光伏分布式發(fā)電中的逆變系統設計

1 光伏發(fā)電的現狀和發(fā)展

2013 年的國內外市場(chǎng)顯示，中國光伏產(chǎn)業(yè)目前正遭受歐美“雙反”與國內產(chǎn)能?chē)乐剡^(guò)剩的雙重考驗。人們不禁擔心，中國的光伏產(chǎn)業(yè)的春天是否已經(jīng)一去不復返了。實(shí)際上，這僅僅是光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能過(guò)剩，并不能因此看衰整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)。

2013 年光伏需求將會(huì )同比增長(cháng)7%,達31GW.中國將首次超過(guò)德國變成最大光伏市場(chǎng)。而亞洲也將變成需求最旺盛的大陸。中日印三國需求將占到全球需求的36%.2013 年又將成為另外一個(gè)轉型之年，光伏業(yè)將適應后歐洲市場(chǎng)的疲軟。目前，光伏產(chǎn)業(yè)的總體趨勢在走下坡路，而其中電站開(kāi)發(fā)環(huán)節的趨勢是上升的，2013 年必將迎來(lái)光伏發(fā)電電站建設的一個(gè)春天。

當前我國政策鼓勵方向是分布式光伏發(fā)電。分布式光伏發(fā)電是指區別于集中式光伏發(fā)電的建設方法，一般建在用戶(hù)側，所生產(chǎn)電力主要自用。具有容量小、電壓等級低、接近負荷、對電網(wǎng)影響小等特點(diǎn)，可以應用在工業(yè)廠(chǎng)房、公共建筑以及居民屋頂上。分布式光伏發(fā)電充分利用了太陽(yáng)能廣泛存在的特點(diǎn)，并且避免了集中建設的場(chǎng)地限制因素，具有建設靈活的特點(diǎn)。

2 光伏發(fā)電的基本原理

2.1 光伏發(fā)電的類(lèi)別

光伏發(fā)電一般按照與電力系統的關(guān)系分類(lèi)，可以分為獨立光伏發(fā)電和并網(wǎng)光伏發(fā)電。獨立光伏發(fā)電不與電力系統連接在一起，獨立于整個(gè)系統，發(fā)出的直流、交流電直接供給負載。而并網(wǎng)光伏發(fā)電則像發(fā)電站一樣，可以向電網(wǎng)輸送有功、無(wú)功的電能。

2.2 獨立光伏發(fā)電的基本原理

獨立光伏發(fā)電系統由太陽(yáng)能電池陣列、蓄電池、逆變器組件、控制器和負載(直流負載和交流負載)組成。因為太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能為直流，但是由于光照強度實(shí)時(shí)變化，太陽(yáng)能電池輸出的電壓也不穩定，這時(shí)也需要蓄電池來(lái)起到一個(gè)濾波的作用，將太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電壓穩定在蓄電池的電壓值上，在另外一種意義上，用蓄電池也有儲能的作用，可以將過(guò)剩的電能儲存起來(lái)供在光照強度較低的時(shí)候使用。如果是直流負載就可以直接接在蓄電池上工作，如果是交流負載，那么需要經(jīng)過(guò)逆變器的DC-AC 變換，將直流電變成交流電，供給交流負載。

2.3 并網(wǎng)光伏發(fā)電的基本原理

獨立光伏發(fā)電系統由太陽(yáng)能電池陣列、蓄電池、逆變器組件、控制器和負載組成。因為需要將光伏發(fā)出來(lái)的電回饋給電網(wǎng)，這就需要將直流電轉換為電網(wǎng)要求的220V、50HZ 的交流電，并且在相同相位的情況下并網(wǎng)，像電網(wǎng)供電。

無(wú)論是獨立光伏發(fā)電系統還是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統，逆變系統對于交流負載和并網(wǎng)發(fā)電都是必不可少的，接下來(lái)我們主要就光伏分布發(fā)電中的逆變系統的相關(guān)設計進(jìn)行研究。

3 光伏發(fā)電逆變系統設計

3.1 光伏發(fā)電逆變系統的組成

光伏發(fā)電系統主要由太陽(yáng)能電池、主回路、控制電路和負載組成。主回路主要包括DC/DC 電路、DC/AC 電路、濾波器組件。下面主要對于主回路部分的設計做介紹，其中包括主回路的拓撲結構進(jìn)行分析，介紹一下全橋逆變電路的工作原理以及逆變器模塊的選型，以及相關(guān)保護的設計。

