光伏逆變器拓撲結構及設計思路

　　1 引言

　　對于傳統電力電子裝置的設計，我們通常是通過(guò)每千瓦多少錢(qián)來(lái)衡量其性?xún)r(jià)比的。但是對于光伏逆變器的設計而言，對最大功率的追求僅僅是處于第二位的，歐洲效率的最大化才是最重要的。因為對于光伏逆變器而言，不僅最大輸出功率的增加可以轉化為經(jīng)濟效益，歐洲效率的提高同樣可以，而且更加明顯[1]。歐洲效率的定義不同于我們通常所說(shuō)的平均效率或者最高效率。它充分考慮了太陽(yáng)光強度的變化，更加準確地描述了光伏逆變器的性能。歐洲效率是由不同負載情況下的效率按照不同比重累加得到的，其中半載的效率占其最大組成部分(見(jiàn)圖1)。

　　圖1 歐洲效率計算比重

　　因此為了提高光伏逆變器的歐洲效率，僅僅降低額定負載時(shí)的損耗是不夠的，必須同時(shí)提高不同負載情況下的效率。歐洲效率是一個(gè)新的參數，主要是針對光伏逆變器提出來(lái)的。由于太陽(yáng)光在不同時(shí)間，強度是不一樣的，所以光伏逆變器其實(shí)并不會(huì )一直工作在額定功率下，更多的是工作在輕負載的時(shí)候。所以衡量光伏逆變器的效率，不能完全以額定功率下的效率來(lái)衡量。所以歐洲人就想出來(lái)了一個(gè)新的參數–歐洲效率來(lái)衡量。歐洲效率的計算方法如表1。

　　歐洲效率的改善所帶來(lái)的經(jīng)濟效益也很容易通過(guò)計算得到。例如以一個(gè)額定功率3kw的光伏逆變器為例，根據現在市場(chǎng)上的成本估算，光伏發(fā)電每千瓦安裝成本大約需要4000歐元[2]，那也就意味著(zhù)光伏逆變器每提高歐效1%就可以節省120歐元(光伏發(fā)電現在的成本大概在每千瓦4000歐元，或者說(shuō)每瓦4歐元，包括太陽(yáng)能電池和光伏逆變器，對于一個(gè)3kw的發(fā)電裝置，如果逆變器效率提高了1%，也就是說(shuō)多發(fā)了30w，那么成本就可以節省4×30=120歐元)。提高光伏逆變器的歐洲效率帶來(lái)的經(jīng)濟效益是顯而易見(jiàn)的，“不惜成本”追求更高的歐效也成為現在光伏逆變器發(fā)展的趨勢。

　　2 功率器件的選型

　　在通用逆變器的設計中，綜合考慮性?xún)r(jià)比因素，igbt是最多被使用的器件。因為igbt導通壓降的非線(xiàn)性特性使得igbt的導通壓降并不會(huì )隨著(zhù)電流的增加而顯著(zhù)增加。從而保證了逆變器在最大負載情況下，仍然可以保持較低的損耗和較高的效率。但是對于光伏逆變器而言，igbt的這個(gè)特性反而成為了缺點(diǎn)。因為歐洲效率主要和逆變器不同輕載情況下效率的有關(guān)。在輕載時(shí)，igbt的導通壓降并不會(huì )顯著(zhù)下降，這反而降低了逆變器的歐洲效率。相反，mosfet的導通壓降是線(xiàn)性的，在輕載情況下具有更低的導通壓降，而且考慮到它非常卓越的動(dòng)態(tài)特性和高頻工作能力，mosfet成為了光伏逆變器的首選。另外考慮到提高歐效后的巨大經(jīng)濟回報，最新的比較昂貴的器件，如sic二極管，也正在越來(lái)越多的被應用在光伏逆變器的設計中，sic肖特基二極管可以顯著(zhù)降低開(kāi)關(guān)管的導通損耗，降低電磁干擾。

　　3 光伏逆變器的設計目標

　　對于無(wú)變壓器式光伏逆變器，它的主要設計目標為：

　　(1) 對太陽(yáng)能電池輸入電壓進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，從而得到最大的輸入功率;

　　(2) 追求光伏逆變器最大歐效;

　　(3) 低的電磁干擾。

　　為了得到最大輸入功率，電路必須具備根據不同太陽(yáng)光條件自動(dòng)調節輸入電壓的功能，最大功率點(diǎn)一般在開(kāi)環(huán)電壓的70%左右，當然這和具體使用的光伏電池的特性也有關(guān)。典型的電路是通過(guò)一個(gè)boost電路來(lái)實(shí)現。然后再通過(guò)逆變器把直流電逆變?yōu)榭刹⒕W(wǎng)的正弦交流電。

