太陽能光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)思路【圖文】

　1 引言

　　對于傳統(tǒng)電力電子裝置的設(shè)計(jì)，我們通常是通過每千瓦多少錢來衡量其性價比的。但是對于光伏逆變器的設(shè)計(jì)而言，對最大功率的追求僅僅是處于第二位的，歐洲效率的最大化才是最重要的。因?yàn)閷τ?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/光伏逆變器">光伏逆變器而言，不僅最大輸出功率的增加可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，歐洲效率的提高同樣可以，而且更加明顯[1]。歐洲效率的定義不同于我們通常所說的平均效率或者最高效率。它充分考慮了太陽光強(qiáng)度的變化，更加準(zhǔn)確地描述了光伏逆變器的性能。歐洲效率是由不同負(fù)載情況下的效率按照不同比重累加得到的，其中半載的效率占其最大組成部分(見圖1)。

　　圖1 歐洲效率計(jì)算比重

　　因此為了提高光伏逆變器的歐洲效率，僅僅降低額定負(fù)載時的損耗是不夠的，必須同時提高不同負(fù)載情況下的效率。歐洲效率是一個新的參數(shù)，主要是針對光伏逆變器提出來的。由于太陽光在不同時間，強(qiáng)度是不一樣的，所以光伏逆變器其實(shí)并不會一直工作在額定功率下，更多的是工作在輕負(fù)載的時候。所以衡量光伏逆變器的效率，不能完全以額定功率下的效率來衡量。所以歐洲人就想出來了一個新的參數(shù)–歐洲效率來衡量。歐洲效率的計(jì)算方法如表1。

　　歐洲效率的改善所帶來的經(jīng)濟(jì)效益也很容易通過計(jì)算得到。例如以一個額定功率3kw的光伏逆變器為例，根據(jù)現(xiàn)在市場上的成本估算，光伏發(fā)電每千瓦安裝成本大約需要4000歐元[2]，那也就意味著光伏逆變器每提高歐效1%就可以節(jié)省120歐元(光伏發(fā)電現(xiàn)在的成本大概在每千瓦4000歐元，或者說每瓦4歐元，包括太陽能電池和光伏逆變器，對于一個3kw的發(fā)電裝置，如果逆變器效率提高了1%，也就是說多發(fā)了30w，那么成本就可以節(jié)省4×30=120歐元)。提高光伏逆變器的歐洲效率帶來的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的，“不惜成本”追求更高的歐效也成為現(xiàn)在光伏逆變器發(fā)展的趨勢。

2 功率器件的選型

　　在通用逆變器的設(shè)計(jì)中，綜合考慮性價比因素，igbt是最多被使用的器件。因?yàn)閕gbt導(dǎo)通壓降的非線性特性使得igbt的導(dǎo)通壓降并不會隨著電流的增加而顯著增加。從而保證了逆變器在最大負(fù)載情況下，仍然可以保持較低的損耗和較高的效率。但是對于光伏逆變器而言，igbt的這個特性反而成為了缺點(diǎn)。因?yàn)闅W洲效率主要和逆變器不同輕載情況下效率的有關(guān)。在輕載時，igbt的導(dǎo)通壓降并不會顯著下降，這反而降低了逆變器的歐洲效率。相反，mosfet的導(dǎo)通壓降是線性的，在輕載情況下具有更低的導(dǎo)通壓降，而且考慮到它非常卓越的動態(tài)特性和高頻工作能力，mosfet成為了光伏逆變器的首選。另外考慮到提高歐效后的巨大經(jīng)濟(jì)回報，最新的比較昂貴的器件，如sic二極管，也正在越來越多的被應(yīng)用在光伏逆變器的設(shè)計(jì)中，sic肖特基二極管可以顯著降低開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，降低電磁干擾。

　　3 光伏逆變器的設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　對于無變壓器式光伏逆變器，它的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

　　(1) 對太陽能電池輸入電壓進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，從而得到最大的輸入功率;

