高頻并網(wǎng)光伏逆變器的主電路拓撲技術(shù)研究

姜波 北京中唐電工程咨詢有限公司

隨著國家對可再生能源利用不斷重視，高頻并網(wǎng)逆變技術(shù)受到了研究領(lǐng)域的高度關(guān)注，成為業(yè)內(nèi)的重點研究方向。究其原因，主要是在太陽光伏、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源分布式能源系統(tǒng)中，高頻并網(wǎng)逆變器所起到的作用不容忽視，屬于太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電的重要技術(shù)，其技術(shù)特點包括直流輸入范圍寬、大功率跟蹤功能、具有同步的輸出電流相位和頻率、具有孤島檢測保護功能等，因此，對此項課題進行研究，具有十分重要的意義。

一、高頻并網(wǎng)光伏逆變器的主電路拓撲分析

應(yīng)用形式和變換技術(shù)，是高頻并網(wǎng)光伏逆變器拓撲類型的劃分依據(jù)。單相并網(wǎng)逆變器是本文所研究的對象，其原因在于此類逆變器的應(yīng)用范圍較廣，分類依據(jù)為是否具備隔離變壓器。

（一）不具備變壓器的高頻并網(wǎng)逆變器

這種逆變器的拓撲原理如圖1所示，省去了變壓器是此類逆變器的優(yōu)點，正因如此，逆變器具有效率、功率密度較高、體積小、重量輕和便于使用等特點。但這種逆變器也存在缺點，主要表現(xiàn)為太陽電池組件直流輸出端與電網(wǎng)直接相連，不具備電氣隔離，太陽電池組件兩級存在電網(wǎng)電壓，并且高頻DC/DC的使用，導(dǎo)致EMC、EMI的解決難度大幅度上升，開關(guān)損耗也隨之增加，故此類逆變器的可靠性偏低。上述缺點的存在，影響了逆變器的使用性能，高頻逆變器想要進一步發(fā)展，必須攻克這項技術(shù)難點。Boost雙模式光伏并網(wǎng)逆變器屬于新型逆變器的一種，與普通電路相比，此類逆變器將旁路二極管應(yīng)用到電路之中，其工作模式可以分為兩種，一種是在光伏陣列電壓偏低時，電路電壓會增加，同時將運行方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀冞\行，此時系統(tǒng)的能量變換方式以兩級能量變換為主。另一種是在光伏陣列電壓超出設(shè)定值時，系統(tǒng)會自動切換成單級逆變系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的運行效率。此類拓撲結(jié)構(gòu)，可以使光伏陣列的設(shè)計安裝更加靈活。

圖1 不具備變壓器的高頻并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，多支路DC/DC并聯(lián)光伏并網(wǎng)逆變器較為常用，在觀察其拓撲結(jié)構(gòu)后可知，系統(tǒng)會對光伏方陣的輸出電壓和電流進行檢測，同時將電壓電流信息作為依據(jù)，對最大功率點位置進行判斷，再輔以控制手段，使DC/DC變換電路的占空比發(fā)生改變，最終實現(xiàn)預(yù)期的目的。在這種拓撲結(jié)構(gòu)中，各路最大功率跟蹤輸出需要通過并聯(lián)的方式與直流母線相連接，其中，電解儲能電容會在最大功率跟蹤器和后級逆變系統(tǒng)之間設(shè)置，通過這種方式，使能量解耦的目的達成。

除上述并網(wǎng)逆變器之外，電流源型多級電流Boost逆變器也較為常用，此類逆變器具有諸多方面的優(yōu)點，分別是電流平衡度高，可以控制功率器件的電流，EMI干擾也會隨之降低，因此，系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性較強，并且，系統(tǒng)還具備非常高跟蹤精度。其缺點為平波電感值大，導(dǎo)致大功率下的電感損耗增加，系統(tǒng)運行效率也會因此受到不利影響。此外，缺少電氣隔離，同樣是系統(tǒng)的缺陷。

研究人員以單級光伏并網(wǎng)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種逆變器，該逆變器的全稱為三橋臂整流逆變單相并網(wǎng)光伏逆變器，其組成部分為三個半橋，這些半橋分別是整流臂、逆變橋臂和通用臂。與普通逆變器相比，這種逆變器的電路更具效率，并且，輸出電壓可以被有效調(diào)節(jié)，同時還能額外增加負載。

除Boost電路之外，有學(xué)者在研究后提出了一種以Buck-Boost為基礎(chǔ)的逆變器，這個逆變器由兩套PV系統(tǒng)和Buck-Boost斬波電路組成，其應(yīng)用有助于對地漏電流問題的解決，這里所說的漏電流，常常發(fā)生在并網(wǎng)系統(tǒng)中電網(wǎng)和光伏陣列之間，但這種逆變器對光伏陣列的利用率卻十分低下，這是逆變器的主要缺陷。因此在實際應(yīng)用過程中，此類逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較少[1]。

總之，不具備變壓器的高頻并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，由于抗干擾能力偏低，因此，容易受到環(huán)境因素的影響，尤其是在雷雨天氣下，逆變器極易受損，為此，在使用此類逆變器時做好防雷接地措施十分關(guān)鍵。

