光伏發(fā)電逆變器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略

劉泉泉

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 湖南火電建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015）

0 引 言

隨著能耗量的增加，太陽(yáng)能成為今后能源開(kāi)發(fā)使用的主要研究方向。當(dāng)前光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，但高成本是困擾光伏發(fā)電的難題，光伏發(fā)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(fā)電并網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)發(fā)電中將陣列模塊串聯(lián)，為提高光伏發(fā)電效率，人們將光伏陣列模塊單獨(dú)安裝逆變器，實(shí)現(xiàn)效率最大化。單獨(dú)成套設(shè)備為交流模塊，可提高發(fā)電效率[1]。研究陣列模塊設(shè)計(jì)可從發(fā)電結(jié)構(gòu)出發(fā)，計(jì)算影響發(fā)電效率因素，要求功率廠效應(yīng)管具有較高的開(kāi)關(guān)頻率，功率場(chǎng)效應(yīng)管隨電阻增大，特大型光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用功率元件為晶閘管。研究從使用壽命等方面考慮，對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展

光伏發(fā)電網(wǎng)始于20世紀(jì)80年代初，日本等國(guó)政府投資建造1 MW大型光伏并網(wǎng)電站，但發(fā)電成本過(guò)高。90年代，發(fā)達(dá)國(guó)家興起太陽(yáng)能屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，德國(guó)政府通過(guò)的可再生能源法，被視為可再生能源領(lǐng)域的前瞻性立法。

中國(guó)光伏并網(wǎng)發(fā)電處于發(fā)展階段，國(guó)家出臺(tái)許多相關(guān)政策促進(jìn)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！熬盼濉逼陂g我國(guó)開(kāi)始對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)攻關(guān)，研究大型光伏電站使用控制器，建成10 kW光伏屋頂并網(wǎng)示范站[2]。國(guó)家科技部將并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)列為重要研究方向，加強(qiáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面攻關(guān)，建成多座并網(wǎng)示范電站。國(guó)家科技部通過(guò)863項(xiàng)目支持開(kāi)展并網(wǎng)光伏電站研究，主要以小型系統(tǒng)為主，借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家太陽(yáng)能穩(wěn)定系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，在大中城市公益性建筑使用光伏電源。我國(guó)并網(wǎng)光伏電站應(yīng)用處于試驗(yàn)示范階段，光伏發(fā)電技術(shù)研究應(yīng)用任重道遠(yuǎn)。

并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)核心器件，并網(wǎng)逆變器技術(shù)研究逐漸增多，主要包括逆變器控制技術(shù)研究和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究等。隨著電力電子器件的發(fā)展，逆變器向不同的方向快速發(fā)展。我國(guó)并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵技術(shù)研究起步較晚，清華大學(xué)能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和浙大等系列高校及科研院所開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究，但相比發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差距，加快光伏電發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究，提高我國(guó)光伏發(fā)電市場(chǎng)地位非常迫切。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器

光伏發(fā)電系統(tǒng)是從太陽(yáng)能電池板到提供給用戶使用設(shè)備的設(shè)備體系，分為離網(wǎng)型與并網(wǎng)型兩種[3]。獨(dú)立型離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)換電能給負(fù)載供電，分布相對(duì)分散，主要適用于一些軍事基地等，系統(tǒng)可靠性受到實(shí)際使用負(fù)載情況的影響，有時(shí)需增加儲(chǔ)能裝置。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是輸出與電網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，運(yùn)用于發(fā)電容量較大的光伏電站。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以高效運(yùn)用太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換電能，省去價(jià)格高的儲(chǔ)能裝置，減少間接污染。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)按功率等級(jí)分為大中小型，小型光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，通常用于便攜式系統(tǒng)，大部分為獨(dú)立系統(tǒng)。中型光伏發(fā)電系統(tǒng)多用于居民用戶戶外設(shè)備，西部很多地區(qū)應(yīng)用廣泛，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)大型光伏發(fā)電系統(tǒng)電站為10～100 kW。此外，超大型系統(tǒng)主要用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和大功率太陽(yáng)能光伏發(fā)電站，根據(jù)不同系統(tǒng)方案選取不同功率等級(jí)。典型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括太陽(yáng)能光伏電池陣列、控制器以及本地負(fù)載等。大型系統(tǒng)中有適當(dāng)補(bǔ)充器件，如柴油發(fā)電機(jī)等。光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，逆變器包含控制系統(tǒng)功能光伏并網(wǎng)逆變器，需要對(duì)轉(zhuǎn)換交流電頻率、電流以及電能品質(zhì)等進(jìn)行控制。逆變器在光伏發(fā)電中的原理如圖1所示。

