太陽能逆變器設(shè)計的最新趨勢
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由于能源成本日益攀升，太陽能發(fā)電正逐漸成為一項可行的替代能源。德國政府通過立法，推出各種激勵手段積極鼓勵可再生能源的使用(如《再生能源法》 “Energieeinspeisungsgesetz”)，受此驅(qū)使，至2007年，該國一直是全球最大的太陽能市場。而現(xiàn)在，其它國家已超過德國，例如西班牙在2008年的新建太陽能發(fā)電廠數(shù)量居全球之冠，而意大利、法國和美國的已安裝太陽能發(fā)電容量預(yù)計將呈大幅增長。多種激勵措施推動需求走高，繼而刺激產(chǎn)能增長。但由于最近全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的爆發(fā)和2008年西班牙對太陽能市場的激勵措施突然撤銷，致使太陽能芯片供大于求，導(dǎo)致價格下跌40%-50%。 這使得光伏技術(shù)更接近所謂的“平價電價”(grid parity)目標(biāo)，亦即太陽能發(fā)電成本與目前電能市價相當(dāng)。預(yù)計在2015年，德國將可實(shí)現(xiàn)均一電價。
太陽能模塊產(chǎn)生一個直流電壓，太陽能逆變器再把這一直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，然后接入電網(wǎng)。本文將探討太陽能逆變器設(shè)計的最新趨勢。
其中一個重要趨勢是采用更高的功率?，F(xiàn)在，峰值發(fā)電量超過100kW的太陽能發(fā)電廠越來越普遍，而較小規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)也存在這種趨勢：平均功率從5kWp提高到10kWp。
圖1 常見太陽能逆變器拓?fù)洌荷龎海獺-橋
升壓＋H-橋拓?fù)涫翘柲苣孀兤鳂O為常用的拓?fù)渲唬且环N兩級非隔離拓?fù)洹Ｆ涞谝患壥巧龎杭?，用于把模塊的可變輸出電壓(例如100V – 500V)升高到更大的中間電壓，后者必須大于實(shí)際峰值主線電壓(如230V x sqrt(2)，或>325V)。該升壓級還有一個重要作用，就是為了實(shí)現(xiàn)效率最大化，太陽能模塊必須運(yùn)作產(chǎn)生盡可能大的功率，而太陽能模塊的功率 曲線可通過輸出電流乘以輸出電壓數(shù)值獲得。功率特性中有一個最大點(diǎn)，被稱為“最大功率點(diǎn)”或MPP，而這精確位置會隨著模塊的類型、溫度和日照陰影等因素 而變化。
利用名為“最大功率點(diǎn)跟蹤”或MPPT的軟件技術(shù)，輔以定制化算法，逆變器的輸入級便可跟蹤這個最大功率點(diǎn)。
逆變器的第二級把恒定的中間電壓轉(zhuǎn)換為50Hz的交流電壓，再饋入供電主線。這個輸出與供電主線的相位及頻率同步。這一級由于與供電主線連接，故即便在故障狀態(tài)下也必須達(dá)到一定的安全標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，還有一個與低壓指令 (Low Voltage Directive) 相關(guān)的VDE 0126-1-1新草案，該提案要求太陽能逆變器在電能質(zhì)量下降的情況下也應(yīng)有源支持主供電網(wǎng)，以盡量降低更具普遍性的停電風(fēng)險。在現(xiàn)有法規(guī)限制之下，是 可以設(shè)計一個在停電時能夠?qū)崟r關(guān)斷逆變器，以實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。不過，當(dāng)太陽能逆變器變得普及，并在總發(fā)電量中占有可觀的份額時，如果一遇上停電便直接關(guān)斷連 接的太陽能逆變器的話，是可能造成更大規(guī)模的主電網(wǎng)停電的，因?yàn)檫@樣逆變器便會一個接一個關(guān)斷，并迅速減少電網(wǎng)中的電能。因此，新的指令草案旨在提高主干 配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，而代價僅僅是使逆變器的輸出級稍微復(fù)雜一點(diǎn)。
