光伏發(fā)電逆變技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及其解決方案

1 光伏發(fā)電逆變技術(shù)國(guó)內(nèi)、外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)綜述

1.1 綜述

20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，兩次石油危機(jī)、當(dāng)前嚴(yán) 重的環(huán)境污染以及氣候變暖峰會(huì)的強(qiáng)烈呼吁，迫使人們更加努力尋找和開(kāi)發(fā)新能源。對(duì)于污染及耗能大戶 ——電力工業(yè)，也面臨巨大的挑戰(zhàn)。光伏發(fā)電 作為可再生的替代能源發(fā)電，在世界范圍內(nèi)受到高 度重視且發(fā)展迅速。目前，光伏發(fā)電作為常規(guī)能源 的補(bǔ)充，無(wú)論從解決電力耗能問(wèn)題上，還是從環(huán)境 保護(hù)戰(zhàn)略上都具有重大的戰(zhàn)略意義。

在國(guó)內(nèi)，政府先后出臺(tái)《可再生能源法》及其 相關(guān)實(shí)施細(xì) 則等政策來(lái) 扶持光伏等新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 2009 年，隨著 “金太陽(yáng)”工程在全國(guó)各省的動(dòng)工 實(shí)施，國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)將得以長(zhǎng)足發(fā)展。不僅如此，新能源振興規(guī)劃預(yù)測(cè)，2020 年光伏發(fā)電安裝量將要 達(dá)到 2000 萬(wàn) kW，《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》 是中規(guī)定的 10 倍以上。

由此可見(jiàn)，從全世界到國(guó)家，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)都 將得到大力支持，并得以迅速發(fā)展，這必將帶動(dòng)光 伏產(chǎn)業(yè)：原材料生產(chǎn)、太陽(yáng)能電池及組件生產(chǎn)、逆 變器等相關(guān)設(shè)備制造的配套行業(yè)的迅猛發(fā)展。光伏 并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中核心部件，其主 要功能是將太陽(yáng)能電池板發(fā)出的直流電逆變成交流 電，并送入電網(wǎng)。其效率的高低、可靠性的好壞將 直接影響整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能。

1.2 國(guó)外逆變器的研究現(xiàn)狀

國(guó)外低壓并網(wǎng)逆變器已經(jīng)是較為成熟的市場(chǎng)產(chǎn)品 ，在歐洲光伏專用逆變市場(chǎng)中就有SMA，Sputnik 和西門子等眾多的公司具有市場(chǎng)化的產(chǎn)品，高壓并網(wǎng)逆變裝置 SMA、 西門子等公司現(xiàn)已形成市 場(chǎng)產(chǎn)品。

SMA 公司的光伏并網(wǎng)逆變器目前有三大類型： SB 組串逆變器， SMC 小集中型逆變器，以及 2008 年研制成功 1MW SC 并網(wǎng)逆變器。SB 產(chǎn)品系列可以 將幾臺(tái)逆變器光伏組件輸入端并接的 ST 技術(shù)以及低輸入電壓 LV 技術(shù)，可滿足不同的應(yīng)用要求。 SMC 產(chǎn)品系列采用集成直流負(fù)荷斷路開(kāi)關(guān) ESS，較為簡(jiǎn) 單而又安全地?cái)嚅_(kāi)光伏組件與逆變器； 具有三相功率 平衡功能，確保并網(wǎng)時(shí)的三相平衡。SC 并網(wǎng)逆變器 使用的電源系統(tǒng)可靠性高，微處理技術(shù)較為先進(jìn)。

1.3 國(guó)內(nèi)逆變器的研究現(xiàn)狀

我國(guó)光伏發(fā)電的起步較晚，光伏系統(tǒng)的相關(guān)技 術(shù)的研究處于起步階段，技術(shù)水平相對(duì)國(guó)外還有一 定差距。針對(duì)大型光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分兆瓦級(jí) 并網(wǎng)逆變器，北京索英電氣技術(shù)有限公司、安徽合 肥陽(yáng)光電源有限公司等單位在這一方面進(jìn)行了相關(guān) 的研究。

目前，北京索英電氣技術(shù)有限公司主要是 SEE 系列逆變器分為單相和三相太陽(yáng)能并網(wǎng)逆變器。此 系列產(chǎn)品容量范圍從 10－ 100kW，采用日本的智能 功率模塊 IPM 作為主回路功率器件，運(yùn)用該公司并 網(wǎng)控制技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、效率高、性能優(yōu) 良。但是應(yīng)用于大型光伏電站則需要低壓變壓器來(lái) 解決，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，不利于大型光伏發(fā)電降低系統(tǒng)發(fā)電成本。