圖1 逆變器在光伏發(fā)電中的原理圖

太陽(yáng)能光伏陣列發(fā)出的電為直流電，需要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)。發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)由逆變器控制，逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，向電網(wǎng)注入正弦電流。光伏發(fā)電主要與日照強(qiáng)度及溫度有關(guān)，要在最大功率點(diǎn)附近輸出功率，主要研究影響光伏逆變器環(huán)境功能因數(shù)和開(kāi)路電壓短路等因素。根據(jù)研究光伏列陣模塊，溫度25 ℃時(shí)產(chǎn)生最大功率約189 W，系統(tǒng)模塊需要根據(jù)環(huán)境溫度變化，選擇合適的逆變器安裝相應(yīng)位置。我國(guó)通用工頻電網(wǎng)額度頻率為50 Hz，光伏列陣模塊耐壓需超過(guò)開(kāi)路情況下最大電壓，光強(qiáng)度達(dá)到1 200 W/m2，最大短路電流達(dá)7 A，選擇最大電流為8 A的逆變器[4]。此外，提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電效率，需要提高發(fā)電系統(tǒng)效率。

3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電逆變器結(jié)構(gòu)

三相逆變器控制技術(shù)是并聯(lián)控制技術(shù)的基礎(chǔ)，需要研究電源模塊控制技術(shù)。穩(wěn)態(tài)性能體現(xiàn)在各電源模塊電壓幅值穩(wěn)定度上，動(dòng)態(tài)性體現(xiàn)在輸出電壓諧波含量及負(fù)載突變響應(yīng)速度上。控制技術(shù)決定逆變器并聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行性能，常見(jiàn)的控制技術(shù)有數(shù)字PID控制、無(wú)差拍控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

隨著新型技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)供電可靠性不斷提高。單級(jí)逆變器轉(zhuǎn)換效率高，輸出功率低，對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤無(wú)獨(dú)立控制操作，無(wú)法滿足太陽(yáng)能直流輸入多變性要求。通常采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)輸送交流電源。太陽(yáng)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(diǎn)。高頻隔離采用高頻電壓器，具有體積小等優(yōu)點(diǎn)，通常使用隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。分析代表性光伏發(fā)電系統(tǒng)，比較設(shè)計(jì)系統(tǒng)效率等，光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變器通常分為高頻鏈與直流鏈結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)逆變器調(diào)制電流成正弦波后輸送至電網(wǎng)高頻逆變器，通過(guò)逆變器將電流轉(zhuǎn)換為低頻后入網(wǎng)[5]。高頻鏈逆變結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換為交流電，通過(guò)交直流逆變器將直流電力轉(zhuǎn)換為正弦交流電。DC-DC變換器采用并聯(lián)小電容方式，解決能量緩沖問(wèn)題。

4 光伏并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)

單項(xiàng)光伏并網(wǎng)逆變器采用全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單相光伏并網(wǎng)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(wǎng)饋入與其同頻同向的正弦波電流。

針對(duì)不同要求有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多級(jí)逆變器變換結(jié)構(gòu)可使用在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中包括三相和功率單向流動(dòng)等形式。如采用雙向功率流動(dòng)拓?fù)?，可在電網(wǎng)電能富足時(shí)存儲(chǔ)電能[6]。拓?fù)淇梢允褂糜诓煌瑘?chǎng)合，隨著高速數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）的出現(xiàn)，將數(shù)字控制應(yīng)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(shù)字控制結(jié)合的控制效果理想。調(diào)制方式有SPWM等，并網(wǎng)逆變器輸出有電壓型與電流型，電壓型控制系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻電壓信號(hào)，電流型控制以輸出電感電流為受控目標(biāo)，系統(tǒng)是內(nèi)阻較大的受控電流源。