（二）具備變壓器的高頻并網(wǎng)光伏逆變器

以工頻單級逆變系統(tǒng)為例，這種逆變系統(tǒng)使用高頻變壓器對工頻變壓器進行了取代，減輕了系統(tǒng)的重量。由于具備變壓器，因此，其電氣隔離性能較為顯著。在查閱文獻資料后得知，此類逆變器系統(tǒng)具有三級能量變換方式，即DC-HFAC-DC-LFAC。其優(yōu)點包括電氣隔離和重量輕，系統(tǒng)效率也超過90%。但此類逆變器的缺點為功率等級偏低，逆變器拓撲結(jié)構(gòu)主要在2kW以下集中，并且高頻DC/AC/DC具有非常高的工作頻率，加大了EMC的設(shè)計難度，此外，抗沖擊性能差同樣是系統(tǒng)的缺點。

國外某公司研制了一種新型光伏并網(wǎng)逆變器，其最大功率為145Wp，即插即用是系統(tǒng)的特點，屬于典型的微型并網(wǎng)光伏逆變器，在功率為70-145Wp的光伏陣列中較為適用，可以在光伏組件背面直接插入。推挽電路是該電路的前級拓撲，因此，在低電壓場合，此類電路可以取得良好的應(yīng)用效果，為低功率MOSFET選擇創(chuàng)造了有利的條件，同時，還能使系統(tǒng)成本下降。但此類逆變器卻存在效率偏低的問題[2]。

高頻環(huán)節(jié)光伏并網(wǎng)逆變器，可以通過轉(zhuǎn)換光伏電壓的方式，向交流電網(wǎng)中輸出低頻交流電。其原理如下：逆變器首先會將光伏陣列電壓轉(zhuǎn)換為高頻電壓，在通過高頻變壓器的一系列調(diào)節(jié)后，由AC/低頻對其進行變換，促使高頻電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l交流電。此類逆變器的組成部分包括變壓器、整流器、逆變器、濾波器和逆變橋組成。其應(yīng)用，有助于光伏陣列最大功率點跟蹤和單位功率因數(shù)的實現(xiàn)，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率變換級數(shù)較多，因此存在效率低下，成本過高等缺陷。

為促進系統(tǒng)效率的提升，研究人員嘗試在逆變器中應(yīng)用串聯(lián)諧振技術(shù)。其原理為電容CR經(jīng)過變壓器初級等效電感，實現(xiàn)串聯(lián)諧振環(huán)的目的。這樣一來，VSpv1和VSpv2工作模式就會變?yōu)閆CS，功率器件損耗也會隨之下降。

在大功率場合，必須采用具備變壓器的高頻并網(wǎng)光伏逆變器，在并網(wǎng)發(fā)電模式選擇方面，主要以分布式多支路并網(wǎng)發(fā)電模式為主。

總之，上文所介紹的集中逆變器拓撲系統(tǒng)，其功率變換模式為三級功率變換，因此，系統(tǒng)存在大量的功率器件，導(dǎo)致系統(tǒng)效率下滑，而成本上升。事實上，功率等級較小的并網(wǎng)系統(tǒng)，主要以二級功率變換為主。

二、高頻鏈并網(wǎng)光伏逆變器

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，以高頻鏈逆變器技術(shù)為基礎(chǔ)的并網(wǎng)逆變器成為業(yè)內(nèi)研究的重要方向。其中，前級DC/AC具有轉(zhuǎn)換功能，可以使直流逆變轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流。而后級DC/AC部分可以使高頻交流變?yōu)榈皖l交流。但此類拓撲結(jié)構(gòu)由于對PWM技術(shù)進行了應(yīng)用，因此，在轉(zhuǎn)換過程中，容易受到漏感能量的影響，如果不及時處理，甚至?xí)l(fā)電壓過沖現(xiàn)象。一般情況，使用緩沖電路即可有效解決問題，但這種電路的使用，會影響變換效率，同時，還會導(dǎo)致電路復(fù)雜程度上升，系統(tǒng)可靠性也會因此而下降[3]。

此類拓撲族包括多種電路，分別為半橋全波式、推挽全波式、全橋全波式等，總計18種。并且，系統(tǒng)在運行期間，需要對多種功率器件進行控制，故控制難度較大。此外，這個系統(tǒng)還會面臨與并網(wǎng)電流相位同相的問題，相較于單一的高頻鏈逆變器技術(shù)，系統(tǒng)總體控制技術(shù)難度偏高，在這些因素的影響下，系統(tǒng)效率較為低下，其使用性能也很難得到保證。因此，在市場上高頻鏈并網(wǎng)光伏逆變器并不受歡迎，所占市場份額遠低于普通高頻鏈逆變器。但事實上，在小功率場合應(yīng)用這種逆變器，可以使其優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。究其原因，主要是在小功率場合下，高頻鏈并網(wǎng)光伏逆變器所使用的拓撲結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由周波變換器和高頻變換器組成，在實際運行時，由周波變換器整流即可。值得注意的是，為減少開關(guān)損耗，在應(yīng)用高頻鏈并網(wǎng)光伏逆變器時，建議采用專用的驅(qū)動芯片。

三、結(jié)論

綜上所述，在可再生能源開發(fā)利用的背景下，光伏發(fā)電、太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電發(fā)展受到了國家的高度關(guān)注。尤其是光伏發(fā)電技術(shù)想要實現(xiàn)發(fā)展，必須要應(yīng)用電力電子和控制技術(shù)。其中，高頻并網(wǎng)光伏逆變器的應(yīng)用，有助于光伏發(fā)電的發(fā)展。但目前所應(yīng)用的逆變器主電路拓撲技術(shù)尚存在一些缺陷，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些缺陷會逐漸得到改善，從而在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中取得更加顯著的應(yīng)用效果。