　　(2) 追求光伏逆變器最大歐效;

　　(3) 低的電磁干擾。

　　為了得到最大輸入功率，電路必須具備根據(jù)不同太陽光條件自動調(diào)節(jié)輸入電壓的功能，最大功率點(diǎn)一般在開環(huán)電壓的70%左右，當(dāng)然這和具體使用的光伏電池的特性也有關(guān)。典型的電路是通過一個boost電路來實(shí)現(xiàn)。然后再通過逆變器把直流電逆變?yōu)榭刹⒕W(wǎng)的正弦交流電。

　　4 單相無變壓器式光伏逆變器拓?fù)浣榻B

　　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇和光伏逆變器額定輸出功率有關(guān)。對于4kw以下的光伏逆變器，通常選用直流母線不超過500v，單相輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　這個功能(見圖2)可以通過以下的原理圖實(shí)現(xiàn)(見圖3)。

　　圖2 單相無變壓器式光伏逆變器功能圖

　　圖3 單相無變壓器式光伏逆變器原理圖

　　boost電路通過對輸入電壓的調(diào)整實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。h橋逆變器把直流電逆變?yōu)檎医涣麟娮⑷腚娋W(wǎng)。上半橋的igbt作為極性控制器，工作在50hz，從而降低總損耗和逆變器的輸出電磁干擾。下半橋的igbt或者mosfet進(jìn)行pwm高頻切換，為了盡量減小boost電感和輸出濾波器的大小，切換頻率要求盡量高一些，如16khz。

4.1 單相無變壓器式光伏逆變器的優(yōu)點(diǎn)

　　我們推薦使用功率模塊來設(shè)計(jì)光伏逆變器，因?yàn)榘褕D3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的所有器件集成到一個模塊里面可以提供以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1) 安裝簡單，可靠;

　　(2) 研發(fā)設(shè)計(jì)周期短，可以更快地把產(chǎn)品推向市場;

　　(3) 更好的電氣性能。

　　4.2 對于模塊設(shè)計(jì)，必需要達(dá)到的指標(biāo)

　　而對于模塊的設(shè)計(jì)，我們必須保證：

　　(1) 直流母線環(huán)路低電感設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，我們必須同時降低模塊內(nèi)部和外部的寄生電感。為了降低模塊內(nèi)部的寄生電感，必須優(yōu)化模塊內(nèi)部的綁定線，管腳布置以及內(nèi)部走線。為了降低模塊外部寄生電感，我們必須保證在滿足安全間距的前提下，boost電路和逆變橋電路的直流母線正負(fù)兩端盡量靠近。

　　(2) 給快速開關(guān)管配置專有的驅(qū)動管腳

　　開關(guān)管在開關(guān)過程中，綁定線的寄生電感會造成驅(qū)動電壓的降低。從而導(dǎo)致開關(guān)損耗的增加，甚至開關(guān)波形的震蕩。在模塊內(nèi)部，通過給每個開關(guān)管配置專有的驅(qū)動管腳(直接從芯片上引出)，這樣就可以保證在驅(qū)動環(huán)路中不會有大電流流過，從而保證驅(qū)動回路的穩(wěn)定可靠。這種解決方案目前只有功率模塊可以實(shí)現(xiàn)，單管igbt還做不到。

　　圖4顯示了vincotech公司最新推出的光伏逆變器專用模塊flowsol-bi(p896-e01)，它集成了上面所說的優(yōu)點(diǎn)。

　　圖4 flowsol-bi boost電路和全橋逆變電路

4.3 技術(shù)參數(shù)

　　(1) boost電路由mosfet(600v/45mω)和sic二極管組成;

　　(2) 旁路二極管主要是當(dāng)輸入超過額定負(fù)載時，旁路boost電路，從而改善逆變器整體效率;

　　(3) h橋電路上半橋由75a/600v igbt和sic二極管組成，下半橋由mosfet(600v/45mω)組成;