逆變器輸出的是標(biāo)準(zhǔn)正弦脈寬調(diào)制信號(hào)，電網(wǎng)電壓質(zhì)量高，得到并網(wǎng)電流，電網(wǎng)電壓受到擾動(dòng)，并網(wǎng)逆變器呈現(xiàn)低阻抗特性，降低除數(shù)電源質(zhì)量。輸出電流是受控量，并網(wǎng)逆變器呈現(xiàn)高阻抗特性，采用電流型控制減少電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的影響，更好地實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制目標(biāo)。逆變電路交流側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓有相位差，光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制目標(biāo)是提高電壓穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)性能指輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)水平，由于流過(guò)電感L電流不能突變，故采用電流瞬時(shí)值閉環(huán)控制法產(chǎn)生響應(yīng)SPWM信號(hào)，使并網(wǎng)電流波形為正弦波。

母線直流電壓穩(wěn)定性控制是系統(tǒng)穩(wěn)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(nèi)環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，將交流電流環(huán)控制等效為幅值控制，并網(wǎng)逆變系統(tǒng)交流側(cè)有功功率等于光伏陣列輸出功率。

5 光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

光伏并網(wǎng)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(wǎng)逆變器目標(biāo)是將光伏電池輸出直流電轉(zhuǎn)變成交流電，通常大容量逆變器采用三相形式，并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)跟電網(wǎng)相連，考慮系統(tǒng)對(duì)直流分量對(duì)電網(wǎng)污染等問(wèn)題，要求系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)光伏電池直流側(cè)輸入電壓范圍為450～800 V，采用三相全橋逆變橋結(jié)構(gòu)，通過(guò)輸出濾波電感L濾除諧波調(diào)節(jié)電能質(zhì)量，最終每相輸出220 V/50 Hz電能[7]。控制系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理芯片實(shí)現(xiàn)，通過(guò)特殊控制保證與電網(wǎng)電壓同相位，系統(tǒng)啟動(dòng)需要使用直流側(cè)電容C充電到近電網(wǎng)電壓峰值，保證直流側(cè)電壓不低于電網(wǎng)電壓峰值。并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡瑸閷?shí)現(xiàn)高質(zhì)量輸出并網(wǎng)電流，針對(duì)系統(tǒng)采取單級(jí)式拓?fù)淠Ｊ剑恢绷鱾?cè)可以相互控制，系統(tǒng)通過(guò)電壓外環(huán)控制得出電流環(huán)指令控制電壓，針對(duì)交流控制比直接流量復(fù)雜特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換控制策略，加入前饋補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。

逆變器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮控制策略、保護(hù)電路以及電網(wǎng)性能等，在半橋逆變器基礎(chǔ)上提出全橋設(shè)想。交直流逆變器對(duì)注入電流調(diào)制，包括續(xù)流二極管和MOSFET管等部分[8]。電網(wǎng)過(guò)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入電網(wǎng)前，將逆變器輸出電壓轉(zhuǎn)換為電流，保護(hù)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(zhuǎn)換功能。LC型濾波器濾波電容產(chǎn)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(jù)損耗等選定，非電阻元器件電阻可忽略。通過(guò)數(shù)控逆變器輸出電壓，采用開(kāi)關(guān)角計(jì)算PWM控制方法，提高控制效果[10]。逆變器投入電網(wǎng)時(shí)，需優(yōu)先流電阻防止涌入電流損壞電網(wǎng)，MOSAFET管自動(dòng)切除限流電阻。常見(jiàn)的電路保護(hù)方法是直流側(cè)接電阻，將電阻與電容串聯(lián)。

6 結(jié) 論

能源枯竭是人類面臨的重大難題，太陽(yáng)能利用受到廣泛關(guān)注，光伏發(fā)電技術(shù)得到深入研究，光伏并網(wǎng)發(fā)電在電力領(lǐng)域占據(jù)重要地位。本文對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等問(wèn)題進(jìn)行深入研究，太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本高是技術(shù)應(yīng)用的難題，通過(guò)研究光伏模塊逆變器結(jié)構(gòu)，證明雙橋逆變輸出可以降低傳輸損耗，可以提高發(fā)電效率。