基于一種新型逆變器優(yōu)化光伏系統詳解

隨著(zhù)對綠色能源不斷增長(cháng)的需求，太陽(yáng)能發(fā)電近年來(lái)的迅猛發(fā)展引起了各方面的廣泛關(guān)注。這樣的高增長(cháng)率預測是基于以下幾個(gè)因素：目前過(guò)剩的生產(chǎn)能力已經(jīng)將光伏系統的平均制造成本削減了百分之二十五；光伏系統的安裝價(jià)格在持續下降;世界范圍內各國與地區的政府補貼。中國太陽(yáng)能資源非常豐富，近期來(lái)國家的補貼扶持政策陸續推出。如其中最具影響的金太陽(yáng)工程――提出對光伏并網(wǎng)項目和無(wú)電地區離網(wǎng)光伏發(fā)電項目分別給予50%及70%的財政補貼。

電路拓撲

要把太陽(yáng)能轉換板輸出的“粗電”(波動(dòng)的直流電壓)變成恒定可靠的正弦波交流市電，實(shí)現方式通常分為兩種構架：?jiǎn)渭壸儞Q和兩級變換，也稱(chēng)為無(wú)直流斬波和有直流斬波式。有些時(shí)候也利于電力半導體器件的選取和系統成本優(yōu)化。所以越來(lái)越多的廠(chǎng)商在開(kāi)發(fā)或評估單級變換的架構，即使這樣會(huì )面臨更復雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓撲結構中，HERIC 和多電平結構吸引了業(yè)界更多的關(guān)注而且有望成為主流的拓撲形式，特別是在和電網(wǎng)相聯(lián)的情況下。

圖 2 ：三電平鉗位二極管拓撲。如圖1所示，HERIC逆變器的結構是在傳統的單相逆變全橋基礎上新增加了一對二極管串聯(lián)開(kāi)關(guān)反并聯(lián)作為輸出。新增電路中的開(kāi)關(guān)器件以工頻周波速度開(kāi)關(guān)，對于器件速度沒(méi)有特殊需求。在應用了適當的相位控制之后，這種電路能夠更加有效地處理無(wú)功功率，從而提高整個(gè)系統的效率。

三電平二極管鉗位逆變器是近來(lái)受到特別關(guān)注的一種新型太陽(yáng)能逆變電路拓撲，它已被成功地使用在高電壓的集中式太陽(yáng)能發(fā)電應用中。圖2所示的三相三電平電路的每個(gè)橋臂由4只帶反并聯(lián)二極管的開(kāi)關(guān)串聯(lián)而成，另外每相有一個(gè)二極管相臂跨接在主開(kāi)關(guān)之間，且其中點(diǎn)和直流母線(xiàn)的中性點(diǎn)直接連通。這個(gè)二極管相臂起電壓鉗位的作用以保證電路工作時(shí)，每個(gè)主開(kāi)關(guān)器件所受最大電壓應力為母線(xiàn)電壓的一半。由于這種特殊的拓撲結構，三電平輸出具有低次諧波小(交流輸出更接近正弦)，電磁噪聲水平低，所需開(kāi)關(guān)器件的電壓耐量低和級數可擴展等優(yōu)點(diǎn)。在太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，尤其適用于三相大功率高電壓的場(chǎng)合。體現在三個(gè)方面：首先，實(shí)踐證明，高壓半導體開(kāi)關(guān)器件的價(jià)格高于相同電流耐量一半電壓耐量的低壓器件的兩倍，從而三電平電路的器件成本更低;其次，輸出電壓的諧波小，所需的濾波器磁性元件尺寸大為減小，從而降低了濾波設備成本;最后，由于開(kāi)管數量的增多，即使在脈寬調制方式下，三電平的部分主開(kāi)關(guān)可以在低頻下開(kāi)關(guān)，就可以采用相對經(jīng)濟的開(kāi)關(guān)器件。

電力電子器件的常用種類(lèi)和選型原則

用于廣義的太陽(yáng)能逆變器的功率半導體器件主要有MOSFE是一種金屬-氧化層-半導體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場(chǎng)效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET，通常又稱(chēng)為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱(chēng)尚包括NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。IGBT，Super Junction MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。與此相對的IGBT則開(kāi)關(guān)速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價(jià)格便宜并適用于大電流的應用場(chǎng)合。超結MOSFET介于兩者之間，是一種性能價(jià)格折中的產(chǎn)品，在實(shí)際設計中被廣為應用。為了幫助設計人員量化的分析效率和器件成本之間的關(guān)系，表一羅列了三種半導體開(kāi)關(guān)器件的功率損耗和價(jià)格因素，為了便于比較，各參數均以MOSFET情況作歸一化處理。

表1 常用開(kāi)關(guān)器件的性能與價(jià)格對照表 (所有數字以MOSFET情況歸一化)單相全橋混合器件模塊與三電平混合器件模塊

圖3所示的混合單相全橋功率模塊是專(zhuān)用于太陽(yáng)能單相逆變的產(chǎn)品。配合以單極型調制方法，每個(gè)橋臂的兩只開(kāi)關(guān)管分別工作在完全相異開(kāi)關(guān)頻率范圍。以圖示為例，上管總是在工頻切換通斷狀態(tài)，而下管總是在脈寬調制頻率下動(dòng)作。根據這種工作特點(diǎn)，上管總是選用相對便宜的門(mén)極溝道型 IGBT以?xún)?yōu)化通態(tài)損耗，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應管)組成的復合全控型電壓驅動(dòng)式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動(dòng)電流較大；MOSFET驅動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。而下管可選擇非穿通型(NPT) IGBT以減少開(kāi)關(guān)損耗。這種拓撲結構不但保障了最高系統轉換效率還降低了整個(gè)逆變設備的成本