　　(4) 集成了溫度檢測電阻。

　5 單相無變壓器光伏逆變器專用模塊flowsol0-bi的效率計(jì)算

　　這里我們主要考慮功率半導(dǎo)體的損耗，其他的無源器件，如boost電感，輸出濾波電感的損耗不計(jì)算在內(nèi)。

　　基于這個電路的相關(guān)參數(shù)，仿真結(jié)果如下：

　　條件

　　●pin=2kw;

　　●fpwm = 16khz;

　　●vpv-nominal = 300v;

　　●vdc = 400v。

　　根據(jù)圖5、6的仿真結(jié)果可以看到，模塊的效率幾乎不隨負(fù)載的降低而下降。模塊總的歐洲效率(boost+inverter)可以達(dá)到98.8%。即使加上無源器件的損耗，總的光伏逆變器的效率仍然可以達(dá)到98%。圖6虛線顯示了使用常規(guī)功率器件，逆變器的效率變化?？梢悦黠@看到，在低負(fù)載時，逆變器效率下降很快。

　　圖5 boost電路效率仿真結(jié)果 ee=99.6%

　　圖6 flowsol-bi逆變電路效率仿真結(jié)果-ee=99.2%標(biāo)準(zhǔn)igbt全橋-ee=97.2% (虛線)

6 三相無變壓器光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹

　　大功率光伏逆變器需要使用更多的光伏電池組和三相逆變輸出(見圖7)，最大直流母線電壓會達(dá)到1000v。

　　圖7 三相無變壓器式光伏逆變器功能圖

　　這里標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用是使用三相全橋電路?？紤]到直流母線電壓會達(dá)到1000v，那開關(guān)器件就必須使用1200v的。而我們知道，1200v功率器件的開關(guān)速度會比600v器件慢很多，這就會增加損耗，影響效率。對于這種應(yīng)用，一個比較好的替代方案是使用中心點(diǎn)箝位(npc=neutral point clamped)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖8)。這樣就可以使用600v的器件取代1200v的器件。

　　圖8 三相無變壓器npc光伏逆變器原理圖

　　為了盡量降低回路中的寄生電感，最好是把對稱的雙boost電路和npc逆變橋各自集成在一個模塊里。

　　(1) 雙boost模塊技術(shù)參數(shù)(見圖9)

　　圖9 flowsol-npb—對稱雙boost電路

　　●雙boost電路都是由mosfet(600v/45 mω)和sic二極管組成;

　　●旁路二極管主要是當(dāng)輸入超過額定負(fù)載時，旁路boost電路，從而改善逆變器整體效率;

　　●模塊內(nèi)部集成溫度檢測電阻。

(2) npc逆變橋模塊的技術(shù)參數(shù)(見圖10)

　　圖10 flowsol-npi -npc逆變橋

　　●中間換向環(huán)節(jié)由75a/600v的igbt和快恢復(fù)二極管組成;

　　●上下高頻切換環(huán)節(jié)由mosfet(600v/45 mω)組成;

　　●中心點(diǎn)箝位二極管由sic二極管組成;

　　●模塊內(nèi)部集成溫度檢測電阻。

　　對于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，關(guān)于模塊的設(shè)計(jì)要求基本類似于前文提到的單相逆變模塊，唯一需要額外注意的是，無論是雙boost電路還是npc逆變橋，都必須保證dc+，dc-和中心點(diǎn)之間的低電感設(shè)計(jì)。

　　有了這兩個模塊，就很容易設(shè)計(jì)更高功率輸出光伏逆變器。例如使用兩個雙boost電路并聯(lián)和三相npc逆變橋就可以得到一個高效率的10kw的光伏逆變器。而且這兩個模塊的管腳設(shè)計(jì)充分考慮了并聯(lián)的需求，并聯(lián)使用非常方便。圖 11是雙boost模塊并聯(lián)和三相npc逆變輸出模塊布局圖。