　　4 單相無(wú)變壓器式光伏逆變器拓撲介紹

　　拓撲結構的選擇和光伏逆變器額定輸出功率有關(guān)。對于4kw以下的光伏逆變器，通常選用直流母線(xiàn)不超過(guò)500v，單相輸出的拓撲結構。

　　這個(gè)功能(見(jiàn)圖2)可以通過(guò)以下的原理圖實(shí)現(見(jiàn)圖3)。

　　圖2 單相無(wú)變壓器式光伏逆變器功能圖

　　圖3 單相無(wú)變壓器式光伏逆變器原理圖

　　boost電路通過(guò)對輸入電壓的調整實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤。h橋逆變器把直流電逆變?yōu)檎医涣麟娮⑷腚娋W(wǎng)。上半橋的igbt作為極性控制器，工作在50hz，從而降低總損耗和逆變器的輸出電磁干擾。下半橋的igbt或者mosfet進(jìn)行pwm高頻切換，為了盡量減小boost電感和輸出濾波器的大小，切換頻率要求盡量高一些，如16khz。

　　4.1 單相無(wú)變壓器式光伏逆變器的優(yōu)點(diǎn)

　　我們推薦使用功率模塊來(lái)設計光伏逆變器，因為把圖3拓撲結構上的所有器件集成到一個(gè)模塊里面可以提供以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1) 安裝簡(jiǎn)單，可靠;

　　(2) 研發(fā)設計周期短，可以更快地把產(chǎn)品推向市場(chǎng);

　　(3) 更好的電氣性能。

　　4.2 對于模塊設計，必需要達到的指標

　　而對于模塊的設計，我們必須保證：

　　(1) 直流母線(xiàn)環(huán)路低電感設計

　　為了實(shí)現這個(gè)目標，我們必須同時(shí)降低模塊內部和外部的寄生電感。為了降低模塊內部的寄生電感，必須優(yōu)化模塊內部的綁定線(xiàn)，管腳布置以及內部走線(xiàn)。為了降低模塊外部寄生電感，我們必須保證在滿(mǎn)足安全間距的前提下，boost電路和逆變橋電路的直流母線(xiàn)正負兩端盡量靠近。

　　(2) 給快速開(kāi)關(guān)管配置專(zhuān)有的驅動(dòng)管腳

　　開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，綁定線(xiàn)的寄生電感會(huì )造成驅動(dòng)電壓的降低。從而導致開(kāi)關(guān)損耗的增加，甚至開(kāi)關(guān)波形的震蕩。在模塊內部，通過(guò)給每個(gè)開(kāi)關(guān)管配置專(zhuān)有的驅動(dòng)管腳(直接從芯片上引出)，這樣就可以保證在驅動(dòng)環(huán)路中不會(huì )有大電流流過(guò)，從而保證驅動(dòng)回路的穩定可靠。這種解決方案目前只有功率模塊可以實(shí)現，單管igbt還做不到。

　　圖4顯示了vincotech公司最新推出的光伏逆變器專(zhuān)用模塊flowsol-bi(p896-e01)，它集成了上面所說(shuō)的優(yōu)點(diǎn)。

　　圖4 flowsol-bi boost電路和全橋逆變電路

　　4.3 技術(shù)參數

　　(1) boost電路由mosfet(600v/45mω)和sic二極管組成;

　　(2) 旁路二極管主要是當輸入超過(guò)額定負載時(shí)，旁路boost電路，從而改善逆變器整體效率;

　　(3) h橋電路上半橋由75a/600v igbt和sic二極管組成，下半橋由mosfet(600v/45mω)組成;

　　(4) 集成了溫度檢測電阻。

　　5 單相無(wú)變壓器光伏逆變器專(zhuān)用模塊flowsol0-bi的效率計算

　　這里我們主要考慮功率半導體的損耗，其他的無(wú)源器件，如boost電感，輸出濾波電感的損耗不計算在內。

　　基于這個(gè)電路的相關(guān)參數，仿真結果如下：

　　條件

　　●pin=2kw;

　　●fpwm = 16khz;

　　●vpv-nominal = 300v;

　　●vdc = 400v。

　　根據圖5、6的仿真結果可以看到，模塊的效率幾乎不隨負載的降低而下降。模塊總的歐洲效率(boost+inverter)可以達到98.8%。即使加上無(wú)源器件的損耗，總的光伏逆變器的效率仍然可以達到98%。圖6虛線(xiàn)顯示了使用常規功率器件，逆變器的效率變化?？梢悦黠@看到，在低負載時(shí)，逆變器效率下降很快。

　　圖5 boost電路效率仿真結果 ee=99.6%

　　圖6 flowsol-bi逆變電路效率仿真結果-ee=99.2%標準igbt全橋-ee=97.2% (虛線(xiàn))

　　6 三相無(wú)變壓器光伏逆變器拓撲結構介紹

　　大功率光伏逆變器需要使用更多的光伏電池組和三相逆變輸出(見(jiàn)圖7)，最大直流母線(xiàn)電壓會(huì )達到1000v。

　　圖7 三相無(wú)變壓器式光伏逆變器功能圖