3.2 光伏發(fā)電逆變系統的拓撲結構

通常單相電壓型逆變器主要分為推挽式、半橋和全橋逆變電路三種。這三種方式根據其不同的特點(diǎn)應用于不同的場(chǎng)合。

推挽式逆變電路的電路結構比較簡(jiǎn)單，如圖3-1 所示。其上電路只需要兩個(gè)晶閘管，基極驅動(dòng)電路不需要隔離，驅動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，但是晶閘管需要承受2 倍的線(xiàn)路峰值電壓，所以適合于低輸入電壓的場(chǎng)合應用。

同時(shí)變壓器存在偏磁現象，初級繞組有中心抽頭，流過(guò)的電流有效值和銅耗較大，初級繞阻兩部分應緊密藕合，繞制工藝復雜。因為推挽式逆變電路對于晶閘管的耐壓要求比較高，不適合作為光伏發(fā)電的逆變系統主回路。

相比于推挽式逆變電路，單相半橋式逆變電路中所使用的晶閘管的耐壓要求就相對較低，不會(huì )有線(xiàn)電壓峰值2 倍這么多，絕對不會(huì )超過(guò)線(xiàn)電壓峰值。其逆變出來(lái)的波形也相對推挽式比較接近于正弦波，所以濾波的要求也相對較低。由于晶閘管的飽和壓降減小到了最小，所以不是最重要的影響因素之一。但是由于半橋式逆變電路的結構決定其集電極電流在晶閘管導通時(shí)會(huì )增加一倍，使得在晶閘管選型的過(guò)程中，要考慮大電流、承受高壓的情況，就難免會(huì )因為其價(jià)格昂貴，所以不適合作為光伏發(fā)電的逆變系統主回路。

全橋式逆變電路就是介于推挽式和半橋式之間，兼顧其各自?xún)?yōu)點(diǎn)的一種逆變電路。其既有推挽式電路的電流性質(zhì)，也有半橋式電路的電壓性質(zhì)，其結構詳見(jiàn)圖3-3 所示。全橋式電路可以使得晶閘管期間達到最大輸出功率，而且其逆變出來(lái)的波形更加接近于正弦波。所以，這次這次光伏發(fā)電的逆變系統主回路選用了全橋式逆變電路。

其中VT1-VT4 為晶閘管，VD1-VD4 為四個(gè)反向并聯(lián)的二極管。下面詳細介紹一下全橋逆變電路的工作原理。

3.3 全橋逆變電路的工作原理

首先，VT1 和VT4 是一對同時(shí)開(kāi)關(guān)的晶閘管，VT2 和VT3 是另外一對同時(shí)開(kāi)關(guān)的晶閘管，VT1、VT4,VT2、VT3各受兩路控制電壓的控制。首先，VT2、VT3 的控制電壓為負值，那么VT2、VT3 關(guān)斷，處于截止狀態(tài)。VT1、VT4 的的控制電壓為正值，那么VT1、VT4 導通，電流流通路徑如圖3-4 所示。如果忽略晶閘管自身的壓降，那么輸出電壓就等于Uout=EN2/N1.

然后，VT1、VT4 關(guān)斷，四個(gè)功率開(kāi)關(guān)都處于截止狀態(tài)。

第三個(gè)時(shí)刻，VT1、VT4 的控制電壓為負值，那么VT1、VT4 關(guān)斷，處于截止狀態(tài)。VT2、VT3 的的控制電壓為正值，那么VT2、VT3 導通，電流流通路徑如圖3-5 所示。如果忽略晶閘管自身的壓降，那么輸出電壓就等于Uout=-EN2/N1.

