1、太陽能逆變器開發思路和方案太陽能逆變器內容摘要：摘要：針對光伏并網發電系統中關鍵部件一一逆變器的結 構設計與限制方法研究進行了詳細分析和闡述.從電網、光伏 陣列以及用戶對逆變器的要求出發,分析了各種不同的逆變器 拓撲結構與限制方法,比擬其運行效率和限制效果.對于目前 國內外光伏發電系統中并網逆變器的研究現狀、亟待解決的問 題進行了闡述,指出光伏發電系統中并網逆變器高效可靠運行 的開展方向.摘要：針對光伏并網發電系統中關鍵部件一一逆變器的結 構設計與限制方法研究進行了詳細分析和闡述.從電網、光伏 陣列以及用戶對逆變器的要求出發,分析了各種不同的逆變器 拓撲結構與限制方法,比擬其運行效率和限制效果

2、.對于目前 國內外光伏發電系統中并網逆變器的研究現狀、亟待解決的問 題進行了闡述,指出光伏發電系統中并網逆變器高效可靠運行 的開展方向.關鍵詞：光伏并網發電系統；逆變器；拓撲結構；最大功率點跟蹤；孤島效應O引言由于傳統能源的枯竭和人們對環境的重 視,電力系統正面臨著巨大變革,分布式發電將成為未來電力 系統的開展方向.其中,光伏發電以其獨特的優點,被公認為 技術含量高、最有開展前途的技術之一.但是光伏發電系統存 在著初期投資大、本錢較高等缺點,因而探索高性能、低造價 的新型光電轉換材料與器件是其主要研究方向之一.另一方 面,進一步減少光伏發電系統自身損耗、提升運行效率,也是 降低其發電本錢的一個

3、重要途徑.逆變器效率的上下不僅影響 其自身損耗,還影響到光電轉換器件以及系統其他設備的容量 選擇與合理配置.因此,逆變器已成為影響光伏并網發電系統經濟可靠運行 的關鍵因素,研究其結構與限制方法對于提升系統發電效率、 降低本錢具有極其重要的意義5 o本文從電網、光伏陣列以及用戶對于并網逆變器的要求出 發,分析了不同的逆變器拓撲結構與限制方法,比擬了其運行 效率和限制效果.對于目前國內外光伏發電系統中并網逆變器 的研究現狀、亟待解決的技術問題進行了綜合,進一步指出了 光伏發電系統中并網逆變器高效可靠運行的開展方向.1 光伏發電系統對逆變器的要求光伏并網發電系統一般由 光伏陣列、逆變器和限制器 3局

4、部組成.逆變器是連接光伏陣 列和電網的關鍵部件,它完成限制光伏陣列最大功率點運行和 向電網注入正弦電流兩大主要任務.1 . 1電網對逆變器的要求逆變器要與電網相連,必須滿足 電網電能質量、預防孤島效應和平安隔離接地3個要求.為了預防光伏并網發電系統對公共電網的污染,逆變器應輸出失真度小的正弦波.影響波形失真度的主要因素之一是逆變器的開關頻率.在數控逆變系統中采用高速DS商新型處理器,可明顯提升并網逆變器的開關頻率性能,它已成為實際系 統廣泛采用的技術之一；同時,逆變器主功率元件的選擇也至關重要.小容量低壓系統較多地使用功率場效應管MOSFET它具有較低的通態壓 降和較高的開關頻率；但MOsFE

5、TS著電壓升高其通態電阻增大,因而在高壓大容量系統中一般采用絕緣柵雙極晶體管IGBT;而在特大容量系統中,一般采用可關斷品閘管GTO作為功率元件6 o依據IEEE2000-9297和UL17418標準,所有并網逆變器必須具有防孤島效應的功能.孤島效應是指當電網因電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時,光伏并網發電系統未能及時檢測出停電狀態并切離電網,使光伏并網發電系統與 周圍的負載形成一個電力公司無法掌握的自給供電孤島g o防 孤島效應的關鍵是對電網斷電的檢測.為了保證電網和逆變器平安可靠運行,逆變器與電網的有 效隔離及逆變器接地技術也十分重要.電氣隔離一般采用變壓器.在三相輸出光伏發電系