　　圖11 雙boost模塊并聯(lián)和三相npc逆變輸出模塊布局圖

　　針對1000v直流母線電壓的光伏逆變器，npc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器是目前市場上效率最高的。圖12比較了npc模塊(mosfet+igbt)和使用1200v的igbt半橋模塊的效率。

　　圖12 npc逆變橋輸出效率(實(shí)線)和半橋逆變效率(虛線)比較

　　根據(jù)仿真結(jié)果，npc逆變器的歐效可以達(dá)到99.2%，而后者的效率只有96.4%。npc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是顯而易見的。

　7 下一代光伏逆變器拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)思路介紹

　　目前混合型h橋(mosfet+igbt)拓?fù)湟呀?jīng)取得了較高的效率等級。而下一代的光伏逆變器，將會把主要精力集中在以下性能的改善：

　　(1) 效率的進(jìn)一步提高;

　　(2) 無功功率補(bǔ)償;

　　(3) 高效的雙向變換模式。

　　7.1 單相光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　對于單相光伏逆變器，首先討論如何進(jìn)一步提高混合型h橋拓?fù)涞男?見圖13)。

　　在圖13中，上橋臂igbt的開關(guān)頻率一般設(shè)定為電網(wǎng)頻率(例如50hz)，而下橋臂的mosfet則工作在較高的開關(guān)頻率下，例如16khz，來實(shí)現(xiàn)輸出正弦波。仿真顯示，這種逆變器拓?fù)湓?kw額定功率輸出時，效率可以達(dá)到99.2%。由于mosfet內(nèi)置二極管的速度較慢，因此mosfet不能被用在上橋臂。

　　圖13 光伏逆變器的發(fā)展-混合型

　　由于上橋臂的igbt工作在50hz的開關(guān)頻率下，實(shí)際上并不需要對該支路進(jìn)行濾波。因此對電路拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化，可以得到圖14所示的發(fā)射極開路型拓?fù)?。這種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是只有有高頻電流經(jīng)過的支路才有濾波電感，從而減小了輸出濾波電路的損耗。

　　圖14 改進(jìn)的無變壓器上橋臂發(fā)射極開路型拓?fù)?/p>

目前vincotech公司已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射極開路型igbt模塊產(chǎn)品，型號是flowsol0-bi open e (p896-e02)，如圖15所示。

　　圖15 flowsol0-bi-open e (p896-e02)

　　技術(shù)參數(shù)：

　　(1) 升壓電路采用mosfet(600v/45mω)和sic二極管組成;

　　(2) 旁路二極管主要是當(dāng)輸入超過額定負(fù)載時，旁路boost電路，從而改善逆變器整體效率;

　　(3) h橋的上橋臂采用igbt(600v/75a)和sic二極管，下橋臂采用mosfet(600v/45 mω);

　　(4) 模塊內(nèi)部集成溫度檢測電阻。

　　下面再來分析一下圖14所示的發(fā)射極開路型拓?fù)?。?dāng)下橋臂的mosfet工作時，與上橋臂igbt反并聯(lián)的二極管卻由于濾波電感的作用沒有工作，這樣就可以在上橋臂也使用mosfet，在輕載時提高逆變器的效率。仿真結(jié)果顯示，在2kw額定功率輸出時，這種光伏逆變器的歐效可以提高0.2%，從而使效率達(dá)到99.4%。在實(shí)際的應(yīng)用場合中，這種拓?fù)鋵π实奶岣邥啵驗(yàn)榉抡娼Y(jié)果是在假定芯片結(jié)溫125℃的情況下得到的，但由于mosfet體積較大，且光伏逆變器經(jīng)常工作在輕載情況下，mosfet芯片結(jié)溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于125℃，因此實(shí)際工作時mosfet的導(dǎo)通阻抗rds-on將比仿真時的數(shù)值要低，損耗相應(yīng)也會更小。

