光伏发电逆变器结构设计的优化策略

刘泉泉

（中国能源建设集团 湖南火电建设有限公司，湖南 长沙 410015）

0 引 言

随着能耗量的增加，太阳能成为今后能源开发使用的主要研究方向。当前光伏产业快速发展，但高成本是困扰光伏发电的难题，光伏发电由能源收集端光伏阵列模块与控制器组成，逆变器是影响光伏发电并网的关键环节。传统光伏并网发电中将阵列模块串联，为提高光伏发电效率，人们将光伏阵列模块单独安装逆变器，实现效率最大化。单独成套设备为交流模块，可提高发电效率[1]。研究阵列模块设计可从发电结构出发，计算影响发电效率因素，要求功率厂效应管具有较高的开关频率，功率场效应管随电阻增大，特大型光伏发电系统中常用功率元件为晶闸管。研究从使用寿命等方面考虑，对光伏并网逆变器结构优化设计。

1 光伏发电技术发展

光伏发电网始于20世纪80年代初，日本等国政府投资建造1 MW大型光伏并网电站，但发电成本过高。90年代，发达国家兴起太阳能屋顶并网光伏发电系统，德国政府通过的可再生能源法，被视为可再生能源领域的前瞻性立法。

中国光伏并网发电处于发展阶段，国家出台许多相关政策促进光伏发电产业发展。“九五”期间我国开始对光伏并网发电技术攻关，研究大型光伏电站使用控制器，建成10 kW光伏屋顶并网示范站[2]。国家科技部将并网光伏发电技术列为重要研究方向，加强光伏发电系统设计等方面攻关，建成多座并网示范电站。国家科技部通过863项目支持开展并网光伏电站研究，主要以小型系统为主，借鉴发达国家太阳能稳定系统经验，在大中城市公益性建筑使用光伏电源。我国并网光伏电站应用处于试验示范阶段，光伏发电技术研究应用任重道远。

并网逆变器是光伏并网发电系统核心器件，并网逆变器技术研究逐渐增多，主要包括逆变器控制技术研究和拓扑结构研究等。随着电力电子器件的发展，逆变器向不同的方向快速发展。我国并网逆变器关键技术研究起步较晚，清华大学能源国家重点实验室和浙大等系列高校及科研院所开展相关技术研究，但相比发达国家存在一定差距，加快光伏电发电关键技术研究，提高我国光伏发电市场地位非常迫切。

2 光伏发电系统逆变器

光伏发电系统是从太阳能电池板到提供给用户使用设备的设备体系，分为离网型与并网型两种[3]。独立型离网发电系统直接转换电能给负载供电，分布相对分散，主要适用于一些军事基地等，系统可靠性受到实际使用负载情况的影响，有时需增加储能装置。并网发电系统是输出与电网相连，实现能量双向流动，运用于发电容量较大的光伏电站。并网发电系统可以高效运用太阳能电池转换电能，省去价格高的储能装置，减少间接污染。

太阳能光伏发电系统按功率等级分为大中小型，小型光伏发电系统应用广泛，通常用于便携式系统，大部分为独立系统。中型光伏发电系统多用于居民用户户外设备，西部很多地区应用广泛，目前国内多数大型光伏发电系统电站为10～100 kW。此外，超大型系统主要用于光伏并网系统和大功率太阳能光伏发电站，根据不同系统方案选取不同功率等级。典型光伏并网发电系统结构包括太阳能光伏电池阵列、控制器以及本地负载等。大型系统中有适当补充器件，如柴油发电机等。光伏逆变器是光伏发电系统的核心部分，逆变器包含控制系统功能光伏并网逆变器，需要对转换交流电频率、电流以及电能品质等进行控制。逆变器在光伏发电中的原理如图1所示。

图1 逆变器在光伏发电中的原理图

太阳能光伏阵列发出的电为直流电，需要实现太阳能发电并网。发电并网系统由逆变器控制，逆变器将直流电转变为交流电，向电网注入正弦电流。光伏发电主要与日照强度及温度有关，要在最大功率点附近输出功率，主要研究影响光伏逆变器环境功能因数和开路电压短路等因素。根据研究光伏列阵模块，温度25 ℃时产生最大功率约189 W，系统模块需要根据环境温度变化，选择合适的逆变器安装相应位置。我国通用工频电网额度频率为50 Hz，光伏列阵模块耐压需超过开路情况下最大电压，光强度达到1 200 W/m2，最大短路电流达7 A，选择最大电流为8 A的逆变器[4]。此外，提高太阳能光伏发电效率，需要提高发电系统效率。

3 太阳能光伏发电逆变器结构

三相逆变器控制技术是并联控制技术的基础，需要研究电源模块控制技术。稳态性能体现在各电源模块电压幅值稳定度上，动态性体现在输出电压谐波含量及负载突变响应速度上。控制技术决定逆变器并联系统运行性能，常见的控制技术有数字PID控制、无差拍控制以及神经网络控制等。

随着新型技术的发展，光伏发电系统供电可靠性不断提高。单级逆变器转换效率高，输出功率低，对最大功率点跟踪无独立控制操作，无法满足太阳能直流输入多变性要求。通常采用两级转换结构，实现向电网输送交流电源。太阳能光伏逆变器分为隔离型与非隔离型，隔离型常用的为工频隔离型，但存在重量大等缺点。高频隔离采用高频电压器，具有体积小等优点，通常使用隔离拓扑结构，实现最大功率点跟踪。分析代表性光伏发电系统，比较设计系统效率等，光伏并网发电逆变器通常分为高频链与直流链结构。图2为高频链逆变器电流波示意图。