6、統中, 其接地方式可參照國際電工委員會規定的非接地(I-T)方式、單個保護接地(T-T)方式和變壓器中性線直接接地.而用電設備的 外殼通過保護線(PE)與接地點金屬性連接(T-N).1 . 2光伏陣列對逆變器的要求由于日照強度和環境溫度都 會影響光伏陣列的功率輸出,因此必須通過逆變器的調節使光 伏陣列輸出電壓趨近于最大功率點輸出電壓,以保證光伏陣列 在最大功率點運行而獲得最大能源.常用的最大功率點跟蹤 (MPPT)方法有：定電壓跟蹤法、“上山法、干擾觀察法及增 量電導法.2 . 3用戶對逆變器的要求從光伏發電系統的用戶來說,成 本低、效率與可靠性高、使用壽命長是其對逆變器的要求.因 此,對逆變

7、器的要求通常是：具有合理的電路結構,嚴格篩選的元器件；具備輸入直流極性反接、交流輸出短路、過熱過載等各種 保護功能.具有較寬的直流輸入電壓適應范圍.由于光伏陣列的端 電壓隨負載和日照強度而變化,因此逆變器必須能在較寬的直流輸入電壓范圍內正常工作,且保證交流輸出電壓的穩定.盡量減少中間環節如蓄電池等的使用,以節約本錢、 提升效率.3 逆變器結構的開展為了能夠設計出盡量滿足上述各項要 求的并網逆變器,大多數研究人員一直集中于逆變器拓撲結構 和限制方法2方面的研究.它采用單級無變壓器、電壓型全橋逆變結構.其特點是結構簡單、造價低、魯棒性強；但受限于當時開關器件水平,使系統的輸出功率因數只有0. 60

8、. 7,且輸出電流諧波大引.隨著電子開關器件的發 展,高頻頻率16kHz雙極晶體管,MOSFET IGBT等逐漸取 代了并網換相品閘管.由于采用 PW曲橋逆變電路和高頻開關 電子器件,能夠很好地限制輸出諧波；但16kHz20kHz開關頻率使得開關損耗增大,效率降低.單級逆變系統直接將直流轉換為交流,它的主要缺點是：需要較高的直流輸入,使得本錢提升,可靠性降低；對于最大功率點的跟蹤沒有獨立的限制操作,使得系統整體輸出功率降低；結構不夠靈活,無法擴展,不能滿足光伏陣列直流輸入 的多變性.因此,在直流輸入較低時,考慮采用交流變壓器升 壓,以得到標準交流電壓與頻率,同時可使得輸入輸出之間電氣隔離.為帶

9、工頻變壓器結構的光伏逆變系統.其最大優點是逆變 器在低壓側,因此逆變橋可以采用高頻低壓器件MOSFET節省了初期投資；而且逆變器的限制在低壓側實現,使得限制更易實現.此 結構還適用于大電流光伏模塊.工頻升壓變壓器體積大,效率低,價格也很昂貴,隨著電 力電子技術和微電子技術的進一步開展,采用高頻升壓變換能 實現更高功率密度逆變.升壓變壓器采用高頻磁芯材料,工作 頻率均在20kHz以上.其體積小、重量輕,高頻逆變后經過高 頻變壓器變成高頻交流電,又經高頻整流濾波電路得到高壓直 流電通常在300V以上,再由工頻逆變電路實現逆變.多轉換級帶高頻變壓器的逆變結構相比帶工頻變壓器的逆 變結構,功率密度大大

