1、太陽(yáng)能逆變器開(kāi)發(fā)思路和方案太陽(yáng)能逆變器內(nèi)容摘要：摘要：針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵部件一一逆變器的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)與限制方法研究進(jìn)行了詳細(xì)分析和闡述.從電網(wǎng)、光伏 陣列以及用戶對(duì)逆變器的要求出發(fā),分析了各種不同的逆變器 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與限制方法,比擬其運(yùn)行效率和限制效果.對(duì)于目前 國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀、亟待解決的問(wèn) 題進(jìn)行了闡述,指出光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器高效可靠運(yùn)行 的開(kāi)展方向.摘要：針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵部件一一逆變器的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)與限制方法研究進(jìn)行了詳細(xì)分析和闡述.從電網(wǎng)、光伏 陣列以及用戶對(duì)逆變器的要求出發(fā),分析了各種不同的逆變器 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與限制方法,比擬其運(yùn)行效率和限制效果

2、.對(duì)于目前 國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀、亟待解決的問(wèn) 題進(jìn)行了闡述,指出光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器高效可靠運(yùn)行 的開(kāi)展方向.關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；逆變器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；最大功率點(diǎn)跟蹤；孤島效應(yīng)O引言由于傳統(tǒng)能源的枯竭和人們對(duì)環(huán)境的重 視,電力系統(tǒng)正面臨著巨大變革,分布式發(fā)電將成為未來(lái)電力 系統(tǒng)的開(kāi)展方向.其中,光伏發(fā)電以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),被公認(rèn)為 技術(shù)含量高、最有開(kāi)展前途的技術(shù)之一.但是光伏發(fā)電系統(tǒng)存 在著初期投資大、本錢較高等缺點(diǎn),因而探索高性能、低造價(jià) 的新型光電轉(zhuǎn)換材料與器件是其主要研究方向之一.另一方 面,進(jìn)一步減少光伏發(fā)電系統(tǒng)自身?yè)p耗、提升運(yùn)行效率,也是 降低其發(fā)電本錢的一個(gè)

3、重要途徑.逆變器效率的上下不僅影響 其自身?yè)p耗,還影響到光電轉(zhuǎn)換器件以及系統(tǒng)其他設(shè)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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行 的關(guān)鍵因素,研究其結(jié)構(gòu)與限制方法對(duì)于提升系統(tǒng)發(fā)電效率、 降低本錢具有極其重要的意義5 o本文從電網(wǎng)、光伏陣列以及用戶對(duì)于并網(wǎng)逆變器的要求出 發(fā),分析了不同的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與限制方法,比擬了其運(yùn)行 效率和限制效果.對(duì)于目前國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器 的研究現(xiàn)狀、亟待解決的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了綜合,進(jìn)一步指出了 光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器高效可靠運(yùn)行的開(kāi)展方向.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的要求光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)的關(guān)鍵部件,它完成限制光伏陣列最大功率點(diǎn)運(yùn)行和 向電網(wǎng)注入正弦電流兩大主要任務(wù).1 . 1電網(wǎng)對(duì)逆變器的要求逆變器要與電網(wǎng)相連,必須滿足 電網(wǎng)電能質(zhì)量、預(yù)防孤島效應(yīng)和平安隔離接地3個(gè)要求.為了預(yù)防光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)公共電網(wǎng)的污染,逆變器應(yīng)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(kāi)關(guān)頻率.在數(shù)控逆變系統(tǒng)中采用高速DS商新型處理器,可明顯提升并網(wǎng)逆變器的開(kāi)關(guān)頻率性能,它已成為實(shí)際系 統(tǒng)廣泛采用的技術(shù)之一；同時(shí),逆變器主功率元件的選擇也至關(guān)重要.小容量低壓系統(tǒng)較多地使用功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET它具有較低的通態(tài)壓 降和較高的開(kāi)關(guān)頻率；但MOsFE

