可再生能源之光伏發(fā)電逆變器拓撲及關(guān)鍵技術(shù)設計詳解

當今能源環(huán)境愈漸惡化，傳統能源逐漸枯竭，使得可再生能源得到了開(kāi)發(fā)和利用，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電借此也得到了迅猛發(fā)展。SiC，JFET，GaN和多電平功率模塊等新器件及創(chuàng )新拓撲的出現，新型多電平技術(shù)代替傳統兩電平及飛跨電容，二極管箝位的多電平拓撲結構，這些已成功應用在光伏逆變器產(chǎn)品中，并帶動(dòng)了光伏逆變器向可靠、高效、低成本、高功率密度等多方面綜合發(fā)展。同時(shí)，新拓撲的應用也帶來(lái)了一些新問(wèn)題、需要不斷探索解決方案。

1光伏發(fā)電逆變拓撲現狀

對于不同的應用場(chǎng)合，光伏發(fā)電逆變器從微型逆變器到單相小功率、三相中功率、大功率，其拓撲表現形式不盡相同，尤其是近幾年，多電平技術(shù)的運用已有所突破，傳統兩電平拓撲為主導的市場(chǎng)在效率、器件應力等方面取得了飛速發(fā)展。對于嚴苛的并網(wǎng)標準要求，在針對漏電流、低電壓穿越及無(wú)功等方面也出現了一些新型拓撲。同時(shí)對于不同區域、國家的特殊標準，也產(chǎn)生了一系列的拓撲變形形式。

1.1 單相小功率逆變拓撲

傳統小功率逆變器主要在家用屋頂上應用，拓撲以圖1a所示的H4單相全橋為主，但因其存在漏電流而受到一定限制。為減小漏電流需改變調制策略，增加一些RC吸收電路或輸出加隔離變壓器進(jìn)行隔離，導致逆變器效率下降，體積、重量增大，成本增加。德國SMA公司采用如圖1b所示的H5結構，從根本上解決了漏電流問(wèn)題。隨后一系列解決漏電流的拓撲相繼出現，國內以格瑞特、昆蘭為代表如圖1c所示的H6拓撲及在此基礎上的演變拓撲，相對H5更能提高效率;例如近兩年STECA公司推出的如圖1d所示的雙Buck拓撲，效率最高達98.8%。SUNGROW在小功率方面針對H6拓撲及STECA的高效拓撲也做了大量研究，并申請了多項專(zhuān)利，其效率也接近世界頂尖STECA水平?？梢?jiàn)，高效抑制漏電流的拓撲架構，滿(mǎn)足低壓電網(wǎng)指令，支持無(wú)功調節是小功率逆變器面臨的技術(shù)難題。

1.2 三相中功率逆變拓撲

業(yè)界三相中功率逆變器主要在商業(yè)屋頂及地面電站上應用，拓撲主要有兩電平、I型和T型三電平，隨著(zhù)SiC，JFET，GaN等新器件及功率器件模塊的出現和應用，現在三相中功率逆變拓撲效率高達99%，但由于新器件成本相對傳統IGBT高出很多，使其產(chǎn)品化應用受到一定限制，為了達到更加高效，多電平拓撲最近幾年在中功率逆變器上得到應用，如圖2所示為以REFU公司為代表的五電平拓撲。對于中功率段的逆變器，抑制中點(diǎn)電位偏移的三電平算法，消除共模電壓?jiǎn)?wèn)題，滿(mǎn)足中壓電網(wǎng)指令，支持低電壓穿越及無(wú)功調節，多臺并聯(lián)時(shí)抑制振蕩的算法等都是需要不斷克服的關(guān)鍵技術(shù)。SUNGROW陸續開(kāi)發(fā)了高效、高可靠性的三相中功率產(chǎn)品，率先通過(guò)了德國中壓電網(wǎng)指令相關(guān)要求的測試。

1.3 大功率逆變拓撲

大功率逆變器應用在大型商業(yè)屋頂及地面電站上，主要以?xún)呻娖酵負錇橹?，近兩年出現I型三電平拓撲。以Powerone公司為代表的四電平，以SMA和REFU為代表的五電平拓撲已陸續出現。為實(shí)現大功率，以愛(ài)默生為代表的中功率并聯(lián)方案提高了功率密度。對于北美處于安全考慮，通常要求逆變器PV電壓不超過(guò)600 V，對此也產(chǎn)生了一系列的改進(jìn)拓撲結構形式，圖3示出REFU針對北美版機器推出的五電平拓撲結構。在這些拓撲的基礎上，逆變交流側并聯(lián)技術(shù)、高電壓穿越技術(shù)、共模電壓?jiǎn)?wèn)題都是業(yè)界大功率逆變器碰到的一系列技術(shù)難題。共模電壓的存在導致一臺逆變器運行會(huì )影響其他不運行的逆變器，尤其會(huì )將BUS電壓沖高直至保護。另外，如何讓所有模塊的壽命均等的群控策略，提高陰影時(shí)的發(fā)電量，群控時(shí)各組串大電流切換時(shí)的滅弧問(wèn)題及三電平逆變器多臺并機的環(huán)流均流控制算法的研究及中點(diǎn)平衡與輸出直流量之間兼顧問(wèn)題和低電壓跌落如何快速檢測到電壓跌落等問(wèn)題，都是逆變器構成大功率電站方案時(shí)需考慮的一些關(guān)鍵技術(shù)。

1.4 微型逆變器及效率優(yōu)化器

微型逆變器的應用需求決定了其不能采用傳統的升降壓型逆變器拓撲結構(如半橋，全橋等拓撲)，其不僅要求能實(shí)現升、降壓變換功能，還需進(jìn)行電氣隔離，一般由DC/DC，DC/AC兩級變換組成。同時(shí)對效率、體積、成本等要求較高。目前以Enphase，Involar等為代表的公司采用Flyback+全橋結構，結構和控制簡(jiǎn)單，可靠性高。以Powerone為代表的公司采用Boost+LLC+全橋結構，以Enecsys為代表的公司采用LLC+Buck+全橋結構。為了減小重量和體積，高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在微型逆變器上得到了普遍應用。高效的拓撲架構，無(wú)電流傳感器的MPPT算法，準確的谷底開(kāi)通方法也是微型逆變器追求其高效率的主要技術(shù)難點(diǎn)。