光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的研究與應用

　　1 引言

　　逆變技術作為光伏并網(wǎng)發(fā)電的關鍵技術，它將太陽能電池的直流電能變換成與電網(wǎng)同頻率、同相位的交流電能饋入電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器作為太陽能電池與電網(wǎng)的接口裝置，在新能源的開發(fā)和利用中起著至關重要的作用，光伏產(chǎn)業(yè)也將在21世紀得到推廣。現(xiàn)代逆變技術為光伏逆變提供了強有力的理論支持，半導體器件技術、現(xiàn)代控制技術、現(xiàn)代電力電子技術、脈寬調制技術為并網(wǎng)逆變的研究提供了技術支持。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器大多采用工作在spwm狀態(tài)的全橋式逆變方案。如何提高逆變器的性能，提高開關頻率，提高逆變器的功率密度，同時滿足電能質量要求成為近年研究的熱點，逆變器正朝著高功率密度、高變換效率、高可靠性、智能化的方向發(fā)展。

　　本文從介紹并網(wǎng)逆變器類型著手，對并網(wǎng)逆變器的工作原理、主電路拓撲結構進行了詳細的闡述，并對光伏陣列輸出的最大功率跟蹤mppt及并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島效應做了簡單的介紹。最后展望了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器朝著高性能、高效率、智能化的方向發(fā)展的趨勢。

　　2 逆變器類型

　　根據(jù)采用隔離變壓器的類型，并網(wǎng)逆變可分為低頻環(huán)節(jié)、高頻環(huán)節(jié)以及非隔離型并網(wǎng)逆變。低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器采用工頻變壓器作為與電網(wǎng)的接口，因此存在體積和重量大、音頻噪音大的缺點;而非隔離型并網(wǎng)在一些國家禁止使用，因此現(xiàn)在普遍采用直接掛在電網(wǎng)上運行的高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器。

　　并網(wǎng)逆變器按輸入控制方式可以分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器。以電流源為輸入的逆變器，其直流側需要串聯(lián)一個大電感來提供比較穩(wěn)定的直流電流輸入，但串入大電感往往會導致系統(tǒng)的動態(tài)響應差，因此當前世界范圍內大部分并網(wǎng)逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式。

　　并網(wǎng)逆變器按輸出控制模式可以分為電壓型控制模式和電流型控制模式。電壓型控制模式的原理是以輸出電壓作為控制量，系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的電壓信號，整個系統(tǒng)相當于一個內阻很小的受控電壓源;電流型控制模式的原理則是以輸出電感電流作為控制目標，系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的電流信號，整個系統(tǒng)相當于一個內阻較大的受控電流源。在電壓型控制模式中，逆變器輸出的是標準正弦脈寬調制信號，因此并網(wǎng)電流的質量完全取決于電網(wǎng)電壓的質量，只有當電網(wǎng)電壓質量很高時，才能得到高質量的并網(wǎng)電流。如果電網(wǎng)電壓受到干擾或出現(xiàn)不平衡時，由于并網(wǎng)逆變器對電網(wǎng)呈低阻抗特性，所以并網(wǎng)電流相應的也會受到干擾。而在電流型控制模式中，輸出電流是受控量，它的質量受電網(wǎng)電壓的影響較小，這是因為對電網(wǎng)來說并網(wǎng)逆變器呈高阻抗特性。所以采用電流型并網(wǎng)模式可以減小電網(wǎng)電壓的擾動對并網(wǎng)電流的影響，從而改善并網(wǎng)電流的質量。

　　若按逆變器主電路的結構來分，三相電壓型逆變器主要分為組合式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。

　　組合式逆變器的電路結構如圖1所示，它由完全相同的三個單相逆變器星形聯(lián)結構成，能同時實現(xiàn)單相和三相四線制供電。該電路結構不但具有極強的帶不平衡負載的能力，而且還可以實現(xiàn)獨立控制，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。但是這種電路結構的不足之處是所需元器件數(shù)多、成本高。

　　三相半橋式逆變器由三個單相半橋式逆變器組合而成，如圖2所示。該逆變器的特點：

　　(1)若串聯(lián)的兩個電解電容足夠大，則可以保證中點的電位不偏移，具有很強的帶不平衡負載的能力，但是也大大的增加了系統(tǒng)的體積和重量;

　　(2)輸入直流電壓利用率較低。相同的輸出電壓，三相半橋逆變器所需的直流輸入電壓是三相全橋逆變電路的倍。

　　三相全橋式逆變器具有電路拓撲簡單、易于控制、功率開關器件電壓應力低等優(yōu)點，還可以采用諧振緩沖技術來實現(xiàn)功率開關器件的軟開關，不足之處是帶不平衡負載的能力較弱，如圖3所示。大功率的并網(wǎng)逆變器為了避免直流側電壓產(chǎn)生較大的脈動基本上都使用三相逆變結構。

　　3 光伏并網(wǎng)逆變器工作原理

　　逆變器由igbt等功率開關器件構成，控制電路使開關元件有一定規(guī)律的連續(xù)開通或關斷，使輸出電壓極性正負交替，將直流輸入轉換為交流輸出。光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器一般采用各種優(yōu)化的pwm(脈沖寬度調制)策略來實現(xiàn)，對給定的電流波形進行跟蹤，將矩形波的交流電轉換為正弦波交流電，功率的控制則是通過對太陽能電池最大功率點的跟蹤實現(xiàn)。本文所研究的光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置選擇三相全橋式逆變電路，如圖4所示，由于太陽能電池一般是電壓源，因此逆變器的主電路采用電壓型，在與外電網(wǎng)相聯(lián)時，為電壓型電流控制方式。三相全橋逆變器將光伏陣列的直流電壓變?yōu)楦哳l三項斬波電壓，濾波環(huán)節(jié)采用lcl濾波器，lcl濾波器相比傳統(tǒng)的單l濾波器有以下優(yōu)點：lcl在高頻段的衰減性能更好，以-60db/dec的速度衰減;其次lcl是三階濾波器，所以對于同樣的諧波標準和較低的開關頻率，可以使用較小的電感，在大功率場合可以相對的減小系統(tǒng)的體積和成本;最后對于同樣的性能指標要求，可以通過加大支路電容的方法進一步減小電感值。通過濾波器濾波變成正弦波電流后，再經(jīng)過工頻隔離變壓器隔離升壓后產(chǎn)生6kv(10kv)/50hz的工頻交流電，送入電網(wǎng)。逆變環(huán)節(jié)的核心是通過電力電子開關的導通與關斷，來完成逆變的功能，它需要控制回路來完成，通常采取電壓外環(huán)，電流內環(huán)的雙環(huán)控制模式，控制信號經(jīng)過單片機或數(shù)字信號處理芯片來完成對主電路的控制。逆變器并網(wǎng)運行的主要控制目標是逆變器輸出正弦波電流與電網(wǎng)電壓在頻率、相位上同步，并且能實時跟蹤電網(wǎng)參數(shù)的變化，且電流的總畸變失真要低，以減小對電網(wǎng)的諧波影響，使并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出達到最大，功率因數(shù)接近于1。由于電壓控制不能使系統(tǒng)同時保證響應速度和穩(wěn)定性的要求，所以其控制通常采取電流控制方式。