5、TS著電壓升高其通態(tài)電阻增大,因而在高壓大容量系統(tǒng)中一般采用絕緣柵雙極晶體管IGBT;而在特大容量系統(tǒng)中,一般采用可關(guān)斷品閘管GTO作為功率元件6 o依據(jù)IEEE2000-9297和UL17418標(biāo)準(zhǔn),所有并網(wǎng)逆變器必須具有防孤島效應(yīng)的功能.孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)因電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時(shí),光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)并切離電網(wǎng),使光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與 周圍的負(fù)載形成一個(gè)電力公司無(wú)法掌握的自給供電孤島g o防 孤島效應(yīng)的關(guān)鍵是對(duì)電網(wǎng)斷電的檢測(cè).為了保證電網(wǎng)和逆變器平安可靠運(yùn)行,逆變器與電網(wǎng)的有 效隔離及逆變器接地技術(shù)也十分重要.電氣隔離一般采用變壓器.在三相輸出光伏發(fā)電系

6、統(tǒng)中, 其接地方式可參照國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定的非接地(I-T)方式、單個(gè)保護(hù)接地(T-T)方式和變壓器中性線直接接地.而用電設(shè)備的 外殼通過(guò)保護(hù)線(PE)與接地點(diǎn)金屬性連接(T-N).1 . 2光伏陣列對(duì)逆變器的要求由于日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度都 會(huì)影響光伏陣列的功率輸出,因此必須通過(guò)逆變器的調(diào)節(jié)使光 伏陣列輸出電壓趨近于最大功率點(diǎn)輸出電壓,以保證光伏陣列 在最大功率點(diǎn)運(yùn)行而獲得最大能源.常用的最大功率點(diǎn)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(dǎo)法.2 . 3用戶對(duì)逆變器的要求從光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶來(lái)說(shuō),成 本低、效率與可靠性高、使用壽命長(zhǎng)是其對(duì)逆變器的要求.因 此,對(duì)逆變

7、器的要求通常是：具有合理的電路結(jié)構(gòu),嚴(yán)格篩選的元器件；具備輸入直流極性反接、交流輸出短路、過(guò)熱過(guò)載等各種 保護(hù)功能.具有較寬的直流輸入電壓適應(yīng)范圍.由于光伏陣列的端 電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)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(nèi)正常工作,且保證交流輸出電壓的穩(wěn)定.盡量減少中間環(huán)節(jié)如蓄電池等的使用,以節(jié)約本錢、 提升效率.3 逆變器結(jié)構(gòu)的開(kāi)展為了能夠設(shè)計(jì)出盡量滿足上述各項(xiàng)要 求的并網(wǎng)逆變器,大多數(shù)研究人員一直集中于逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 和限制方法2方面的研究.它采用單級(jí)無(wú)變壓器、電壓型全橋逆變結(jié)構(gòu).其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、魯棒性強(qiáng)；但受限于當(dāng)時(shí)開(kāi)關(guān)器件水平,使系統(tǒng)的輸出功率因數(shù)只有0. 60

8、. 7,且輸出電流諧波大引.隨著電子開(kāi)關(guān)器件的發(fā) 展,高頻頻率16kHz雙極晶體管,MOSFET IGBT等逐漸取 代了并網(wǎng)換相品閘管.由于采用 PW曲橋逆變電路和高頻開(kāi)關(guān) 電子器件,能夠很好地限制輸出諧波；但16kHz20kHz開(kāi)關(guān)頻率使得開(kāi)關(guān)損耗增大,效率降低.單級(jí)逆變系統(tǒng)直接將直流轉(zhuǎn)換為交流,它的主要缺點(diǎn)是：需要較高的直流輸入,使得本錢提升,可靠性降低；對(duì)于最大功率點(diǎn)的跟蹤沒(méi)有獨(dú)立的限制操作,使得系統(tǒng)整體輸出功率降低；結(jié)構(gòu)不夠靈活,無(wú)法擴(kuò)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(shí),考慮采用交流變壓器升 壓,以得到標(biāo)準(zhǔn)交流電壓與頻率,同時(shí)可使得輸入輸出之間電氣隔離.為帶