10、提升,逆變器空載損耗也相應降低,從 而效率得到提升,但也導致了逆變器的電路結構復雜,可靠性 降低.光伏逆變器由單級到多級的開展,使電能轉換級數增加, 能夠便于滿足最大功率點跟蹤和直流電壓輸入范圍的要求；但是單級逆變器結構緊湊,元器件少,損耗更低,逆變器 轉換效率更高,更易限制.因此,在結合兩者優點的前提下,盡可能提升直流輸入電壓,就能提升逆變器的轉換效率.早期采用了集中式技術提升 輸入電壓,如圖4(a)所示.將光伏模塊串/并聯連接,產生直 流高電壓和電流,以增加轉換效率.該結構方式不夠靈活,會 產生許多電能質量問題.現階段的光伏并網逆變器大多采用串 級型,其結構如圖4(b)所示.把光伏模塊串聯

11、輸入,同時盡量 采用模塊化設計,減少中間環節,導致如圖4(c)所示結構.該設計更靈活,適應性更強,可即插即用.圖 4(d)所示為多串級 逆變器結構,它融合了串級的設計靈活、高能量輸出與集中型 低本錢的優點,是今后光伏并網逆變結構的一種開展趨勢.最近,一些新型的逆變器拓撲結構和連接概念被提出來, 如主從連接概念、隊連接概念等.其研究不再僅僅局限于單個 逆變器效率的提升,而是多個逆變器連接的效率即整個系統效 率的提升.3 逆變器的限制策略光伏逆變器實現并網運行必須滿足： 其輸出電壓與電網電壓同頻同相同幅值,輸出電流與電網電壓 同頻同相(功率因數為1),而且其輸出還應滿足電網的電能質 量要求.這些都

12、依賴于逆變器的有效限制策略.光伏并網逆變 器的限制一般分為2個環節：第1個環節得到系統功率點,即 光伏陣列工作點；第2個環節完成光伏逆變系統對電網的跟蹤.同時,為保證光伏逆變器平安有效地直接工作于并網狀態,系統必須具備一定的保護功能和防孤島效應的檢測與限制 功能.3 .1光伏陣列工作點跟蹤限制光伏陣列工作點的限制主要 有恒電壓限制CVT和MPP定2種方式.CVT是通過將光伏陣列端電壓穩定于某個值的方法,確定 系統功率點.其優點是限制簡單,系統穩定性好.但當溫度變 化較大時,CVTT式下的光伏陣列工作點將偏離最大功率點 口.MPPT是當前較廣泛采用的光伏陣列功率點限制策略.它通 過實時改變系統的

13、工作狀態,跟蹤陣列的最大工作點,從而實 現系統的最大功率輸出 門.它是一種自主尋優方式,動態性能 較好,但穩定性不如 CVT其常用方法有“上山法、干擾觀 察法、電導增量法等,具體實現見文獻.現在對MPPT勺研究集中在簡單、高穩定性的限制算法實現 上,如最優梯度法門、模糊邏輯限制法等、神經元網絡限制法 一等,也都取得了較顯著的跟蹤限制效果.3 . 2逆變器跟蹤電網限制對電網的跟蹤限制是整個逆變系 統限制的核心,直接關系到系統的輸出電能質量和運行效率.由于光伏并網逆變器是基于 PW陋變實現的,所以其限制 屬于逆變器PWMI流限制方式口弓I.較早出現的PWME線性限制方法有瞬時比擬方式和三角波比擬方

14、式口弓I.所示的瞬時比擬方式,電流誤差的補償和PWMF號的產生同時在同一限制單元完成,并且構成了閉環反應,使得限制器 實現簡單,具有良好的動態響應和內在的電流保護功能.但是 它具有限制延時、開關頻率不固定、無法產生零電壓矢量等不 足,因此輸出電流波動、諧波畸變率都很大.為預防器件開關 頻率過高,可采用滯環寬度根據輸出電流而自動調節的滯環比 較器；或采用定時限制的瞬時值比擬方式,但此方法的補償電流 誤差不固定12弓I.三角波比擬方式的原理,放大器 A常采用比例或比例積分 放大器.與瞬時值比擬方式相比,該方法的優點是輸出電壓中 所含諧波較少含有與三角波相同頻率的諧波,器件的開關頻 率固定等于三角波