　　如何解決無功功率的問題呢?這種電路拓?fù)涮幚頍o功功率的唯一方法就是使用fred-fet，但這些器件的導(dǎo)通阻抗rds-on通常都很高。另一個缺點(diǎn)是其反向恢復(fù)特性較差，影響無功補(bǔ)償和雙向變換時的性能。但是在某些特殊應(yīng)用中，如果必須通過無功功率來測量線路阻抗或者保護(hù)某些元器件，那么圖16所示拓?fù)鋵⒖梢詽M足以上要求。

圖16所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許純無功負(fù)載，能夠提高對電網(wǎng)的無功補(bǔ)償，也能滿足雙向功率流動，例如實(shí)現(xiàn)高效電池充電。如果應(yīng)用sic肖特基二極管，這種電路拓?fù)鋵⒖梢赃_(dá)到更高的效率等級。表2是2kw額定功率下不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的歐洲效率

　　圖16 適應(yīng)無功負(fù)載的全mosfet拓?fù)?/p>

　　7.2 三相光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　對于npc拓?fù)涞娜喙夥孀兤饕部梢宰鲱愃频母倪M(jìn)。

　　以一相為例，在2kw額定輸出時，三電平逆變器(見圖17)可以達(dá)到99.2%的歐效(見表2)。稍作改動，該拓?fù)渚涂梢詫?shí)現(xiàn)無功功率流動。

　　圖17 三電平逆變器

　在輸出與直流母線間增加1200v二極管后，該拓?fù)?見圖18)就可以輸出無功功率。同時也可以用作高效率的雙向逆變器，實(shí)現(xiàn)能量的反向變換。為了減小損耗，d3，d4推薦使用sic二極管。

　　圖18 可實(shí)現(xiàn)無功功率輸出的npc拓?fù)淠孀兤?/p>

　　但由于1200v的sic價格過高，圖19所示的拓?fù)鋵且环N比較好的選擇。

　　圖19 可實(shí)現(xiàn)無功功率輸出的npc拓?fù)淠孀兤?增加了2個sic二極管和4個si二極管)

　　這種拓?fù)渲皇褂昧藘蓚€600v的sic二極管(d4，d6)。d3和d5采用快速si二極管，d7和d8采用小型si二極管，用來防止sic二極管過壓損壞。

　　這里是否可能也全部采用mosfet來實(shí)現(xiàn)呢?答案是可以的，前提是需要把mosfet的體二極管旁路掉。這可以通過把上下半橋的輸出端子分開并配上各自的濾波電感來實(shí)現(xiàn)。

　　圖20的電路拓?fù)淇梢蕴岣咴谳p載時的效率。

　　圖20 采用mosfet實(shí)現(xiàn)無功功率輸出的npc拓?fù)淠孀兤?/p>

圖21是全采用mosfet方案和混合型方案在額定功率2kw時的效率比較。

　　圖21 全采用mosfet方案和混合型方案在額定功率2kw時的效率比較

　　其歐效可以從99.2%提高到99.4%。無功功率由1200v快速二極管通路實(shí)現(xiàn)。在選擇二極管時，推薦使用sic二極管，這樣可以在反向變換時，達(dá)到更高的效率。或者如圖22所示，d4和d6采用600v sic二極管，另外四個采用快恢復(fù)si二極管。

　　圖22 采用2個sic二極管、4個si二極管和分別輸出方式的npc逆變器拓?fù)?/p>

　　8 結(jié)束語

　　這些新的拓?fù)涫沟媚孀兤鞯男誓軌蜻_(dá)到更高的歐效等級。即使在輸出功率為0.4kw時，我們?nèi)匀豢梢赃_(dá)到最高的效率，這也使得可以通過模塊并聯(lián)來進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量。此時可以非常容易的計(jì)算出投資回報率，從而也顯示出效率等級在光伏逆變器應(yīng)用中的重要作用。

　　對無功功率輸出的改善同樣使得這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有以下特性和更廣泛的應(yīng)用：

　　(1) 線路無功補(bǔ)償;

　　(2) 高效電池充電，可應(yīng)用于后備電源系統(tǒng)、電動交通工具和混合動力汽車;

　　(3) 高效、高速電機(jī)驅(qū)動。