光伏發電逆變器結構設計的優化策略

劉泉泉

（中國能源建設集團 湖南火電建設有限公司，湖南 長沙 410015）

0 引 言

隨著能耗量的增加，太陽能成為今后能源開發使用的主要研究方向。當前光伏產業快速發展，但高成本是困擾光伏發電的難題，光伏發電由能源收集端光伏陣列模塊與控制器組成，逆變器是影響光伏發電并網的關鍵環節。傳統光伏并網發電中將陣列模塊串聯，為提高光伏發電效率，人們將光伏陣列模塊單獨安裝逆變器，實現效率最大化。單獨成套設備為交流模塊，可提高發電效率[1]。研究陣列模塊設計可從發電結構出發，計算影響發電效率因素，要求功率廠效應管具有較高的開關頻率，功率場效應管隨電阻增大，特大型光伏發電系統中常用功率元件為晶閘管。研究從使用壽命等方面考慮，對光伏并網逆變器結構優化設計。

1 光伏發電技術發展

光伏發電網始于20世紀80年代初，日本等國政府投資建造1 MW大型光伏并網電站，但發電成本過高。90年代，發達國家興起太陽能屋頂并網光伏發電系統，德國政府通過的可再生能源法，被視為可再生能源領域的前瞻性立法。

中國光伏并網發電處于發展階段，國家出臺許多相關政策促進光伏發電產業發展。“九五”期間我國開始對光伏并網發電技術攻關，研究大型光伏電站使用控制器，建成10 kW光伏屋頂并網示范站[2]。國家科技部將并網光伏發電技術列為重要研究方向，加強光伏發電系統設計等方面攻關，建成多座并網示范電站。國家科技部通過863項目支持開展并網光伏電站研究，主要以小型系統為主，借鑒發達國家太陽能穩定系統經驗，在大中城市公益性建筑使用光伏電源。我國并網光伏電站應用處于試驗示范階段，光伏發電技術研究應用任重道遠。

并網逆變器是光伏并網發電系統核心器件，并網逆變器技術研究逐漸增多，主要包括逆變器控制技術研究和拓撲結構研究等。隨著電力電子器件的發展，逆變器向不同的方向快速發展。我國并網逆變器關鍵技術研究起步較晚，清華大學能源國家重點實驗室和浙大等系列高校及科研院所開展相關技術研究，但相比發達國家存在一定差距，加快光伏電發電關鍵技術研究，提高我國光伏發電市場地位非常迫切。

2 光伏發電系統逆變器

光伏發電系統是從太陽能電池板到提供給用戶使用設備的設備體系，分為離網型與并網型兩種[3]。獨立型離網發電系統直接轉換電能給負載供電，分布相對分散，主要適用于一些軍事基地等，系統可靠性受到實際使用負載情況的影響，有時需增加儲能裝置。并網發電系統是輸出與電網相連，實現能量雙向流動，運用于發電容量較大的光伏電站。并網發電系統可以高效運用太陽能電池轉換電能，省去價格高的儲能裝置，減少間接污染。

太陽能光伏發電系統按功率等級分為大中小型，小型光伏發電系統應用廣泛，通常用于便攜式系統，大部分為獨立系統。中型光伏發電系統多用于居民用戶戶外設備，西部很多地區應用廣泛，目前國內多數大型光伏發電系統電站為10～100 kW。此外，超大型系統主要用于光伏并網系統和大功率太陽能光伏發電站，根據不同系統方案選取不同功率等級。典型光伏并網發電系統結構包括太陽能光伏電池陣列、控制器以及本地負載等。大型系統中有適當補充器件，如柴油發電機等。光伏逆變器是光伏發電系統的核心部分，逆變器包含控制系統功能光伏并網逆變器，需要對轉換交流電頻率、電流以及電能品質等進行控制。逆變器在光伏發電中的原理如圖1所示。

圖1 逆變器在光伏發電中的原理圖

太陽能光伏陣列發出的電為直流電，需要實現太陽能發電并網。發電并網系統由逆變器控制，逆變器將直流電轉變為交流電，向電網注入正弦電流。光伏發電主要與日照強度及溫度有關，要在最大功率點附近輸出功率，主要研究影響光伏逆變器環境功能因數和開路電壓短路等因素。根據研究光伏列陣模塊，溫度25 ℃時產生最大功率約189 W，系統模塊需要根據環境溫度變化，選擇合適的逆變器安裝相應位置。我國通用工頻電網額度頻率為50 Hz，光伏列陣模塊耐壓需超過開路情況下最大電壓，光強度達到1 200 W/m2，最大短路電流達7 A，選擇最大電流為8 A的逆變器[4]。此外，提高太陽能光伏發電效率，需要提高發電系統效率。

3 太陽能光伏發電逆變器結構

三相逆變器控制技術是并聯控制技術的基礎，需要研究電源模塊控制技術。穩態性能體現在各電源模塊電壓幅值穩定度上，動態性體現在輸出電壓諧波含量及負載突變響應速度上。控制技術決定逆變器并聯系統運行性能，常見的控制技術有數字PID控制、無差拍控制以及神經網絡控制等。

隨著新型技術的發展，光伏發電系統供電可靠性不斷提高。單級逆變器轉換效率高，輸出功率低，對最大功率點跟蹤無獨立控制操作，無法滿足太陽能直流輸入多變性要求。通常采用兩級轉換結構，實現向電網輸送交流電源。太陽能光伏逆變器分為隔離型與非隔離型，隔離型常用的為工頻隔離型，但存在重量大等缺點。高頻隔離采用高頻電壓器，具有體積小等優點，通常使用隔離拓撲結構，實現最大功率點跟蹤。分析代表性光伏發電系統，比較設計系統效率等，光伏并網發電逆變器通常分為高頻鏈與直流鏈結構。圖2為高頻鏈逆變器電流波示意圖。

