太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)的最新趨勢(shì)

太陽(yáng)能模塊產(chǎn)生一個(gè)直流電壓，太陽(yáng)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(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)的最新趨勢(shì)。

其中一個(gè)重要趨勢(shì)是采用更高的功率?，F(xiàn)在，峰值發(fā)電量超過(guò)100kW的太陽(yáng)能發(fā)電廠越來(lái)越普遍，而較小規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)也存在這種趨勢(shì)：平均功率從5kWp提高到10kWp。

圖1 常見(jiàn)太陽(yáng)能逆變器拓?fù)洌荷龎海獺-橋

升壓＋H-橋拓?fù)涫翘?yáng)能逆變器極為常用的拓?fù)渲?，是一種兩級(jí)非隔離拓?fù)?。其第一?jí)是升壓級(jí)，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(jí)還有一個(gè)重要作用，就是為了實(shí)現(xiàn)效率最大化，太陽(yáng)能模塊必須運(yùn)作產(chǎn)生盡可能大的功率，而太陽(yáng)能模塊的功率 曲線可通過(guò)輸出電流乘以輸出電壓數(shù)值獲得。功率特性中有一個(gè)最大點(diǎn)，被稱為“最大功率點(diǎn)”或MPP，而這精確位置會(huì)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(jí)便可跟蹤這個(gè)最大功率點(diǎn)。

逆變器的第二級(jí)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(gè)輸出與供電主線的相位及頻率同步。這一級(jí)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(gè)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(yáng)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(xiǎn)。在現(xiàn)有法規(guī)限制之下，是 可以設(shè)計(jì)一個(gè)在停電時(shí)能夠?qū)崟r(shí)關(guān)斷逆變器，以實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。不過(guò)，當(dāng)太陽(yáng)能逆變器變得普及，并在總發(fā)電量中占有可觀的份額時(shí)，如果一遇上停電便直接關(guān)斷連 接的太陽(yáng)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(huì)一個(gè)接一個(gè)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(jià)僅僅是使逆變器的輸出級(jí)稍微復(fù)雜一點(diǎn)。

太陽(yáng)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(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)人員還需付出相當(dāng)?shù)呐?，以盡可能地提高效率。

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(lái)解決。太陽(yáng)能逆變器更常采用的是BCM模式，而盡管對(duì)這類功率級(jí)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(shí)，良好的高頻電感設(shè)計(jì)是一解決方案。

采用兩個(gè)交錯(cuò)式升壓級(jí)來(lái)取代一個(gè)升壓級(jí)乃一種新方法。這樣一來(lái)，流經(jīng)每個(gè)電感和每個(gè)開(kāi)關(guān)的電流便能夠減半。另外，采用交錯(cuò)式技術(shù)，一級(jí)上的紋波電流 可抵償另一級(jí)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(cuò)式BCM PFC一類的控制完全能夠輕松滿足太陽(yáng)能升壓級(jí)的要求。

逆變器中的升壓開(kāi)關(guān)有兩個(gè)選擇：IGBT或 MOSFET。對(duì)于需要600V以上額定開(kāi)關(guān)電壓的輸入級(jí)，常常會(huì)采用1200V IGBT快速開(kāi)關(guān)，如FGL40N120AND。對(duì)于額定電壓只需600V/650V的輸入級(jí)，則選用MOSFET。

輸出H-橋級(jí)的設(shè)計(jì)人員一直以來(lái)都采用600V/650V MOSFET，但因?yàn)樾碌牟莅敢?guī)范要求輸出級(jí)以四象限工作，于是在這一領(lǐng)域重新點(diǎn)燃了人們對(duì)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(kāi)關(guān)性能很差。新型的場(chǎng)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(duì)于16kHz-25kHz開(kāi)關(guān)，建議采用IGBT，例如飛 兆半導(dǎo)體的 FGH60N60UFD。

太陽(yáng)能逆變器的發(fā)展趨勢(shì)：交錯(cuò)式BCM升壓+三電平逆變器

太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)的另一個(gè)趨勢(shì)是擴(kuò)大輸入電壓范圍，這會(huì)導(dǎo)致相同功率級(jí)下輸入電流的減小，或相同輸入電流下功率級(jí)的提高。輸入電壓比較高時(shí)，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(wèn)題的一個(gè)方法是采用三電平逆變器。

采用兩個(gè)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(shí)就可以再采用600V開(kāi)關(guān)了。三電平逆變器可在三個(gè)電平間進(jìn)行轉(zhuǎn)換：+Vbus、0V 和 –Vbus。這方案除了比1200V開(kāi)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(gè)優(yōu)勢(shì)，就是輸出電感大為減小。

對(duì)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(gè)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(jì)為 50Hz開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率下一小段時(shí)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(jí)非隔離逆變器的主流結(jié)構(gòu)。