國(guó)內(nèi)光伏逆變器領(lǐng)域的生產(chǎn)是一個(gè)弱項(xiàng)，光伏 逆變器產(chǎn)業(yè)整體水平較低，中國(guó)最大的光伏系統(tǒng)提 供 商 —— 中 盛 光 電 采 購(gòu) 的 光 伏 逆 變 器 多 采 用 西 門 子、SMA 等外資企業(yè)。這樣導(dǎo)致大型光伏系統(tǒng)的造 價(jià)升高、依賴性強(qiáng)，從而制約了并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)在 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的發(fā)展和推廣。

1.4 逆變技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著光伏發(fā)電的迅速發(fā)展，對(duì)光伏發(fā)電提出了 新的要求，需要大規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電，與電網(wǎng)連接同 步運(yùn)行。并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電的核心，對(duì)其要 求也越來(lái)越高。

首先，要求逆變器輸出的電量和電網(wǎng)電量保持 同步，在相位、頻率上嚴(yán)格一致，逆變器的功率因 數(shù)近于 1 。其次，滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求，逆變 器應(yīng)輸出失真度小的正弦波。第三，具有對(duì)孤島檢 測(cè)的功能，防止孤島效應(yīng)的發(fā)生，避免對(duì)用電設(shè)備 和人身造成傷害。第四，為了保證電網(wǎng)和逆變器安 裝可靠運(yùn)行，兩者之間的有效隔離及接地技術(shù)也非 常重要。

主要技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)如下：

（ 1）結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

過(guò)去逆變器的結(jié)構(gòu)由工頻變壓器結(jié)構(gòu)的光伏逆 變器轉(zhuǎn)化多轉(zhuǎn)換級(jí)帶高頻變壓器的逆變結(jié)構(gòu)，功率 密度大大提高， 但也導(dǎo)致了逆變器的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 可靠性降低?，F(xiàn)階段的光伏并網(wǎng)逆變器普遍采用了 串級(jí)型，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究表明：逆變器采用多串級(jí)逆 變結(jié)構(gòu)，融合了串級(jí)的設(shè)計(jì)靈活、高能量輸出與集 中型低成本的優(yōu)點(diǎn)，是今后光伏并網(wǎng)逆變結(jié)構(gòu)的一 種發(fā)展趨勢(shì)。

（ 2）控制策略發(fā)展趨勢(shì) 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器需要對(duì)電流和功 率進(jìn)行控制，逆變器輸出電流主要采用各種優(yōu)化的 PWM 控制策略。

對(duì)光伏陣列工作點(diǎn)跟蹤控制主要有：恒電壓控制策略和 MPPT 光伏陣列功率點(diǎn)控制策略。

現(xiàn)代控制理論中許多先進(jìn)算法也被應(yīng)用到光伏 逆變系統(tǒng)的控制中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、滑 模變結(jié)構(gòu)、模糊控制等。將來(lái)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的綜合 控制成為其研究發(fā)展的新趨勢(shì)?；谒矔r(shí)無(wú)功理論 的無(wú)功與諧波電流補(bǔ)償控制，使得光伏并網(wǎng)系統(tǒng)既 可以向電網(wǎng)提供有功功率，又可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)無(wú)功和 諧波電流補(bǔ)償。 這對(duì)逆變器跟蹤電網(wǎng)控制的實(shí)時(shí)性、 動(dòng)態(tài)特性要求更高。

逆變器對(duì)于孤島效應(yīng)的控制，孤島效應(yīng)的檢測(cè) 一般分成被動(dòng)式與主動(dòng)式。常常采用主動(dòng)檢測(cè)法如 脈沖電流注入法 、輸出功率變化檢測(cè)法、主動(dòng)頻率 偏移法和滑模頻率偏移法等。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系 統(tǒng)進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用，當(dāng)多個(gè)逆變器同時(shí)并網(wǎng)時(shí)， 不同逆變器輸出的變化非常大。將來(lái)多逆變器的并 網(wǎng)通信、協(xié)同控制已成為其孤島效應(yīng)檢測(cè)與控制發(fā) 展趨勢(shì)。

2 高壓、大容量逆變器的關(guān)鍵技術(shù)

目前，我國(guó)小型、低壓用戶直接并網(wǎng)的光伏逆 變器有了較成熟的產(chǎn)品，對(duì)于高壓大功率并網(wǎng)逆變 器的研究正處于研制階段。本文介紹了一種采用高 電壓、 MW 級(jí)大容量并網(wǎng)的方式，并達(dá)到了高壓并 網(wǎng)要求的技術(shù)。

