光伏發(fā)電用的功率調(diào)節(jié)器及其高效率化技術(shù)

1前言

近年來，從地球環(huán)境保護(hù)、化石能源枯竭等觀點(diǎn)看，利用自然能源的太陽能（光伏）發(fā)電正急速的擴(kuò)展。而且，在許多國家實(shí)施了引進(jìn)設(shè)備時(shí)的經(jīng)費(fèi)補(bǔ)貼制度和購電補(bǔ)償制度等政策扶持，隨后不斷推進(jìn)著太陽能發(fā)電的普及。全世界的光伏市場，2008年就已達(dá)5.95GW，預(yù)計(jì)在此基礎(chǔ)上，今后必將穩(wěn)步的提升和擴(kuò)大。

一片單晶硅構(gòu)成的太陽能電池稱為單體(cell)，由多數(shù)太陽能單體組成的構(gòu)件稱為太陽能模塊(Module)，將多個(gè)模塊串、并聯(lián)結(jié)即構(gòu)成太陽電池模塊群。由模塊群構(gòu)成的大型裝置則稱為太陽能電池陣列。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，是由太陽能電池模塊群和逆變器組成的，逆變器的作用是將發(fā)出的直流電變換成交流電，這一電力電子變換器也稱為功率調(diào)節(jié)器(powerconditioner)。

功率調(diào)節(jié)器具有以下功能：

(1)盡可能大的輸出太陽電池的發(fā)電功率[最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制功能]

(2)高效率的將直流電力變換為交流電力（逆變器功能）

(3)將發(fā)出的電力輸送至電力系統(tǒng)（向系統(tǒng)并網(wǎng)功能）

(4)檢測出電力系統(tǒng)的異常后停止發(fā)電（系統(tǒng)聯(lián)結(jié)保護(hù)功能）

本文對功率調(diào)節(jié)器的功能與結(jié)構(gòu)，有關(guān)功率調(diào)節(jié)器的高效率化技術(shù)予以介紹。

2功率調(diào)節(jié)器的功能與結(jié)構(gòu)

如上所述，功率調(diào)節(jié)器具有MPPT功能與轉(zhuǎn)換直流為交流的功能。本節(jié)就有關(guān)實(shí)現(xiàn)這些功能及這一變換器的結(jié)構(gòu)予以說明。

2.1MPPT功能

太陽光照射的能量，當(dāng)溫度改變時(shí)，太陽電池模塊的電壓與電流、電壓與發(fā)電功率的關(guān)系，如圖2所示。由圖可見，對于太陽電池來說，存在輸出最大功率的電壓條件。太陽光照射能量的強(qiáng)弱，即太陽電池的溫度，其特性是變化的。功率調(diào)節(jié)器，就是經(jīng)常不斷對太陽電池在其工作條件下獲得最大功率的電壓值進(jìn)行控制的器件。

2.2功率調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)

功率調(diào)節(jié)器的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。太陽電池的直流功率輸入至斬波電路，在高效的取出太陽電池功率（最大功率點(diǎn)跟蹤）的同時(shí)，應(yīng)在逆變器前先變換成必要的直流電壓；然后將輸入的直流功率變換成交流功率，并控制其輸出的電流達(dá)到所希望的交流電流。逆變器的輸出因是脈沖狀的電壓波形。故由線圈和電容器組成的輸出濾波器再變換成平穩(wěn)的正弦波電壓。輸出濾波器與系統(tǒng)電壓之間必須相互對應(yīng)，接通和切除系統(tǒng)與逆變器的連接，應(yīng)裝配并網(wǎng)（并入系統(tǒng)）的開關(guān)，藉助控制回路對各部分電路進(jìn)行控制。

功率調(diào)節(jié)器的斬波電路，在逆變器中會產(chǎn)生功率損失。構(gòu)成各個(gè)電路的半導(dǎo)體開關(guān)元件、線圈、電容器，配線，由于電流的流通會產(chǎn)生正常的固定損失（導(dǎo)通損失），半導(dǎo)體開關(guān)元件通斷電流時(shí)會產(chǎn)生過渡損失（開關(guān)損失），這些都是損失的重要因素。為了實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)器的高效率化，關(guān)鍵是如何降低導(dǎo)通損失和開關(guān)損失。導(dǎo)通損失減小后，取決于所用電路元件性能的部分則增大；要使開關(guān)損失減小，在降低開關(guān)電壓和減小開關(guān)次數(shù)方面下功夫是有效的。3高效率逆變器(階梯控制型逆變器)

已知，階梯控制型逆變器是作為力求逆變器低損耗化的一種方式。圖4所示為逆變器的結(jié)構(gòu)例子以及輸出電壓的波形。階梯控制型逆變器，是將電壓不同的多個(gè)逆變器串聯(lián)連接，使各個(gè)逆變器的輸出組合一起，獲得模擬的正弦波電壓的一種方式。各個(gè)逆變器的電壓，形成級差為2或者級差為3的等差級數(shù)關(guān)系。階梯控制型逆變器的輸出波形為階梯形狀，并將其各個(gè)電平稱之為階調(diào)電平。例如，級差為2的三位數(shù)(Vo2Vo4Vo)階梯控制型逆變器場合下，能得到兩級15個(gè)階梯，而級差為3的三位數(shù)(Vo3Vo6Vo)場合下，則能得到兩級27個(gè)階梯的輸出。

階梯調(diào)制器逆變器的特點(diǎn)如下：(1)由于開關(guān)頻率能大幅度降低，故為低損耗、低噪音的器件；(2)由于電壓的幅值小，能使輸出濾波器設(shè)計(jì)得更小，能實(shí)現(xiàn)小型化；(3)因以各個(gè)逆變器產(chǎn)生的電壓總和得到輸出電壓，故能產(chǎn)生比輸入電壓更高的交流電壓。

而且，由特點(diǎn)(3)，能將直流母線電壓設(shè)定得比原來方式的更低，還具有逆變器前段的斬波回路損耗降低的效果。

階梯控制型逆變器，由從外部輸入直流電壓的主逆變器，和與其串聯(lián)連接的副逆變器組成。輸入主逆變器的直流電壓，通過DC/DC變換器向副逆變器供給直流電壓；如加上DC/DC變換器的功率變換損失，則不能實(shí)現(xiàn)高效率。對于階梯控制型逆變器，采用了不必追加DC/DC變換器的情況下，向副逆變器供給直流電力的技術(shù)。

輸入主逆變器的直流功率，按表1所列說明，分別送至副逆變器，輸出所需的電壓。表中，列出的是級差為2的三位等差級數(shù)場合。此時(shí)，在單極性下能輸出8個(gè)電平的電壓(0Vo~7Vo)。例如，輸出Vo時(shí)能選擇(0,0,Vo)，(0,2Vo,-Vo)，(4Vo,-2Vo,-Vo)三個(gè)方法。從（4Vo,-2Vo,-Vo）場合可見，主逆變器供給副逆變器