30kW一體式微網(wǎng)光伏儲能逆變器拓撲運用研究

劉金滿

（廈門科華恒盛股份有限公司，廈門 361000）

光伏發(fā)電作為清潔能源得到廣泛的發(fā)展，特別是隨著能源危機的來臨、美國貿(mào)易制裁伊朗石油等問題，新能源發(fā)電越發(fā)顯得重要[1]。

但由于光伏發(fā)電的持續(xù)性、集中性等特性，發(fā)電量受到地理位置、時間、天氣等因素影響，無法滿足日益增長的生產(chǎn)、生活等用電需求，這種發(fā)電與用電的矛盾依靠目前的電網(wǎng)建設能力，已經(jīng)無法滿足。

隨著光伏發(fā)電的逐步發(fā)展，以及智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，微電網(wǎng)+儲能系統(tǒng)解決方案已經(jīng)被證實是一個有效的解決方法。系統(tǒng)由光伏組件、儲能電池、儲能逆變器、控制系統(tǒng)等組成，具有儲能、放電、并網(wǎng)、離網(wǎng)等功能。

本文以30kW系統(tǒng)需求出發(fā)，對一體式微網(wǎng)光伏儲能逆變器的結構、拓撲進行分析對比，最終選擇一個質量、成本、可靠性等綜合優(yōu)勢方案，作為其他微網(wǎng)光伏儲能逆變器借鑒。

1 微網(wǎng)光伏儲能系統(tǒng)組成與結構選擇

微網(wǎng)光伏儲能系統(tǒng)由光伏發(fā)電、儲能單元、儲能逆變器、用電負荷、配電、管理系統(tǒng)等組成。其中，儲能逆變器作為系統(tǒng)的關鍵組成部分，負責能量轉換與中間樞紐作用、并離網(wǎng)管理等控制。目前，市場上有較多的解決方案，以其中一個解決方案為例，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 微網(wǎng)儲能系統(tǒng)組成

儲能逆變器，由于需要一體式結構，必須將光伏控制、電池充電、電池放電、并離網(wǎng)逆等功能作為一個整體設計，所以采用常見的共直流母線方式，如圖2所示。在此結構中，儲能逆變器具有基本的控制功能，滿足常見工作方式中的自動控制要求。由于是一體式結構，所以在本文中該儲能逆變器稱為微網(wǎng)光伏儲能逆變器[2]。

其中，直流母線作為光伏輸入、電池充放電、整流/逆變的中間橋梁，維持整個電源系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行的關鍵。直流母線的結構，決定了系統(tǒng)電路拓撲選擇范圍，影響可靠性、效率、控制難易程度。

圖2 共直流母線方式系統(tǒng)圖

2 微網(wǎng)光伏儲能逆變器母線結構選擇

微網(wǎng)光伏儲能逆變器拓撲結構中，主要為直流母線結構與功率變換結構。直流母線決定了前后級功率變換結構。

直流母線是逆變器系統(tǒng)的中間樞紐，連接前后級之間的關鍵位置，結構的選擇決定前后級電路拓撲的選擇。母線電壓可以采用單母線電壓或正負母線電壓，各有其特點與優(yōu)勢。

圖3 單母線電壓與正負母線電壓結構圖

由于輸出交流電220V峰峰值電壓±310V，需要直流母線電壓310×2/0.9=730V，若采用單母線，則通常采用380V左右且需要升壓裝置；若采用正負母線，則母線電壓為±365V，通過高頻逆變與濾波，可以直接輸出220V交流電。兩者對比如表1所示。

表1 單母線與正負母線電壓優(yōu)劣勢對比

從以上對比可以看出，兩者各有優(yōu)劣勢；由于兩者控制相對整體系統(tǒng)的復雜度不高，且考慮整體效率需求，選擇正負母線結構方式。

3 微網(wǎng)光伏儲能逆變器常見拓撲結構

微網(wǎng)光伏儲能逆變器具有多個端口，各個端口均通過變換器接入，包括由光伏DC/DC變換器、電池雙向DC/DC變換器、雙向并離網(wǎng)DC/AC逆變器，這些變換器的選擇關系到系統(tǒng)的控制難度、成本、可靠性等指標，決定了整機的關鍵指標參數(shù)。下面就這些分別進行介紹，并分析其優(yōu)劣勢。

3.1 光伏DC/DC變換器

光伏變換部分的功率拓撲一般可采用單級直掛拓撲（見圖4）、雙級單Boost拓撲（見圖5）、雙級雙Boost拓撲（見圖6）三種結構。

單級直掛拓撲無需功率變換，光伏電壓直接輸出到逆變器，需要配合隔離變壓器使用，拓撲具有結構簡單的優(yōu)點，但也具有體積大、重量大的缺點，這種拓撲主要應用于早期的集中式光伏逆變器，其MPPT功能需要依靠逆變器實現(xiàn)[3]。