太陽能逆變器必須可靠，以盡量減小維護(hù)和停機(jī)檢修的成本。這些逆變器還必須具有高效，以盡量增大發(fā)電量。太陽能逆變器設(shè)計人員還需付出相當(dāng)?shù)呐Γ员M可能地提高效率。
有很多方法能夠提高升壓逆變器的效率。由于升壓逆變器可在連續(xù)傳導(dǎo)模式或邊界傳導(dǎo)模式(CCM 或 BCM)下工作，這就衍生出不同的優(yōu)化方案。在CCM模式中，損耗的一大主因是升壓二極管的反向恢復(fù)電流；在這種情況下，一般使用碳化硅二極管或飛兆半導(dǎo)體的Stealth 二極管來解決。太陽能逆變器更常采用的是BCM模式，而盡管對這類功率級通常建議選擇CCM模式，但采用BCM模式的原因在于BCM模式中二極管的正向電 壓要低得多。而且，BCM模式也具有高得多的EMI濾波器和升壓電感紋波電流。這時，良好的高頻電感設(shè)計是一解決方案。
采用兩個交錯式升壓級來取代一個升壓級乃一種新方法。這樣一來，流經(jīng)每個電感和每個開關(guān)的電流便能夠減半。另外，采用交錯式技術(shù)，一級上的紋波電流 可抵償另一級的紋波電流，因而可在很寬工作輸入范圍上去除輸入紋波電流。如FAN9612交錯式BCM PFC一類的控制完全能夠輕松滿足太陽能升壓級的要求。
逆變器中的升壓開關(guān)有兩個選擇：IGBT或 MOSFET。對于需要600V以上額定開關(guān)電壓的輸入級，常常會采用1200V IGBT快速開關(guān)，如FGL40N120AND。對于額定電壓只需600V/650V的輸入級，則選用MOSFET。
輸出H-橋級的設(shè)計人員一直以來都采用600V/650V MOSFET，但因?yàn)樾碌牟莅敢?guī)范要求輸出級以四象限工作，于是在這一領(lǐng)域重新點(diǎn)燃了人們對IGBT的興趣。MOSFET雖然內(nèi)置有體二極管，但相比 IGBT中采用的組合封裝二極管，其開關(guān)性能很差。新型的場截止IGBT能夠以10V/ns的速度轉(zhuǎn)換電壓，較之以往的舊式產(chǎn)品導(dǎo)通損耗大大改善。這種集成式二極管具有出色的軟恢復(fù)性能，有助于降低500A/us以上的高di/dt造成的EMI。對于16kHz-25kHz開關(guān)，建議采用IGBT，例如飛 兆半導(dǎo)體的 FGH60N60UFD。
太陽能逆變器的發(fā)展趨勢：交錯式BCM升壓+三電平逆變器
太陽能逆變器設(shè)計的另一個趨勢是擴(kuò)大輸入電壓范圍，這會導(dǎo)致相同功率級下輸入電流的減小，或相同輸入電流下功率級的提高。輸入電壓比較高時，需要使用額定電壓更高(1200V范圍內(nèi))的IGBT，從而產(chǎn)生更大的損耗。解決這一問題的一個方法是采用三電平逆變器。
采用兩個串聯(lián)的電解電容可把高輸入電壓一分為二，將中間點(diǎn)與零線 (neutral line)連接，這時就可以再采用600V開關(guān)了。三電平逆變器可在三個電平間進(jìn)行轉(zhuǎn)換：+Vbus、0V 和 –Vbus。這方案除了比1200V開關(guān)構(gòu)建的解決方案更有效之外，三電平逆變器還有一個優(yōu)勢，就是輸出電感大為減小。
對于整功率因數(shù)，三電平逆變器的功能可解釋如下。在正半波Q5始終導(dǎo)通期間，Q6 和 Q4一直關(guān)斷。Q3 和 D3構(gòu)成一個降壓轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生輸出正弦波電壓。如果只需要整功率因數(shù)，Q5 和 Q6 可設(shè)計為 50Hz開關(guān)，采用速度極慢Vce (飽和電壓)極低的IGBT，比如FGH30N60LSD。若需要較低的功率因數(shù)，Q5 和 Q6必須工作在開關(guān)頻率下一小段時間。Q3 和 Q4的二極管應(yīng)該是快速軟恢復(fù)二極管。Q3 和 Q4可安排為快速恢復(fù)MOSFET，比如FGL100N50F ，或者是快速 IGBT，如FGH60N60SFD。
基于上述分析，三電平逆變器拓?fù)淇色@得98%以上的效率，因此可能成為5kWp以上功率級非隔離逆變器的主流結(jié)構(gòu)。
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