图2 高频链逆变器电流波示意图

高频链结构逆变器调制电流成正弦波后输送至电网高频逆变器，通过逆变器将电流转换为低频后入网[5]。高频链逆变结构要实现电解电容，能量传输中不能缓存，要求处理两倍额定功率以上能量。通常采用直流链型逆变器将直流电转换为交流电，通过交直流逆变器将直流电力转换为正弦交流电。DC-DC变换器采用并联小电容方式，解决能量缓冲问题。

4 光伏并网逆变器控制技术

单项光伏并网逆变器采用全桥式拓扑结构，单相光伏并网逆变电源将直流电变换为正弦波交流电，采用输入电源方式为主的全桥逆变电路。主电路逆变桥左右桥臂加上相位差互为180°的WPWM脉冲，向电网馈入与其同频同向的正弦波电流。

针对不同要求有不同的拓扑结构，多级逆变器变换结构可使用在大功率应用场合，逆变器拓扑结构中包括三相和功率单向流动等形式。如采用双向功率流动拓扑，可在电网电能富足时存储电能[6]。拓扑可以使用于不同场合，随着高速数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）的出现，将数字控制应用于逆变器控制的研究增多，如滑膜控制等。采用模拟控制有平均值电流控制等，将模拟控制与数字控制结合的控制效果理想。调制方式有SPWM等，并网逆变器输出有电压型与电流型，电压型控制系统输出与电网电压同频电压信号，电流型控制以输出电感电流为受控目标，系统是内阻较大的受控电流源。

逆变器输出的是标准正弦脉宽调制信号，电网电压质量高，得到并网电流，电网电压受到扰动，并网逆变器呈现低阻抗特性，降低除数电源质量。输出电流是受控量，并网逆变器呈现高阻抗特性，采用电流型控制减少电网电压扰动的影响，更好地实现并网控制目标。逆变电路交流侧电压与电网电压有相位差，光伏并网逆变系统控制目标是提高电压稳定性，动态性能指输出电压动态响应水平，由于流过电感L电流不能突变，故采用电流瞬时值闭环控制法产生响应SPWM信号，使并网电流波形为正弦波。

母线直流电压稳定性控制是系统稳定的前提，要求直流滤波电容输出电流平衡。由于交流电流内环动态响应速度较快，将交流电流环控制等效为幅值控制，并网逆变系统交流侧有功功率等于光伏阵列输出功率。

5 光伏并网逆变器结构优化

光伏并网逆变器分为电流型与电压型，目前大部分采用电压源输入电压型逆变器。并网逆变器目标是将光伏电池输出直流电转变成交流电，通常大容量逆变器采用三相形式，并网逆变器系统跟电网相连，考虑系统对直流分量对电网污染等问题，要求系统有隔离器隔离。工频隔离主要采用工频交流变压器的方式。

系统设计光伏电池直流侧输入电压范围为450～800 V，采用三相全桥逆变桥结构，通过输出滤波电感L滤除谐波调节电能质量，最终每相输出220 V/50 Hz电能[7]。控制系统采用数字信号处理芯片实现，通过特殊控制保证与电网电压同相位，系统启动需要使用直流侧电容C充电到近电网电压峰值，保证直流侧电压不低于电网电压峰值。并网逆变器将直流电转变为交流电，为实现高质量输出并网电流，针对系统采取单级式拓扑模式，交直流侧可以相互控制，系统通过电压外环控制得出电流环指令控制电压，针对交流控制比直接流量复杂特点，设计相应坐标系统转换控制策略，加入前馈补偿控制环节，简化系统的控制结构。

逆变器结构设计需考虑控制策略、保护电路以及电网性能等，在半桥逆变器基础上提出全桥设想。交直流逆变器对注入电流调制，包括续流二极管和MOSFET管等部分[8]。电网过压10%，直流电压最小为350 V，直流端电容为150 W解耦电容需26 μF，标准电容为400 V解耦电容需33 μF，通常使用450 V电容[9]。

电流逆变器进入电网前，将逆变器输出电压转换为电流，保护逆变器MOSFET管。输出滤波类型有LC型、L型以及LCL型，滤波器滤波电容具有很好电压-电流转换功能。LC型滤波器滤波电容产生很大电流，L型滤波器滤波电容滤除高频率噪声效果差。MOSFET管选择根据损耗等选定，非电阻元器件电阻可忽略。通过数控逆变器输出电压，采用开关角计算PWM控制方法，提高控制效果[10]。逆变器投入电网时，需优先流电阻防止涌入电流损坏电网，MOSAFET管自动切除限流电阻。常见的电路保护方法是直流侧接电阻，将电阻与电容串联。

6 结 论

能源枯竭是人类面临的重大难题，太阳能利用受到广泛关注，光伏发电技术得到深入研究，光伏并网发电在电力领域占据重要地位。本文对光伏并网逆变器拓扑结构等问题进行深入研究，太阳能光伏发电成本高是技术应用的难题，通过研究光伏模块逆变器结构，证明双桥逆变输出可以降低传输损耗，可以提高发电效率。