新能源光伏逆变器综述

1 新能源光伏逆变器综述 摘要：光伏逆变器是光伏发电系统中十分关键的一环，它的性能关系到整个光伏发电系统的正常运转与效率.。本文借助光伏逆变器的拓扑结构分类，对运用广泛的光伏逆变器进行阐述.。文章分析介绍各种光伏逆变器的优、缺点，并对光伏逆变器的发展趋势做出展望.。关键词：光伏逆变器；拓扑结构；现状；发展趋势 1 引言 能源一直是整个社会高度关注的话题.。在当今世界，能源是一切生产劳动必不可少的基础.。目前使用最为广泛的能源主要是煤炭、石油等传统的化石能源，但由于其大量使用所引起的环境恶化、资源锐减等问题，人们对绿色能源的期望越来越高，迫切寻求新型清洁能源来代替.。能源参与生产最主要的形式为电能，因此，可再生清洁能源发电技术是人们所期望的.。以太阳能发电为基础的光伏发电系统，具有系统安全、无污染、可靠性高等诸多优点，受到人们的关注.。光伏并网发电是目前主要的光伏发电形式，光伏逆变器作为核心部件，其性能直接影响光伏发电系统的运行.。2 光伏逆变器分类 2.1 光伏逆变系统基本结构 光伏逆变系统的基本结构包括：DC/AC 逆变器、控制器、变压器、检测单元和 DC/DC 转换电路等.。光伏逆变器的功能是将光伏组件等产生的直流电变换成交流电，其核心便是逆变电力电子开关电路，即逆变器.。不同功率场合下对主开关器件的选用也不同：功率较大时使用三相 IGBT 功率模块；功率较小时则使用场效应晶体管.。电力电子开关器件（MOSFET、IGBT 等）的通断需要一定的驱动脉冲来控制，因此控制器通過产生和调节脉冲来对逆变器进行输出控制，使光伏逆变器输出满足并网需求.。2.2 光伏逆变器分类 2 由逆变系统的基本结构可知，对于逆变器的划分，可以从不同的方向来进行.。依据逆变器主电路的形式，可分为单端式逆变器、推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器；依据是否有变压器，可分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器；依据逆变器主开关器件类型的不同，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应管逆变器和绝缘栅型双极晶体管（IGBT）逆变器；依据逆变控制方式，可分为调频式（PFM）逆变器和调脉宽式（PWM）逆变器.。本文根据直流侧光伏组件的不同（功率不同），将光伏逆变器划分为集中式逆变器、组串式逆变器和组件式逆变器，对每种逆变器进行介绍和分析.。逆变器类型直流侧使用场所 集中式逆变器（50kW 以上）光伏阵列大型地面光伏电站 大型建筑物屋顶 组串式逆变器（3-50kW）光伏组串住宅或商业楼屋顶 中型分布式光伏电站 组件式逆变器（200W-3kW）光伏组件家庭户用 小型分布式光伏电站 3 光伏逆变器的拓扑结构 3.1 集中式逆变器 集中逆变技术本质上是众多的光伏组件分组串联成光伏组串，由光伏组串再进行并联形成光伏阵列，经過汇流箱汇流后，将能量输入到一台集中式逆变器的直流侧.。控制器一般由 DSP 等性能优越的信号处理器组成，采用 SVPWM 调制算法，通過采集交流输出端的信号来输出相应的驱动脉冲，使逆变器的输出更加接近于电网的要求.。在众多的集中式逆变器中，三相二电平逆变拓扑结构是应用最为广泛的.。该结构主要是由直流侧支撑电容、三相逆变主电路和交流测滤波电路组成.。直流侧支撑电容的主要功能是稳定由光伏阵列输出的直流电压，一般选用薄膜电容作为支撑电容.。与平时使用的电解电容相比，薄膜电容的介电常数更高，且能量 3 密度更大，能更好地起到稳定电压的作用.。