該逆變器采用九電平變基準(zhǔn)疊加 PWM 與矢量 控制相結(jié)合的控制方法來(lái)控制 IGBT 開(kāi)關(guān)，通過(guò)三 相 IGBT 功率模塊及優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將直流逆 變成完美無(wú)諧波的正弦電壓、電流波形，并采用數(shù) 學(xué)模糊集合基礎(chǔ)上的頻率偏移主動(dòng)式反孤島控制，與電網(wǎng)智能化軟連接并網(wǎng)運(yùn)行。

2.1 技術(shù)原理

2.2 九電平 IGBT 開(kāi)關(guān)拓?fù)潆娐?逆變器采用的拓?fù)潆娐肥亲兓鶞?zhǔn)疊加技術(shù)的九 電平完美無(wú)諧波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，如圖 2 所示。

（1）結(jié)構(gòu)及原理描述
如圖 2 所示，變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的九電平完美無(wú) 諧波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，由三個(gè)單相的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓 撲電路組成， U 相開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐酚?6 個(gè)二極管 D1-D6、D 10 個(gè)絕緣柵雙極三極管 IGBT1-IGBT10、電 阻 R1、 R2 和電容 C1、 C2 構(gòu)成。同理，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓 撲電路的 V 相和 W 相的所有元器件與 U 相的開(kāi)關(guān) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐吠耆嗤?/p>

電路中 IGBT1、 IGBT5、 IGBT4、 IGBT8 用作 PWM 控制， IGBT2 、 IGBT3 、 IGBT6 、 IGBT7 用作電平疊 加， 與其相對(duì)應(yīng)的 D3、D4、D5、D6 均為箝位二極管。

IGBT 開(kāi)關(guān)工作原理是：如圖 2 所示，當(dāng) U 相 的開(kāi)關(guān) IGBT3、 IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相 的 IGBT2、IGBT7、IGBT8 導(dǎo)通時(shí)，在 V 相的 IGBT1 上施加 PWM 信號(hào)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生如圖 3 所示的九電 平信號(hào)。如圖 2 所示，當(dāng) U 相的 IGBT3、IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相的 IGBT2、 IGBT7 導(dǎo)通時(shí)， 在 V 相的 IGBT1 上施加脈沖寬度調(diào)制 PWM） （ 信號(hào) 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生如圖 4 所示的四電平信號(hào)。 根據(jù)上述原理，配合不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以產(chǎn)生出 -4E~4E 九個(gè)電平信號(hào)。在每一個(gè)電平臺(tái)階上， 可根據(jù)不同脈寬的 PWM 信號(hào)，模擬出本段的波形， 從而能夠形成比較完美的正弦波。

（2）與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行比較的優(yōu)勢(shì)
本逆變器采用了上述結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具 有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
1）利用低電壓、小功率的 IGBT 開(kāi)關(guān)的組合實(shí) 現(xiàn)了大功率高電壓逆變器的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐贰?
2）逆變器輸出電壓波形為九電平完美無(wú)諧波， 其 THD 各項(xiàng)指標(biāo)均滿足 IEEE 要求。
3）電路易于控制，用 PWM 控制去完成系統(tǒng)的 無(wú)功功率分布，進(jìn)而達(dá)到使系統(tǒng)功率因數(shù)趨于 1。
4）與傳統(tǒng)的多重化結(jié)構(gòu)比較：若輸出九電平波 形，多重化電路需要 16 個(gè) IGBT 開(kāi)關(guān)。本逆變器拓 撲電路采用疊加技術(shù)，每相只需 10 個(gè) IGBT 開(kāi)關(guān)。

2.3 九電平開(kāi)關(guān)操作及并網(wǎng)運(yùn)行主控制器原理

圖 5 為九電平開(kāi)關(guān)操作及并網(wǎng)運(yùn)行主控制器原 理框圖，其特點(diǎn)為：通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)提高 IGBT 開(kāi)關(guān)的可靠性和易操作性，并實(shí)時(shí)檢測(cè)比較九電平 IGBT 開(kāi)關(guān)輸出端與電網(wǎng)端的電流、電壓、頻率、波 形等相關(guān)信息，完成智能化軟啟動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)行及反孤島運(yùn)行的功能。

該主控制器包括主控制微控制器及輔助電路、 輔助控制微控制器及輔助電路、控制面板微控制器 及輔助電路、IGBT 開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路、雙端口隨機(jī)存取 存儲(chǔ)器和模擬信號(hào)偏置電路。

主控制微控制器與輔助控制微控制器之間采用 雙端口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器連接，完成傳遞 IGBT 開(kāi)關(guān) 檢測(cè)數(shù)據(jù)及軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)， 相互傳遞通訊信息， 完成優(yōu)化控制功能。