9、工頻變壓器結(jié)構(gòu)的光伏逆變系統(tǒng).其最大優(yōu)點(diǎn)是逆變 器在低壓側(cè),因此逆變橋可以采用高頻低壓器件MOSFET節(jié)省了初期投資；而且逆變器的限制在低壓側(cè)實(shí)現(xiàn),使得限制更易實(shí)現(xiàn).此 結(jié)構(gòu)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(jià)格也很昂貴,隨著電 力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)展,采用高頻升壓變換能 實(shí)現(xiàn)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(jīng)過(guò)高 頻變壓器變成高頻交流電,又經(jīng)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(shí)現(xiàn)逆變.多轉(zhuǎn)換級(jí)帶高頻變壓器的逆變結(jié)構(gòu)相比帶工頻變壓器的逆 變結(jié)構(gòu),功率密度大大

10、提升,逆變器空載損耗也相應(yīng)降低,從 而效率得到提升,但也導(dǎo)致了逆變器的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可靠性 降低.光伏逆變器由單級(jí)到多級(jí)的開(kāi)展,使電能轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)增加, 能夠便于滿足最大功率點(diǎn)跟蹤和直流電壓輸入范圍的要求；但是單級(jí)逆變器結(jié)構(gòu)緊湊,元器件少,損耗更低,逆變器 轉(zhuǎn)換效率更高,更易限制.因此,在結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的前提下,盡可能提升直流輸入電壓,就能提升逆變器的轉(zhuǎn)換效率.早期采用了集中式技術(shù)提升 輸入電壓,如圖4(a)所示.將光伏模塊串/并聯(lián)連接,產(chǎn)生直 流高電壓和電流,以增加轉(zhuǎn)換效率.該結(jié)構(gòu)方式不夠靈活,會(huì) 產(chǎn)生許多電能質(zhì)量問(wèn)題.現(xiàn)階段的光伏并網(wǎng)逆變器大多采用串 級(jí)型,其結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示.把光伏模塊串聯(lián)

11、輸入,同時(shí)盡量 采用模塊化設(shè)計(jì),減少中間環(huán)節(jié),導(dǎo)致如圖4(c)所示結(jié)構(gòu).該設(shè)計(jì)更靈活,適應(yīng)性更強(qiáng),可即插即用.圖 4(d)所示為多串級(jí) 逆變器結(jié)構(gòu),它融合了串級(jí)的設(shè)計(jì)靈活、高能量輸出與集中型 低本錢的優(yōu)點(diǎn),是今后光伏并網(wǎng)逆變結(jié)構(gòu)的一種開(kāi)展趨勢(shì).最近,一些新型的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和連接概念被提出來(lái), 如主從連接概念、隊(duì)連接概念等.其研究不再僅僅局限于單個(gè) 逆變器效率的提升,而是多個(gè)逆變器連接的效率即整個(gè)系統(tǒng)效 率的提升.3 逆變器的限制策略光伏逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行必須滿足： 其輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相同幅值,輸出電流與電網(wǎng)電壓 同頻同相(功率因數(shù)為1),而且其輸出還應(yīng)滿足電網(wǎng)的電能質(zhì) 量要求.這些都

