基于一種新型逆變器優(yōu)化光伏系統(tǒng)詳解

隨著對(duì)綠色能源不斷增長(zhǎng)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(zhǎng)率預(yù)測(cè)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(tǒng)的平均制造成本削減了百分之二十五；光伏系統(tǒng)的安裝價(jià)格在持續(xù)下降;世界范圍內(nèi)各國(guó)與地區(qū)的政府補(bǔ)貼。中國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，近期來(lái)國(guó)家的補(bǔ)貼扶持政策陸續(xù)推出。如其中最具影響的金太陽(yáng)工程――提出對(duì)光伏并網(wǎng)項(xiàng)目和無(wú)電地區(qū)離網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目分別給予50%及70%的財(cái)政補(bǔ)貼。

電路拓?fù)?/strong>

要把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)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(xiàn)方式通常分為兩種構(gòu)架：?jiǎn)渭?jí)變換和兩級(jí)變換，也稱為無(wú)直流斬波和有直流斬波式。有些時(shí)候也利于電力半導(dǎo)體器件的選取和系統(tǒng)成本優(yōu)化。所以越來(lái)越多的廠商在開發(fā)或評(píng)估單級(jí)變換的架構(gòu)，即使這樣會(huì)面臨更復(fù)雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，HERIC 和多電平結(jié)構(gòu)吸引了業(yè)界更多的關(guān)注而且有望成為主流的拓?fù)湫问剑貏e是在和電網(wǎng)相聯(lián)的情況下。

圖 2 ：三電平鉗位二極管拓?fù)洹?span style="text-align: justify; text-indent: 2em; line-height: 1.5; ">如圖1所示，HERIC逆變器的結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的單相逆變?nèi)珮蚧A(chǔ)上新增加了一對(duì)二極管串聯(lián)開關(guān)反并聯(lián)作為輸出。新增電路中的開關(guān)器件以工頻周波速度開關(guān)，對(duì)于器件速度沒(méi)有特殊需求。在應(yīng)用了適當(dāng)?shù)南辔豢刂浦螅@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(tǒng)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?fù)?，它已被成功地使用在高電壓的集中式太?yáng)能發(fā)電應(yīng)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關(guān)之間，且其中點(diǎn)和直流母線的中性點(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)主開關(guān)器件所受最大電壓應(yīng)力為母線電壓的一半。由于這種特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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，所需開關(guān)器件的電壓耐量低和級(jí)數(shù)可擴(kuò)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(xiàn)在三個(gè)方面：首先，實(shí)踐證明，高壓半導(dǎo)體開關(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(shè)備成本;最后，由于開管數(shù)量的增多，即使在脈寬調(diào)制方式下，三電平的部分主開關(guān)可以在低頻下開關(guān)，就可以采用相對(duì)經(jīng)濟(jì)的開關(guān)器件。

電力電子器件的常用種類和選型原則

用于廣義的太陽(yáng)能逆變器的功率半導(dǎo)體器件主要有MOSFE是一種金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(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(shù)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，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱尚包括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(duì)的IGBT則開關(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(yīng)用場(chǎng)合。超結(jié)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(shè)計(jì)中被廣為應(yīng)用。為了幫助設(shè)計(jì)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(dǎo)體開關(guān)器件的功率損耗和價(jià)格因素，為了便于比較，各參數(shù)均以MOSFET情況作歸一化處理。

表1 常用開關(guān)器件的性能與價(jià)格對(duì)照表 (所有數(shù)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用于太陽(yáng)能單相逆變的產(chǎn)品。配合以單極型調(diào)制方法，每個(gè)橋臂的兩只開關(guān)管分別工作在完全相異開關(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(diào)制頻率下動(dòng)作。根據(jù)這種工作特點(diǎn)，上管總是選用相對(duì)便宜的門極溝道型 IGBT以優(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(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)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(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(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以減少開關(guān)損耗。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不但保障了最高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率還降低了整個(gè)逆變?cè)O(shè)備的成本