簡(jiǎn)述光伏并網(wǎng)系統(tǒng)核心--光伏逆變器

吳瀚

摘 要：光伏逆變器是光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中十分關(guān)鍵的一環(huán)，它的性能關(guān)系到整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與效率。本文借助光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類，對(duì)運(yùn)用廣泛的光伏逆變器進(jìn)行闡述。文章分析介紹各種光伏逆變器的優(yōu)、缺點(diǎn)，并對(duì)光伏逆變器的發(fā)展趨勢(shì)做出展望。

關(guān)鍵詞：光伏逆變器;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);發(fā)展趨勢(shì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.159

1 引言

能源一直是整個(gè)社會(huì)高度關(guān)注的話題。在當(dāng)今世界，能源是一切生產(chǎn)勞動(dòng)必不可少的基礎(chǔ)。目前使用最為廣泛的能源主要是煤炭、石油等傳統(tǒng)的化石能源，但由于其大量使用所引起的環(huán)境惡化、資源銳減等問(wèn)題，人們對(duì)綠色能源的期望越來(lái)越高，迫切尋求新型清潔能源來(lái)代替。能源參與生產(chǎn)最主要的形式為電能，因此，可再生清潔能源發(fā)電技術(shù)是人們所期望的。以太陽(yáng)能發(fā)電為基礎(chǔ)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，具有系統(tǒng)安全、無(wú)污染、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到人們的關(guān)注。光伏并網(wǎng)發(fā)電是目前主要的光伏發(fā)電形式，光伏逆變器作為核心部件，其性能直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行。

2 光伏逆變器分類

2.1 光伏逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

光伏逆變系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括：DC/AC逆變器、控制器、變壓器、檢測(cè)單元和DC/DC轉(zhuǎn)換電路等。光伏逆變器的功能是將光伏組件等產(chǎn)生的直流電變換成交流電，其核心便是逆變電力電子開(kāi)關(guān)電路，即逆變器。不同功率場(chǎng)合下對(duì)主開(kāi)關(guān)器件的選用也不同：功率較大時(shí)使用三相IGBT功率模塊;功率較小時(shí)則使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管。電力電子開(kāi)關(guān)器件（MOSFET、IGBT等）的通斷需要一定的驅(qū)動(dòng)脈沖來(lái)控制，因此控制器通過(guò)產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖來(lái)對(duì)逆變器進(jìn)行輸出控制，使光伏逆變器輸出滿足并網(wǎng)需求。

2.2 光伏逆變器分類

由逆變系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可知，對(duì)于逆變器的劃分，可以從不同的方向來(lái)進(jìn)行。依據(jù)逆變器主電路的形式，可分為單端式逆變器、推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器;依據(jù)是否有變壓器，可分為隔離型逆變器和非隔離型逆變器;依據(jù)逆變器主開(kāi)關(guān)器件類型的不同，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場(chǎng)效應(yīng)管逆變器和絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）逆變器;依據(jù)逆變控制方式，可分為調(diào)頻式（PFM）逆變器和調(diào)脈寬式（PWM）逆變器。本文根據(jù)直流側(cè)光伏組件的不同（功率不同），將光伏逆變器劃分為集中式逆變器、組串式逆變器和組件式逆變器，對(duì)每種逆變器進(jìn)行介紹和分析。

3 光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 集中式逆變器

集中逆變技術(shù)本質(zhì)上是眾多的光伏組件分組串聯(lián)成光伏組串，由光伏組串再進(jìn)行并聯(lián)形成光伏陣列，經(jīng)過(guò)匯流箱匯流后，將能量輸入到一臺(tái)集中式逆變器的直流側(cè)。控制器一般由DSP等性能優(yōu)越的信號(hào)處理器組成，采用SVPWM調(diào)制算法，通過(guò)采集交流輸出端的信號(hào)來(lái)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖，使逆變器的輸出更加接近于電網(wǎng)的要求。

