可再生能源之光伏發(fā)電逆變器拓?fù)浼瓣P(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)詳解

當(dāng)今能源環(huán)境愈漸惡化，傳統(tǒng)能源逐漸枯竭，使得可再生能源得到了開發(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?fù)涞某霈F(xiàn)，新型多電平技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)兩電平及飛跨電容，二極管箝位的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些已成功應(yīng)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?fù)涞膽?yīng)用也帶來了一些新問題、需要不斷探索解決方案。

1光伏發(fā)電逆變拓?fù)洮F(xiàn)狀

對(duì)于不同的應(yīng)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?fù)浔憩F(xiàn)形式不盡相同，尤其是近幾年，多電平技術(shù)的運(yùn)用已有所突破，傳統(tǒng)兩電平拓?fù)錇橹鲗?dǎo)的市場(chǎng)在效率、器件應(yīng)力等方面取得了飛速發(fā)展。對(duì)于嚴(yán)苛的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求，在針對(duì)漏電流、低電壓穿越及無功等方面也出現(xiàn)了一些新型拓?fù)?。同時(shí)對(duì)于不同區(qū)域、國(guó)家的特殊標(biāo)準(zhǔn)，也產(chǎn)生了一系列的拓?fù)渥冃涡问健?/p>

1.1 單相小功率逆變拓?fù)?/strong>

傳統(tǒng)小功率逆變器主要在家用屋頂上應(yīng)用，拓?fù)湟詧D1a所示的H4單相全橋?yàn)橹?，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(diào)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(dǎo)致逆變器效率下降，體積、重量增大，成本增加。德國(guó)SMA公司采用如圖1b所示的H5結(jié)構(gòu)，從根本上解決了漏電流問題。隨后一系列解決漏電流的拓?fù)湎嗬^出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)以格瑞特、昆蘭為代表如圖1c所示的H6拓?fù)浼霸诖嘶A(chǔ)上的演變拓?fù)?，相?duì)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?fù)?，效率最高達(dá)98.8%。SUNGROW在小功率方面針對(duì)H6拓?fù)浼癝TECA的高效拓?fù)湟沧隽舜罅垦芯?，并申?qǐng)了多項(xiàng)專利，其效率也接近世界頂尖STECA水平?？梢?，高效抑制漏電流的拓?fù)浼軜?gòu)，滿足低壓電網(wǎng)指令，支持無功調(diào)節(jié)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?fù)?/strong>

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(yīng)用，拓?fù)渲饕袃呻娖?、I型和T型三電平，隨著SiC，JFET，GaN等新器件及功率器件模塊的出現(xiàn)和應(yīng)用，現(xiàn)在三相中功率逆變拓?fù)湫矢哌_(dá)99%，但由于新器件成本相對(duì)傳統(tǒng)IGBT高出很多，使其產(chǎn)品化應(yīng)用受到一定限制，為了達(dá)到更加高效，多電平拓?fù)渥罱鼛啄暝谥泄β誓孀兤魃系玫綉?yīng)用，如圖2所示為以REFU公司為代表的五電平拓?fù)?。?duì)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)栴}，滿足中壓電網(wǎng)指令，支持低電壓穿越及無功調(diào)節(jié)，多臺(tái)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(xù)開發(fā)了高效、高可靠性的三相中功率產(chǎn)品，率先通過了德國(guó)中壓電網(wǎng)指令相關(guān)要求的測(cè)試。

1.3 大功率逆變拓?fù)?/strong>

大功率逆變器應(yīng)用在大型商業(yè)屋頂及地面電站上，主要以兩電平拓?fù)錇橹?，近兩年出現(xiàn)I型三電平拓?fù)?。以Powerone公司為代表的四電平，以SMA和REFU為代表的五電平拓?fù)湟殃懤m(xù)出現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)大功率，以愛默生為代表的中功率并聯(lián)方案提高了功率密度。對(duì)于北美處于安全考慮，通常要求逆變器PV電壓不超過600 V，對(duì)此也產(chǎn)生了一系列的改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，圖3示出REFU針對(duì)北美版機(jī)器推出的五電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這些拓?fù)涞幕A(chǔ)上，逆變交流側(cè)并聯(lián)技術(shù)、高電壓穿越技術(shù)、共模電壓?jiǎn)栴}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(dǎo)致一臺(tái)逆變器運(yùn)行會(huì)影響其他不運(yùn)行的逆變器，尤其會(huì)將BUS電壓沖高直至保護(hù)。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)的滅弧問題及三電平逆變器多臺(tái)并機(jī)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題和低電壓跌落如何快速檢測(cè)到電壓跌落等問題，都是逆變器構(gòu)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(yīng)用需求決定了其不能采用傳統(tǒng)的升降壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如半橋，全橋等拓?fù)?，其不僅要求能實(shí)現(xiàn)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(jí)變換組成。同時(shí)對(duì)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(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，以Enecsys為代表的公司采用LLC+Buck+全橋結(jié)構(gòu)。為了減小重量和體積，高頻軟開關(guān)技術(shù)在微型逆變器上得到了普遍應(yīng)用。高效的拓?fù)浼軜?gòu)，無電流傳感器的MPPT算法，準(zhǔn)確的谷底開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)。