共直流母線并聯(lián)光伏逆變器的效率特性

摘要：隨著單臺(tái)光伏逆變器技術(shù)的曰趨成熟和光伏發(fā)電規(guī)模的日益擴(kuò)大，逆變器集群特性和控制逐漸受到重視。通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究、探討了并聯(lián)逆變器集群的效率特性，得出使逆變系統(tǒng)總體效率最高的功率分配方式，這一成果將為逆變器集群控制策略的設(shè)計(jì)提供重要參考。
關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；逆變器；并聯(lián)；效率

1 引言
隨著單臺(tái)逆變器技術(shù)的日趨成熟和光伏發(fā)電規(guī)模的日益擴(kuò)大，逆變器集群特性和控制逐漸受到重視。文獻(xiàn)指出逆變器共直流母線并聯(lián)結(jié)構(gòu)有助于提高逆變系統(tǒng)能效并降低發(fā)電成本。文獻(xiàn)描述了一種群組概念：當(dāng)光照較弱時(shí)，將各光伏電池組串并聯(lián)，根據(jù)功率大小起動(dòng)相應(yīng)數(shù)量的逆變器，以求小功率時(shí)達(dá)到良好的輸出電流質(zhì)量和系統(tǒng)效率；當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，以多組串方式運(yùn)行，每臺(tái)變換器帶一個(gè)組串，以實(shí)現(xiàn)更好的最大功率點(diǎn)跟蹤。文獻(xiàn)提出一種模塊化光伏系統(tǒng)，任意時(shí)刻僅有一個(gè)模塊工作在非滿載狀態(tài)，其余模塊處于滿載或待機(jī)狀態(tài)。然而，共用直流母線的逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，采取順序投入方式好還是均流方式更好，需進(jìn)一步明確。這里將對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行探討。

2 并聯(lián)逆變器效率問(wèn)題
對(duì)于如圖1所示的共直流母線并聯(lián)逆變器集群，可以通過(guò)合理投入逆變器數(shù)量和分配功率實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。

假設(shè)并聯(lián)逆變器集群中，每臺(tái)逆變器的效率不受其他逆變器的影響，在任何工作方式下仍保持各自原有效率特性，并且逆變器效率特性不隨時(shí)間變化，則集群效率最優(yōu)化問(wèn)題可描述為：在給定總輸入功率條件下，求各逆變器功率，使逆變系統(tǒng)輸出總功率最大，即：

式中：i為逆變器序號(hào)；xi為逆變器i的輸入功率；fi(xi)為輸入功率為xi時(shí)，逆變器i的效率；X為總輸入功率；xmaxi為逆變器i的最大輸入功率；n為逆變器總數(shù)。
此優(yōu)化問(wèn)題可分為兩步求解：①給定總功率和投入逆變器數(shù)量，求各逆變器功率分配，使總效率最高；②在上一步基礎(chǔ)上，確定使總效率最高的逆變器投入數(shù)量。這里將從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)以上第一步所述問(wèn)題進(jìn)行研究和探討，并針對(duì)一種簡(jiǎn)化的情況推導(dǎo)以上第二步所述問(wèn)題的解。

3 單臺(tái)逆變器的效率模型
典型的單臺(tái)逆變器效率特性曲線如圖2所示。逆變效率η隨功率P不同而非線性變化。在P較低區(qū)域，η嚴(yán)重下降，而在P中高區(qū)域，η較高。

對(duì)單臺(tái)逆變器效率特性建模。將逆變器損耗分為4類：①電阻性損耗，即與電流平方成正比的損耗，例如線路和濾波電抗器內(nèi)阻上的損耗、開(kāi)關(guān)管通態(tài)損耗等；②與電壓電流之積成正比的損耗，例如開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)損耗；③與電壓平方成正比的損耗，例如均壓電阻損耗、采樣電阻損耗；④固定損耗，例如控制系統(tǒng)功耗。
當(dāng)直流電壓和電網(wǎng)電壓不變時(shí)，上述損耗可合并為以下3類：與電流平方成正比的損耗、與電流成正比的損耗和固定損耗。設(shè)輸入功率為x，輸出功率為)y，有：y=x-(ay2+by+c)，則：x=ay2+(b+1)y+c，設(shè)b’=b+1，于是得逆變效率η與y關(guān)系為：

考慮同一產(chǎn)品系列中不同功率等級(jí)的逆變器。設(shè)有一臺(tái)基準(zhǔn)逆變器最大輸出功率為ymax，其效率特性滿足式(2)。由于在同樣技術(shù)條件下制造的不同逆變器效率特性相差較小，此處假設(shè)所有逆變器的效率特性曲線與基準(zhǔn)逆變器的效率特性曲線形狀相同，即，對(duì)于逆變器i，若其最大輸出功率ymax=kiymax，則其效率特性為：


4 并聯(lián)逆變器的效率特性
在單機(jī)效率模型基礎(chǔ)上，研究共直流母線多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的效率。將并聯(lián)逆變器系統(tǒng)效率最優(yōu)化問(wèn)題描述為：當(dāng)總輸出功率Y一定時(shí)，求各逆變器的輸出功率yi，使總輸入功率最小，即：