在眾多的集中式逆變器中，三相二電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的。該結(jié)構(gòu)主要是由直流側(cè)支撐電容、三相逆變主電路和交流測(cè)濾波電路組成。直流側(cè)支撐電容的主要功能是穩(wěn)定由光伏陣列輸出的直流電壓，一般選用薄膜電容作為支撐電容。與平時(shí)使用的電解電容相比，薄膜電容的介電常數(shù)更高，且能量密度更大，能更好地起到穩(wěn)定電壓的作用。三相逆變主電路主要采用IGBT作為開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制，將輸入的直流電逆變成交流電，并在此過(guò)程中實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MTTP）和防孤島等功能，使逆變效率最大化。但逆變電路并不能將直流電完美地轉(zhuǎn)化成正弦工頻電，其中含有各種次數(shù)的諧波。因此，需在交流測(cè)選用LCL濾波電路對(duì)交流電濾波。相比于LC濾波和L濾波，LCL濾波電路對(duì)高次諧波的抑制能力更強(qiáng)，與此同時(shí)其所需電感值較小，有利于電路的設(shè)計(jì)。最后，為了滿足不同電壓等級(jí)的需求，將濾波后的交流電通過(guò)變壓器接入電網(wǎng)。

3.2 組串式逆變器

幾塊或十幾塊光伏組件串聯(lián)成光伏組串，若干個(gè)光伏組串連接到對(duì)應(yīng)逆變器的直流側(cè)，這就是組串式逆變器的輸入側(cè)的結(jié)構(gòu)。組串式逆變器相對(duì)于集中式逆變器而言，是一種小能量的逆變，分散的逆變。組串式逆變器完成各自對(duì)應(yīng)輸入能量的逆變，再將能量匯聚傳輸給電網(wǎng)。

組串式逆變器一般采用兩級(jí)單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)一般由DC/DC升壓電路、三相逆變主電路、濾波電路和支撐電容等組成。第一級(jí)主要是DC/DC升壓電路，通常采用boost升壓電路結(jié)構(gòu)，作用是對(duì)光伏組串的輸出電壓進(jìn)行控制，使電壓等級(jí)符合并網(wǎng)的要求。若光伏組串的輸出電壓已滿足電網(wǎng)要求，則DC/DC升壓電路可以省略。與此同時(shí)，還可以控制光伏組串的MPPT，提高逆變的效率。第二級(jí)主要是逆變與濾波電路，完成直流向交流的轉(zhuǎn)變。如果沒(méi)有了第一級(jí)的DC/DC升壓，那么就需要像集中式逆變器一樣，在逆變電路中加入MPPT，使整個(gè)逆變過(guò)程效率最大化。

3.3 組件式逆變器

組件式逆變器中最為典型的是微型逆變器。微型逆變器的直流側(cè)只連接了一個(gè)光伏組件，因此，微型逆變器對(duì)每一個(gè)單獨(dú)的光伏組件進(jìn)行升壓、逆變和濾波等操作。

微型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，可大體上分為單極式和雙極式逆變器。目前，一般選用單極式中交錯(cuò)反激式微型逆變器，其電路簡(jiǎn)單，成本低，效率高，有利于家庭光伏發(fā)電的推廣。交錯(cuò)反激式逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由雙路反激變換器、工頻極性反轉(zhuǎn)橋和濾波電路等組成。雙路反激變換器并聯(lián)在光伏組件的輸出側(cè)，對(duì)其輸出電壓進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)MPPT功能。雙路反激變換器并聯(lián)還能夠提高功率等級(jí)，減小電流紋波，改善電能質(zhì)量。工頻極性反轉(zhuǎn)橋起到了逆變的功能，經(jīng)濾波電路后與電網(wǎng)相連。

4 光伏逆變器特點(diǎn)、展望

4.1 集中式逆變器

集中式逆變器獲得眾多大型光伏電站設(shè)計(jì)者的青睞，一定有其可取之處。第一，控制技術(shù)較為成熟，可靠性高，轉(zhuǎn)化效率可達(dá)98%以上;第二，集成度高，功率密度大，成本較為低廉;第三，有較為完善的保護(hù)功能，提高光伏電站的安全性;第四，回饋電網(wǎng)的交流電功率因數(shù)穩(wěn)定，諧波畸變率能夠限制在3%以下;第五，具有功率因數(shù)調(diào)節(jié)、防孤島、低電壓穿越等功能，電網(wǎng)調(diào)節(jié)性好;第六，諧波含量少，電能質(zhì)量高。