與拓撲結構

1.光伏并網逆變器的分類

按控制方式分類，光伏并網逆變器可以分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方式。以電流源為輸入方式的逆變器，其直流側需串聯一個大電感以提供穩定的直流電流輸入，但這種方法會導致系統動態響應很差，目前大部分并網逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式。逆變器與電網并網運行的輸出控制模式可分為電壓源控制模式和電流源控制模式兩種。由于電網可看為一個容量無窮大的定值交流電壓源，如果并網逆變器的輸出采用電壓源控制模式，則實際上就是兩個電壓源并聯運行。在這種情況下，如果要保證并網逆變器的穩定運行，就必須采用鎖相技術保證逆變器的輸出電壓與電網電壓同頻同相。由于鎖相回路響應慢、逆變器輸出電壓值難以精確控制和容易出現環流等原因，電壓源輸出的控制模式很少采用，取而代之的是電流源輸出的控制模式。本文所采用的控制方案是采用電壓源輸入—電流源輸出的控制模式，綜合電壓源輸入模式和電流源輸出模式兩者的優點，輸出與電網同頻同相的高品質電流，動態響應好。

2.光伏并網逆變器的拓撲結構

已經進入實用的的光伏并網逆變器回路方式主要有 3種：工頻變壓器絕緣方式、高頻絕緣變壓器和無變壓器方式。根據這 3種回路方式，可以將現在的光伏并網逆變器的拓撲結構分為 3類，即工頻變壓器絕緣的單級拓撲結構、高頻變壓器絕緣的多級拓撲結構和無變壓器絕緣的兩級拓撲結構。

3.工頻變壓器絕緣的單級拓撲結構

單級式逆變器是指在逆變環節中同時實現 MPPT 的功能，其拓撲結構 所示。由于只有一個環節，結構簡單，效率較高。但由于太陽能光伏電池發出的電壓比較低，而且中間沒有升壓環節，要依靠工頻變壓器升壓與電網進行連接。采用工頻變壓器進行絕緣和變壓，具有良好的抗雷擊和消除尖波的性能，但是體積也較為笨重、造價較高。

三、高頻變壓器絕緣的多級式拓撲結構

由于單級式逆變器體積大、算法設計難度大的缺點，于是可以采用高頻變壓器代替工頻變壓器進行絕緣和升壓。典型的高頻變壓器絕緣的多級式拓撲結構如圖 所示，該拓撲結構由兩個全橋逆變器、高頻變壓器和整流電路構成。太陽能光伏陣列輸出的電能經逆變、升壓、整流、再逆變四個環節轉為交流電。高頻變壓器較工頻變壓器的優點是體積小、重量輕、成本低，但該拓撲經過了多級變換，缺點是所需的元件較多，整體效率較低且電磁干擾嚴重，需要采取濾波和屏蔽等措施。

四、無變壓器絕緣的兩級拓撲結構

這種拓撲結構由兩級電路組成，DC-DC 電路和 DC-AC 逆變電路。 是一種常用的無變壓器的兩級拓撲結構，由前級的 Boost 電路和后級的全橋逆變電路構成。Boost電路負責最大功率跟蹤控制并把太陽能光伏陣列的輸出電壓升高至某一數值，確保逆變部分輸入電壓的穩定和降低損耗。全橋逆變電路負責將直流電變為交流電，輸出與電網同頻同相的電流。由于沒有采用工頻變壓器或者高頻變壓器進行隔離，這種拓撲具有體積小，成本低，效率高的的優點，但是在某些要求隔離的場合不適宜使用。這種拓撲結構由兩級電路組成，DC-DC 電路和 DC-AC 逆變電路。 是一種常用的無變壓器的兩級拓撲結構，由前級的 Boost 電路和后級的全橋逆變電路構成。Boost電路負責最大功率跟蹤控制并把太陽能光伏陣列的輸出電壓升高至某一數值，確保逆變部分輸入電壓的穩定和降低損耗。在 DC-DC 變換器中，Buck 和 Boost 電路的效率最高，而效率對于光伏并網逆變器是非常重要的，所以在光伏并網逆變器中，比較少采用 Buck-Boost 電路、Cuk 電路、半橋或全橋電路。Buck 屬于降壓電路，通常用在獨立光伏發電系統的最大功率跟蹤中，因為獨立系統的蓄電池充電電壓一般低于光伏陣列的最大功率點電壓。當 Buck 電路的開關管關斷時，如果不在太陽能光伏陣列兩端加入大電容蓄能，光伏陣列無法連續的輸出電能，而這樣做將會提高系統的成本，所以在并網系統中 Boost 電路是實現最大功率功率跟蹤的理想選擇。再者 Boost 對光伏陣列的電壓穩定好，并且電路中的二極管，可以當做光伏陣列的防反沖二極管，防止電網側的能量倒灌給光伏陣列，省去一個防反二極管，提高整個并網系統的整體效率，節省成本。經過上述方案的比較，設計的單相光伏并網逆變器采用電壓源輸入—電流源輸出的控制方式，并采用無變壓器絕緣的兩級拓撲結構，前級為 DC-DC變換器，后級為 DC-AC逆變器，兩部分通過直流母線（DC-link）相連在一起。在本文設計的光伏并網系統中，太陽能光伏陣列輸出的直流電壓在 100V 左右，通過 Boost 電路將其升為 350V，并實現最大功率跟蹤功能；后級的 DC/AC 逆變采用單相逆變橋，將直流母線的電壓轉換成正弦波電流，向電網輸送功率。控制芯片采用 Ti 公司的 TMS320LF2407A 芯片，其高速的計算能力可以保證實時跟蹤最大功率點，并向電網輸出高品質電流。

參考文獻

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