IGBT 開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路與主控制微控制器和輔助 控制微控制器連接，使主控制微控制器及輔助控制 微控制器實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)所有 IGBT 開(kāi)關(guān)的切換狀 態(tài)及關(guān)斷狀態(tài)，為主控制微控制器及輔助控制微控 制器提供可靠的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息，使主控制微控制器 及輔助控制微控制器可準(zhǔn)確無(wú)誤的向九電平 IGBT 開(kāi)關(guān)拓?fù)潆娐钒l(fā)出觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)避免了開(kāi)關(guān)切換 時(shí)的狀態(tài)混疊現(xiàn)象，保證 IGBT 開(kāi)關(guān)有序的切換。 模擬信號(hào)偏置電路與主控制微控制器和輔助控 制微控制器連接，為主控制微控制器和輔助控制微 控制器提供被控電網(wǎng)的電壓及電流參數(shù)。

主控制微控制器及輔助電路包括主控制微控制 器芯片，用于接收由 PT、 CT 轉(zhuǎn)化后的信號(hào)而自動(dòng) 檢測(cè)直流系統(tǒng)及電網(wǎng)的參數(shù)并動(dòng)態(tài)的建立其數(shù)學(xué)模 型，計(jì)算直流系統(tǒng)運(yùn)行的所有參數(shù)并輸出相應(yīng)的指 令，控制輸出給電網(wǎng)的電壓為期望的九電平波形， 電流為完美無(wú)諧波的正弦波形，使逆變器與電網(wǎng)系 統(tǒng)功率因數(shù)趨于 1.0。

同時(shí)，主控制微控制器（ MCU）和輔助控制微 控制器（ MCU）還與智能化軟啟動(dòng)連接及反孤島運(yùn) 行控制部分相連，實(shí)時(shí)采集處理軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)兩側(cè)的 電流、電壓、頻率變量完成智能化軟啟動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)行 及主動(dòng)反孤島式運(yùn)行的功能。

2.4 智能化軟起動(dòng)連接及反孤島運(yùn)行控制部分

晶閘管開(kāi)關(guān)對(duì)逆變器輸出側(cè)和電網(wǎng)側(cè)電壓幅 值、大小、相位及頻率實(shí)時(shí)采集，不斷進(jìn)行比較，當(dāng)其達(dá)到允許誤差值范圍時(shí)，由控制器發(fā)出觸發(fā)信 號(hào)，控制相應(yīng)可控硅的門極。因?yàn)殡妷悍?、相?及頻率均為空間矢量，當(dāng)進(jìn)行比較時(shí)需要在三維空 間內(nèi)進(jìn)行，將其轉(zhuǎn)化成模糊集合更趨近于實(shí)際工程 情況，故此處使用數(shù)學(xué)模糊集合的概念對(duì)空間矢量 進(jìn)行替換，完成軟起動(dòng)功能。

本逆變器采用人工智能主動(dòng)式頻率負(fù)偏移方法。通過(guò)軟硬件將電路周期性地檢測(cè)出相鄰兩次電 網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻，計(jì)算出電網(wǎng)電壓的頻率 f，然 后在此頻率 f 的基礎(chǔ)上引入偏移量△ f，最后將頻率 （ f±△ f）作為輸出并網(wǎng)電流的給定頻率，并且在電 網(wǎng)電壓每次過(guò)零時(shí)使輸出并網(wǎng)電流復(fù)位。當(dāng)電網(wǎng)出 現(xiàn)故障時(shí)，光伏陣列經(jīng)逆變器的輸出的電流、電壓 發(fā)生畸變，且出現(xiàn)輸出頻率錯(cuò)位變化。形成了給定 逆變器輸出的電流、電壓、頻率的正反饋，并超過(guò)頻率保護(hù)的上、下限值，從而是逆變器有效的檢測(cè)出系統(tǒng)故障。利用模糊數(shù)學(xué)的方法將已知的數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)和處理，并實(shí)時(shí)與逆變器輸出的電壓、電流、頻率進(jìn)行比較，以達(dá)到與電網(wǎng)的主動(dòng)式反孤島運(yùn)行，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)的智能化軟啟動(dòng)連接，以及逆變器相應(yīng)的IGBT開(kāi)關(guān)的優(yōu)化控制操作運(yùn)行。

3 結(jié)論

本文介紹的逆變器采用變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的九電 平完美無(wú)諧波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，使逆變出的電?波形滿足 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)要求，盡可能的減少諧波污染。 逆變器的主控制器可通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)， 有效避免開(kāi)關(guān)的混疊，提高 IGBT 開(kāi)關(guān)的可靠性和 易操作性。