15、的頻率；但該方法硬件較為復雜,跟隨誤差較大,放大器的增益有 限,電流響應比瞬時值比擬方式的慢.目前更好的閉環電流限制方法是基于載波周期的一些限制 方法,例如無差拍PW瞰術.它是將目標誤差在下一個限制周 期內消除,實現穩態無靜差效果.此方法計算量較大,但其開 關頻率固定、動態響應快,適宜于光伏并阿的數字限制實現 引.隨著微處理器技術,尤其是數字信號處理器的開展,現代 限制理論中許多先進算法也被應用到光伏逆變系統的限制中, 如人工神經網絡、自適應、滑模變結構、模糊限制等,它們在 各自領域解決了某些限制問題,但同樣具有各種相應的局限 性.例如：人工神經網絡限制的精度依賴于模型練習樣本；自適應限制要求

16、在線辨識對象模型,算法復雜、計算量大；滑模變結構限制存在系統抖振問題；模糊限制依賴于隸屬函數的選取,限制精度有待提升等.三相并網系統中,較多地采用將交流變量轉換為直流變量,將三相變換為兩相的限制策略,并提出在d-q同步參考坐標系下基于空間矢量 PWM(SVPWM戰性電流限制器z oSVPwM限制在解耦的d軸和q軸形成電流限制環,具有固 定的開關頻率,很好地輸出諧波頻譜,優化了開關限制方案和 直流電壓利用率.但它輸出的電流質量一般,并且不具備內在 的過電流保護水平.近幾年,光伏并網系統的綜合限制成為其研究開展的新趨 勢.文獻33-研究了基于瞬時無功理論的無功與諧波電流補償 限制,使得光伏并網系統

17、既可以向電網提供有功功率,又可實 現電網無功和諧波電流補償.這對逆變器跟蹤電網限制的實時 性、動態特性要求更高.研究適合于這類逆變器的限制方法對電網電能質量的提升具有重大意義.3 . 3逆變器對于孤島效應的檢測及限制逆變器直接并網 時,除了應具有根本的保護功能外,還應具備防孤島效應的特 殊功能.從用電平安與電能質量考慮,孤島效應是不允許出現 的；孤島發生時必須快速、準確地切除并網逆變器,由此引出 了對于孤島效應進行檢測限制的研究.孤島效應的檢測一般分成被動式與主動式.被動式檢測是 利用電網監測狀態如電壓、頻率、相位等作為判斷電網是否 故障的依據9.如果電網中負載正好與逆變器輸出匹配,被動 法將

18、無法檢測到孤島的發生.主動檢測法那么是通過電力逆變器 定時產生干擾信號,以觀察電網是否受到影響作為判斷依據 9,如脈沖電流注入法、輸出功率變化檢測法、主動頻率偏移 法和滑模頻率偏移法.等.它們在實際并網逆變器中都有所應用,但也存在著各自的 缺乏.當電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時,頻率偏移法 無法檢測到孤島效應,即存在“檢測盲區.輸出功率變化檢測 法雖不存在“檢測盲區,然而光伏并網系統受到光照強度等 影響,其光伏輸出功率隨時在波動,對逆變器參加有功功率擾 動,將會降低光伏陣列和逆變系統的效率.為了解決這個問題,光伏并網的有功和無功綜合限制方法經常被提出來.隨著光伏并網發電系統進一步的廣泛應用,當多個逆變器 同時并網時,不同逆變器輸出的變化非常大,從而導致上述方 法可能失效.因此,研究多逆變器的并網通信、協同限制已成 為其