12、依賴于逆變器的有效限制策略.光伏并網(wǎng)逆變 器的限制一般分為2個(gè)環(huán)節(jié)：第1個(gè)環(huán)節(jié)得到系統(tǒng)功率點(diǎn),即 光伏陣列工作點(diǎn)；第2個(gè)環(huán)節(jié)完成光伏逆變系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的跟蹤.同時(shí),為保證光伏逆變器平安有效地直接工作于并網(wǎng)狀態(tài),系統(tǒng)必須具備一定的保護(hù)功能和防孤島效應(yīng)的檢測(cè)與限制 功能.3 .1光伏陣列工作點(diǎn)跟蹤限制光伏陣列工作點(diǎn)的限制主要 有恒電壓限制CVT和MPP定2種方式.CVT是通過(guò)將光伏陣列端電壓穩(wěn)定于某個(gè)值的方法,確定 系統(tǒng)功率點(diǎn).其優(yōu)點(diǎn)是限制簡(jiǎn)單,系統(tǒng)穩(wěn)定性好.但當(dāng)溫度變 化較大時(shí),CVTT式下的光伏陣列工作點(diǎn)將偏離最大功率點(diǎn) 口.MPPT是當(dāng)前較廣泛采用的光伏陣列功率點(diǎn)限制策略.它通 過(guò)實(shí)時(shí)改變系統(tǒng)的

13、工作狀態(tài),跟蹤陣列的最大工作點(diǎn),從而實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率輸出 門.它是一種自主尋優(yōu)方式,動(dòng)態(tài)性能 較好,但穩(wěn)定性不如 CVT其常用方法有“上山法、干擾觀 察法、電導(dǎo)增量法等,具體實(shí)現(xiàn)見(jiàn)文獻(xiàn).現(xiàn)在對(duì)MPPT勺研究集中在簡(jiǎn)單、高穩(wěn)定性的限制算法實(shí)現(xiàn) 上,如最優(yōu)梯度法門、模糊邏輯限制法等、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)限制對(duì)電網(wǎng)的跟蹤限制是整個(gè)逆變系 統(tǒng)限制的核心,直接關(guān)系到系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量和運(yùn)行效率.由于光伏并網(wǎng)逆變器是基于 PW陋變實(shí)現(xiàn)的,所以其限制 屬于逆變器PWMI流限制方式口弓I.較早出現(xiàn)的PWME線性限制方法有瞬時(shí)比擬方式和三角波比擬方

14、式口弓I.所示的瞬時(shí)比擬方式,電流誤差的補(bǔ)償和PWMF號(hào)的產(chǎn)生同時(shí)在同一限制單元完成,并且構(gòu)成了閉環(huán)反應(yīng),使得限制器 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和內(nèi)在的電流保護(hù)功能.但是 它具有限制延時(shí)、開(kāi)關(guān)頻率不固定、無(wú)法產(chǎn)生零電壓矢量等不 足,因此輸出電流波動(dòng)、諧波畸變率都很大.為預(yù)防器件開(kāi)關(guān) 頻率過(guò)高,可采用滯環(huán)寬度根據(jù)輸出電流而自動(dòng)調(diào)節(jié)的滯環(huán)比 較器；或采用定時(shí)限制的瞬時(shí)值比擬方式,但此方法的補(bǔ)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(shí)值比擬方式相比,該方法的優(yōu)點(diǎn)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(kāi)關(guān)頻 率固定等于三角波

15、的頻率；但該方法硬件較為復(fù)雜,跟隨誤差較大,放大器的增益有 限,電流響應(yīng)比瞬時(shí)值比擬方式的慢.目前更好的閉環(huán)電流限制方法是基于載波周期的一些限制 方法,例如無(wú)差拍PW瞰術(shù).它是將目標(biāo)誤差在下一個(gè)限制周 期內(nèi)消除,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差效果.此方法計(jì)算量較大,但其開(kāi) 關(guān)頻率固定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,適宜于光伏并阿的數(shù)字限制實(shí)現(xiàn) 引.隨著微處理器技術(shù),尤其是數(shù)字信號(hào)處理器的開(kāi)展,現(xiàn)代 限制理論中許多先進(jìn)算法也被應(yīng)用到光伏逆變系統(tǒng)的限制中, 如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、滑模變結(jié)構(gòu)、模糊限制等,它們?cè)?各自領(lǐng)域解決了某些限制問(wèn)題,但同樣具有各種相應(yīng)的局限 性.例如：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)限制的精度依賴于模型練習(xí)樣本；自適應(yīng)限制要求