三相逆变主电路主要采用 IGBT 作为开关管进行控制，将输入的直流电逆变成交流电，并在此過程中实现最大功率点跟踪（MTTP）和防孤岛等功能，使逆变效率最大化.。但逆变电路并不能将直流电完美地转化成正弦工频电，其中含有各种次数的谐波.。因此，需在交流测选用 LCL 滤波电路对交流电滤波.。相比于 LC 滤波和 L 滤波，LCL 滤波电路对高次谐波的抑制能力更强，与此同时其所需电感值较小，有利于电路的设计.。最后，为了满足不同电压等级的需求，将滤波后的交流电通過变压器接入电网.。3.2 组串式逆变器 几块或十几块光伏组件串联成光伏组串，若干个光伏组串连接到对应逆变器的直流侧，这就是组串式逆变器的输入侧的结构.。组串式逆变器相对于集中式逆变器而言，是一种小能量的逆变，分散的逆变.。组串式逆变器完成各自对应输入能量的逆变，再将能量汇聚传输给电网.。组串式逆变器一般采用两级单相拓扑结构.。该结构一般由DC/DC升压电路、三相逆变主电路、滤波电路和支撑电容等组成.。第一级主要是 DC/DC 升压电路，通常采用 boost 升压电路结构，作用是对光伏组串的输出电压进行控制，使电压等级符合并网的要求.。若光伏组串的输出电压已满足电网要求，则 DC/DC 升压电路可以省略.。与此同时，还可以控制光伏组串的 MPPT，提高逆变的效率.。第二级主要是逆变与滤波电路，完成直流向交流的转变.。如果没有了第一级的DC/DC 升压，那么就需要像集中式逆变器一样，在逆变电路中加入 MPPT，使整个逆变過程效率最大化.。3.3 组件式逆变器 组件式逆变器中最为典型的是微型逆变器.。微型逆变器的直流侧只连接了一个光伏组件，因此，微型逆变器对每一个单独的光伏组件进行升压、逆变和滤波等操作.。微型逆变器拓扑结构有很多种，可大体上分为单极式和双极式逆变器.。目前，一般选用单极式中交错反激式微型逆变器，其电路简单，成本低，效率高，有利 4 于家庭光伏发电的推广.。交错反激式逆变拓扑结构主要由双路反激变换器、工频极性反转桥和滤波电路等组成.。双路反激变换器并联在光伏组件的输出侧，对其输出电压进行控制，并实现 MPPT 功能.。双路反激变换器并联还能够提高功率等级，减小电流纹波，改善电能质量.。工频极性反转桥起到了逆变的功能，经滤波电路后与电网相连.。4 光伏逆变器特点、展望 4.1 集中式逆变器 集中式逆变器获得众多大型光伏电站设计者的青睐，一定有其可取之处.。第一，控制技术较为成熟，可靠性高，转化效率可达 98%以上；第二，集成度高，功率密度大，成本较为低廉；第三，有较为完善的保护功能，提高光伏电站的安全性；第四，回馈电网的交流电功率因数稳定，谐波畸变率能够限制在 3%以下；第五，具有功率因数调节、防孤岛、低电压穿越等功能，电网调节性好；第六，谐波含量少，电能质量高.。虽然集中式逆变器已经在市场的调节下占了较大的比例，但是依然存在一些不足之处：（1）每个集中式逆变器只有一台大型汇流箱，如其故障，将会影响整个系统的工作；（2）光伏阵列是由两次汇流形成的，且 MPPT 是在逆变电路实现的.。因此，MPPT 不能实时监控到每一路光伏组件的运行情况，不能保证每一路都工作在最佳状态点.。若由于某些原因（阴影、温度、光伏组件故障等）导致一部分光伏组件最大功率点发生变化，那么整个系统可能会改变工作点，致使发电效率降低，影响发电量；（3）无冗余能力且发电容量大，如果发生故障，损失将较大；（4）MPPT 电压范围窄（一般为 450-820V），线损大，组件配置不灵活.。随着光伏产业的逐渐发展，人们对光伏逆变器的要求越来越高.。大型光伏电站所需求的大容量和高电压促使新的逆变拓扑结构的产生.。