圖4 光伏單級直掛拓撲圖

雙級單Boost拓撲采用較低的光伏電壓，經(jīng)過Boost變換器升壓到直流母線，供給逆變器使用，拓撲具有結構簡單、逆變效率高、MPPT功能的優(yōu)點，但這種拓撲適用單母線結構，功率較小，不適用于三相電，一般用于單相儲能逆變器[4]。

圖5 雙級單Boost拓撲圖

雙級雙Boost拓撲采用較高的光伏電壓，經(jīng)過雙Boost變換器升壓到直流母線，供給逆變器使用，拓撲具有功率大、對地漏電流小、逆變效率高、具有MPPT功能的優(yōu)點，但這種拓撲相對較復雜，適合應用于三相儲能逆變器。

3.2 電池雙向DC/DC變換器

電池變換部分的功率拓撲一般可采用電池升壓+充電器、雙向DCDC拓撲兩種結構，如圖7所示。

電池升壓+充電器方式是將電池升壓部分與充電部分分別設計的方式實現(xiàn)電池的雙向變換，這種方式可以針對電池升壓、電池充電分別進行指標優(yōu)化，最終達到性能最優(yōu)。但是，這種拓撲也具有結構復雜、體積大、重量大的缺點，一般適用于放電功率遠大于充電功率的場合。

圖6 雙級雙Boost拓撲圖

圖7 電池升壓+充電器與雙向DCDC結構圖

雙向DCDC具有電池放電、充電功能，分別工作于升壓或降壓方式，且電池放電與充電功率相當，即雙向Buck-Boost拓撲結構，如圖8所示。

雙向Buck-Boost拓撲是利用拓撲的四象限運行的特點，采用一套拓撲電路實現(xiàn)電池充電和放電的功能，具有結構簡單、體積小、重量輕的特點。同時，由于充電與放電采用的是同一套功率器件，比較適合應用于充電功率與放電功率相差不大的場合。由于需要兼顧充電與放電兩方面的性能，所以，整體指標略差于獨立設計的方案[5]。

圖8 電池雙向Buck-Boost拓撲圖

3.3 雙向并離網(wǎng)DC/AC逆變器

雙向并離網(wǎng)逆變器的功率拓撲一般可采用半橋拓撲（見圖9）、I型三電平拓撲（見圖10）、T型三電平拓撲（見圖11）三種結構。

半橋拓撲是最經(jīng)典的逆變器拓撲，具有結構簡單、控制可靠的優(yōu)點，但同時也具有轉換效率低、體積重量大的缺點。半橋逆變器輸出失真度較難處理，對于高質量要求的電源場合不適合[6-7]。

圖9 半橋逆變器拓撲圖

I型三電平拓撲是最早的三電平逆變器拓撲，它采用多只開關管組合開關的方式將直流母線斬波為“+”“0”“-”三個電平，從而降低了開關管的損耗，降低了濾波器的尺寸，最終達到了提升逆變器效率、降低逆變器體積重量的目的。但由于I型三電平器件多，時序復雜，控制難度較大。所以，I型三電平拓撲運用不夠廣泛[8]。

圖10 I型三電平逆變器拓撲圖

T型三電平拓撲是另一種三電平逆變器拓撲，其工作原理與I型三電平拓撲相似，性能與優(yōu)點與相近。但由于T型三電平的器件組合結構不同，器件耐壓較高，不需要I型三電平嚴格的時序要求，控制難度大大降低，可靠性也更高[9-10]。

4 微網(wǎng)光伏儲能雙向逆變器拓撲選型

各種拓撲結構有其優(yōu)劣勢以及適用場合。沒有最好的拓撲，只有最合適的拓撲，結合實際需求30kW一體式結構需求，進行綜合分析與選擇。對三類拓撲分析與總結，對比結果如表2、表3、表4所示。

圖11 T型三電平逆變器拓撲圖

表2 光伏DC/DC變換器拓撲結構對比

表3 電池雙向DC/DC變換器拓撲結構對比

表4 雙向并離網(wǎng)DC/AC逆變器拓撲結構對比

從以上優(yōu)劣勢對比分析，可以看出30kW一體化微網(wǎng)光伏儲能逆變器的關鍵拓撲結構選擇，最合適的如表5所示。

表5 微網(wǎng)光伏儲能逆變器拓撲選擇

5 結語

隨著儲能應用的快速發(fā)展，市場上出現(xiàn)了大量的各種各樣的應用，不同功率、不同環(huán)境、不同需求，產(chǎn)生出各種解決方案，特別是儲能逆變器的拓撲結構多樣化發(fā)展讓選擇眼花繚亂。本文針對需求出發(fā)，查找目前市場上各種拓撲結構，綜合分析其優(yōu)劣勢，以及適用環(huán)境與范圍，最終選用一整套最適用的解決方案，可以作為其他應用產(chǎn)品與方案的借鑒。