16、在線辨識(shí)對(duì)象模型,算法復(fù)雜、計(jì)算量大；滑模變結(jié)構(gòu)限制存在系統(tǒng)抖振問(wèn)題；模糊限制依賴于隸屬函數(shù)的選取,限制精度有待提升等.三相并網(wǎng)系統(tǒng)中,較多地采用將交流變量轉(zhuǎn)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(biāo)系下基于空間矢量 PWM(SVPWM戰(zhàn)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(huán),具有固 定的開(kāi)關(guān)頻率,很好地輸出諧波頻譜,優(yōu)化了開(kāi)關(guān)限制方案和 直流電壓利用率.但它輸出的電流質(zhì)量一般,并且不具備內(nèi)在 的過(guò)電流保護(hù)水平.近幾年,光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的綜合限制成為其研究開(kāi)展的新趨 勢(shì).文獻(xiàn)33-研究了基于瞬時(shí)無(wú)功理論的無(wú)功與諧波電流補(bǔ)償 限制,使得光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

17、既可以向電網(wǎng)提供有功功率,又可實(shí) 現(xiàn)電網(wǎng)無(wú)功和諧波電流補(bǔ)償.這對(duì)逆變器跟蹤電網(wǎng)限制的實(shí)時(shí) 性、動(dòng)態(tài)特性要求更高.研究適合于這類逆變器的限制方法對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的提升具有重大意義.3 . 3逆變器對(duì)于孤島效應(yīng)的檢測(cè)及限制逆變器直接并網(wǎng) 時(shí),除了應(yīng)具有根本的保護(hù)功能外,還應(yīng)具備防孤島效應(yīng)的特 殊功能.從用電平安與電能質(zhì)量考慮,孤島效應(yīng)是不允許出現(xiàn) 的；孤島發(fā)生時(shí)必須快速、準(zhǔn)確地切除并網(wǎng)逆變器,由此引出 了對(duì)于孤島效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)限制的研究.孤島效應(yīng)的檢測(cè)一般分成被動(dòng)式與主動(dòng)式.被動(dòng)式檢測(cè)是 利用電網(wǎng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)如電壓、頻率、相位等作為判斷電網(wǎng)是否 故障的依據(jù)9.如果電網(wǎng)中負(fù)載正好與逆變器輸出匹配,被動(dòng) 法將

18、無(wú)法檢測(cè)到孤島的發(fā)生.主動(dòng)檢測(cè)法那么是通過(guò)電力逆變器 定時(shí)產(chǎn)生干擾信號(hào),以觀察電網(wǎng)是否受到影響作為判斷依據(jù) 9,如脈沖電流注入法、輸出功率變化檢測(cè)法、主動(dòng)頻率偏移 法和滑模頻率偏移法.等.它們?cè)趯?shí)際并網(wǎng)逆變器中都有所應(yīng)用,但也存在著各自的 缺乏.當(dāng)電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時(shí),頻率偏移法 無(wú)法檢測(cè)到孤島效應(yīng),即存在“檢測(cè)盲區(qū).輸出功率變化檢測(cè) 法雖不存在“檢測(cè)盲區(qū),然而光伏并網(wǎng)系統(tǒng)受到光照強(qiáng)度等 影響,其光伏輸出功率隨時(shí)在波動(dòng),對(duì)逆變器參加有功功率擾 動(dòng),將會(huì)降低光伏陣列和逆變系統(tǒng)的效率.為了解決這個(gè)問(wèn)題,光伏并網(wǎng)的有功和無(wú)功綜合限制方法經(jīng)常被提出來(lái).隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用,當(dāng)多個(gè)逆變器 同時(shí)并網(wǎng)時(shí),不同逆變器輸出的變化非常大,從而導(dǎo)致上述方 法可能失效.因此,研究多逆變器的并網(wǎng)通信、協(xié)同限制已成 為其