除了三相二电平逆变拓扑结构外，三电平、五电平甚至七电平等多电平拓扑结构正在不断地发展.。多电平逆变拓扑结构可以减少电路器件所受的应力，提高其耐压能力，从而能够 5 满足更高电压等级的逆变需求.。此外，产业发展对集中式逆变器的集成度和功率密度也提出了要求.。采用大容量开关元件，集成交直流转换、远程监控、质量优化等于一体，运用新型冷却技术，缩小集中式逆变器的大小，提高逆变器的功率密度，降低建设成本.。电网对电能质量的要求促进了空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）的发展.。SVPWM 是一种新型的 PWM 控制技术，运用冲量等效原理模拟所需要的正弦波，谐波少，控制电路相对简单，成本低.。运用 SVPWM，控制效果以及生产成本有很高的改善，是目前逆变电路控制优化的研究方向.。4.2 组串式逆变器 近年来，组串式逆变器快速发展，市场占比不断提高.。其主要优势有：（1）组串式逆变器 MPPT 的电压范围相较于集中式逆变器更宽，一般为 250-800V，不同环境下发电效率更高；（2）采用模块化设计，每一个光伏组串都具有 MPPT功能，独立工作，不受组串之间的影响，发电量得到提高；（3）在光伏组串发生故障时，能够精确地找出故障组串，减少维修的成本，提高生产效率.。组串式逆变器也有其缺点.。第一，电路设计复杂，功率器件和信号电路在同一块板上，增大了设计难度，可靠性降低；第二，单个组串式逆变器的容量较小，需多个并联才能满足发电需求.。若数量较多，则会产生谐波，且随数量的增加而增强；第三，多个光伏组串并联使一些保护、调节功能很难实现，如零电压穿越等.。针对较多组串式逆变器并联所产生的谐波，可通過发展 Z 源逆变器拓扑以及电网高阻抗抑制研究来实现对谐波的抑制.。为了更好地保护和使用组串式逆变器，实现多机协调控制和远程监控是必不可少的.。多组光伏组串并联，只有协调控制好各光伏组串，才能保证整个光伏逆变系统的稳定和电能质量.。远程监控的发展对组串式逆变器的运行有了更好的保障.。实时地观测每个逆变器的状态，调整其工作状态点，减少人员成本，是其发展的方向.。4.3 组件式逆变器 6 家庭光伏发电的普及与组件式逆变器的发展密不可分.。首先，组件式逆变器能够较好地解决光照差异问题，也就是光斑效应.。这得益于更为分散的 MPPT控制，能够在保证每一个光伏组件的效率最大化，从而整体发电量高.。其次，组件式逆变器的直流电压低，安全性高，产生事故的概率低.。除此之外，组件式逆变器集成度高，安装灵活，并网方式简单，寿命长，适合家用.。但组件式逆变器也有其不足.。第一，效率不高.。最高转换效率仅有 96%左右，对发电量有重要影响.。第二，协调控制复杂.。系统需要控制比组串式逆变器更多的路径，加大了控制难度，影响稳定性.。第三，若发电容量需求较大，则需较多的组件式逆变器来组成.。这样会增加建设成本，初始投资大.。第四，组件式逆变器中所使用的解耦电容为电解电容，降低了逆变器的使用、生产周期.。针对效率不高的问题，设计新的逆变拓扑结构成为研究的方向，非隔离微型光伏逆变器成为研究的重要内容.。开关器件的开关频率与效率一直是一对矛盾.。开关频率高，导致开关损耗大，降低了转化效率.。目前主要的解决办法是软开关技术，更好地发挥微型逆变器的作用.。功率解耦电容可以更换为寿命长、功能强的薄膜电容，延长组件式逆变器的使用寿命.。5 结语 光伏产业的迅速发展与光伏逆变器技术的进步密不可分.。随着光伏发电的平民化与规模化，市场对光伏逆变器的可靠性、稳定性、安全性提出了更高的要求.。因此，光伏逆变器仍然需要科研人员持续地钻研，发展新型技术、拓扑结构，增强光伏逆变器的性能.。