圖2 高頻鏈逆變器電流波示意圖

高頻鏈結構逆變器調制電流成正弦波后輸送至電網高頻逆變器，通過逆變器將電流轉換為低頻后入網[5]。高頻鏈逆變結構要實現電解電容，能量傳輸中不能緩存，要求處理兩倍額定功率以上能量。通常采用直流鏈型逆變器將直流電轉換為交流電，通過交直流逆變器將直流電力轉換為正弦交流電。DC-DC變換器采用并聯小電容方式，解決能量緩沖問題。

4 光伏并網逆變器控制技術

單項光伏并網逆變器采用全橋式拓撲結構，單相光伏并網逆變電源將直流電變換為正弦波交流電，采用輸入電源方式為主的全橋逆變電路。主電路逆變橋左右橋臂加上相位差互為180°的WPWM脈沖，向電網饋入與其同頻同向的正弦波電流。

針對不同要求有不同的拓撲結構，多級逆變器變換結構可使用在大功率應用場合，逆變器拓撲結構中包括三相和功率單向流動等形式。如采用雙向功率流動拓撲，可在電網電能富足時存儲電能[6]。拓撲可以使用于不同場合，隨著高速數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）的出現，將數字控制應用于逆變器控制的研究增多，如滑膜控制等。采用模擬控制有平均值電流控制等，將模擬控制與數字控制結合的控制效果理想。調制方式有SPWM等，并網逆變器輸出有電壓型與電流型，電壓型控制系統輸出與電網電壓同頻電壓信號，電流型控制以輸出電感電流為受控目標，系統是內阻較大的受控電流源。

逆變器輸出的是標準正弦脈寬調制信號，電網電壓質量高，得到并網電流，電網電壓受到擾動，并網逆變器呈現低阻抗特性，降低除數電源質量。輸出電流是受控量，并網逆變器呈現高阻抗特性，采用電流型控制減少電網電壓擾動的影響，更好地實現并網控制目標。逆變電路交流側電壓與電網電壓有相位差，光伏并網逆變系統控制目標是提高電壓穩定性，動態性能指輸出電壓動態響應水平，由于流過電感L電流不能突變，故采用電流瞬時值閉環控制法產生響應SPWM信號，使并網電流波形為正弦波。

母線直流電壓穩定性控制是系統穩定的前提，要求直流濾波電容輸出電流平衡。由于交流電流內環動態響應速度較快，將交流電流環控制等效為幅值控制，并網逆變系統交流側有功功率等于光伏陣列輸出功率。

5 光伏并網逆變器結構優化

光伏并網逆變器分為電流型與電壓型，目前大部分采用電壓源輸入電壓型逆變器。并網逆變器目標是將光伏電池輸出直流電轉變成交流電，通常大容量逆變器采用三相形式，并網逆變器系統跟電網相連，考慮系統對直流分量對電網污染等問題，要求系統有隔離器隔離。工頻隔離主要采用工頻交流變壓器的方式。

系統設計光伏電池直流側輸入電壓范圍為450～800 V，采用三相全橋逆變橋結構，通過輸出濾波電感L濾除諧波調節電能質量，最終每相輸出220 V/50 Hz電能[7]。控制系統采用數字信號處理芯片實現，通過特殊控制保證與電網電壓同相位，系統啟動需要使用直流側電容C充電到近電網電壓峰值，保證直流側電壓不低于電網電壓峰值。并網逆變器將直流電轉變為交流電，為實現高質量輸出并網電流，針對系統采取單級式拓撲模式，交直流側可以相互控制，系統通過電壓外環控制得出電流環指令控制電壓，針對交流控制比直接流量復雜特點，設計相應坐標系統轉換控制策略，加入前饋補償控制環節，簡化系統的控制結構。

逆變器結構設計需考慮控制策略、保護電路以及電網性能等，在半橋逆變器基礎上提出全橋設想。交直流逆變器對注入電流調制，包括續流二極管和MOSFET管等部分[8]。電網過壓10%，直流電壓最小為350 V，直流端電容為150 W解耦電容需26 μF，標準電容為400 V解耦電容需33 μF，通常使用450 V電容[9]。

電流逆變器進入電網前，將逆變器輸出電壓轉換為電流，保護逆變器MOSFET管。輸出濾波類型有LC型、L型以及LCL型，濾波器濾波電容具有很好電壓-電流轉換功能。LC型濾波器濾波電容產生很大電流，L型濾波器濾波電容濾除高頻率噪聲效果差。MOSFET管選擇根據損耗等選定，非電阻元器件電阻可忽略。通過數控逆變器輸出電壓，采用開關角計算PWM控制方法，提高控制效果[10]。逆變器投入電網時，需優先流電阻防止涌入電流損壞電網，MOSAFET管自動切除限流電阻。常見的電路保護方法是直流側接電阻，將電阻與電容串聯。

6 結 論

能源枯竭是人類面臨的重大難題，太陽能利用受到廣泛關注，光伏發電技術得到深入研究，光伏并網發電在電力領域占據重要地位。本文對光伏并網逆變器拓撲結構等問題進行深入研究，太陽能光伏發電成本高是技術應用的難題，通過研究光伏模塊逆變器結構，證明雙橋逆變輸出可以降低傳輸損耗，可以提高發電效率。