最后，VT2、VT3 關(guān)斷，四個(gè)功率開(kāi)關(guān)都處于截止狀態(tài)。

這就是一個(gè)周期內，晶閘管的開(kāi)關(guān)變化情況。按照這種工作方式，則可以獲得交變的電壓。

3.4 逆變器的設計

逆變器組件的設計根據某地的用戶(hù)載荷分析，用戶(hù)的用電載荷平均大概為3.2kW.根據某地全年品均月輻照強度5.4KWh/m?/ 天?？偣残枰碾姵匕宸疥嚬β视嬎愎綖椋?/p>

Wl :負載的消耗功率F :蓄電池放電效率的修正系數(通常取1.05)Tm :峰值日照時(shí)數，其值與輻照強度的值基本相同，這里取3.6h:方陣表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數，通?？扇?.9~0.95:方陣組合損失和對最大功率點(diǎn)偏離以及控制器效率的修正系數，通?？扇?.9~0.95L :蓄電池的維修保養率(通常取0.8)Ka :包括逆變器等交流回路的損失率(通常取0.7,如逆變器效率高可取0.8)本方案選用230W 的單晶硅電池板，則總共需要8 塊，總功率為1.84Kw .

由于當地的用電電壓為22OV,所以選擇輸出電壓為22OV的離網(wǎng)逆變器，經(jīng)過(guò)用戶(hù)用電器統計可知，用戶(hù)的最大功率約為716W, 考慮到用戶(hù)負載中有感性負載，在啟動(dòng)過(guò)程時(shí)有較大的沖擊電流，同時(shí)考慮系統的臨時(shí)增加負載的情況，所以逆變器功率應相對選擇較大的。在逆變系統中要求系統響應快，可靠性高，保護功能強等。本次設計的逆變電路中蓄電池通過(guò)DC/DC 變換最大提供給逆變器400V 的直流電壓，所以單個(gè)晶閘管所承受的最大耐壓也為400V,考慮到電壓波動(dòng)和留一定的余量的關(guān)系，最終將晶閘管的最大耐壓設定在150% 的輸入最大輸入電壓，那就是600V.

逆變器的額定輸出功率為3kW,輸出電流的峰值為18A,隔離變壓器的變壓比為1 :1.考慮到留有一定的余量，每個(gè)晶閘管的耐流值設定在30A.然后我們就可以進(jìn)行選型了。

最后，選擇了PM200CLA060 型號的三菱公司出品的IPM模塊，其耐壓600V,耐流200A,符合我這次設計的光伏發(fā)電逆變系統對于模塊的要求。

3.5 逆變器支流側電容的設計

對于分布式光伏發(fā)電系統，其直流側需要增加電容保證直流側電壓穩定，不出現電壓突變。那么需要設計出符合以下公式要求的電容。

其中P 為太陽(yáng)能電池的輸出功率，按照此項目每塊太陽(yáng)能電池的輸出功率80W±3% 計算，那么40 塊太陽(yáng)能電池組成的陣列，其輸出功率可達3.2KW.

f 為電網(wǎng)的頻率，取50Hz.

K 為波紋系數，取0.1.

U 為直流母線(xiàn)電壓，取400V.

所以，我們只要選用大于1273.89 的電容即可，我選用2200.由于考慮到直流側電壓為400V,那么選擇500V/2200的電解電容。

3.6 交流輸出濾波電路設計

由單相全橋逆變電路逆變出來(lái)的電壓不是標準的正弦波，而是直流斬波電壓。如下圖所示。

為了使得輸出的波形更加接近正弦波，以保證負載和電網(wǎng)獲得高質(zhì)量的電能，濾波電路是影響波形輸出的一個(gè)重要環(huán)節。在濾波電路的設計中最重要的就是電感和電容的設計。

其中，由于逆變器的輸出為220V/3kVA,那么所以Poutmax=3kVA.Uout=220V.

設定逆變器效率為96%.波紋電流系數為17%.

那么而電容的設計如下：

其中K 為諧振頻率/ 基波頻率，設定為12.

f 為基波頻率，就是50Hz.那么所以根據設計數據，濾波電容選擇40,濾波電感選擇2mH.

4 總結

光伏分布式發(fā)電在日常生活中越來(lái)越常見(jiàn)，其中在并網(wǎng)和交流負載的使用過(guò)程中，逆變器的設計至關(guān)重要，本文通過(guò)對于逆變器部分的結構和原理的分析，簡(jiǎn)述了光伏發(fā)電中逆變器設計的總體思路。整個(gè)光伏發(fā)電系統的正常運行還依靠于各個(gè)部分，包括太陽(yáng)能電池、蓄電池、濾波部分、控制部分、并網(wǎng)控制部分的配合。所以在實(shí)際的逆變器設計過(guò)程中，要充分考慮到其他部分的配合和影響。