可再生能源之光伏發(fā)電逆變器拓撲及關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計詳解

當(dāng)今能源環(huán)境愈漸惡化，傳統(tǒng)能源逐漸枯竭，使得可再生能源得到了開發(fā)和利用，太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電借此也得到了迅猛發(fā)展。SiC，JFET，GaN和多電平功率模塊等新器件及創(chuàng)新拓撲的出現(xiàn)，新型多電平技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)兩電平及飛跨電容，二極管箝位的多電平拓撲結(jié)構(gòu)，這些已成功應(yīng)用在光伏逆變器產(chǎn)品中，并帶動了光伏逆變器向可靠、高效、低成本、高功率密度等多方面綜合發(fā)展。同時，新拓撲的應(yīng)用也帶來了一些新問題、需要不斷探索解決方案。

1光伏發(fā)電逆變拓撲現(xiàn)狀

對于不同的應(yīng)用場合，光伏發(fā)電逆變器從微型逆變器到單相小功率、三相中功率、大功率，其拓撲表現(xiàn)形式不盡相同，尤其是近幾年，多電平技術(shù)的運用已有所突破，傳統(tǒng)兩電平拓撲為主導(dǎo)的市場在效率、器件應(yīng)力等方面取得了飛速發(fā)展。對于嚴苛的并網(wǎng)標(biāo)準要求，在針對漏電流、低電壓穿越及無功等方面也出現(xiàn)了一些新型拓撲。同時對于不同區(qū)域、國家的特殊標(biāo)準，也產(chǎn)生了一系列的拓撲變形形式。

1.1 單相小功率逆變拓撲

傳統(tǒng)小功率逆變器主要在家用屋頂上應(yīng)用，拓撲以圖1a所示的H4單相全橋為主，但因其存在漏電流而受到一定限制。為減小漏電流需改變調(diào)制策略，增加一些RC吸收電路或輸出加隔離變壓器進行隔離，導(dǎo)致逆變器效率下降，體積、重量增大，成本增加。德國SMA公司采用如圖1b所示的H5結(jié)構(gòu)，從根本上解決了漏電流問題。隨后一系列解決漏電流的拓撲相繼出現(xiàn)，國內(nèi)以格瑞特、昆蘭為代表如圖1c所示的H6拓撲及在此基礎(chǔ)上的演變拓撲，相對H5更能提高效率;例如近兩年STECA公司推出的如圖1d所示的雙Buck拓撲，效率最高達98.8%。SUNGROW在小功率方面針對H6拓撲及STECA的高效拓撲也做了大量研究，并申請了多項專利，其效率也接近世界頂尖STECA水平。可見，高效抑制漏電流的拓撲架構(gòu)，滿足低壓電網(wǎng)指令，支持無功調(diào)節(jié)是小功率逆變器面臨的技術(shù)難題。

1.2 三相中功率逆變拓撲

業(yè)界三相中功率逆變器主要在商業(yè)屋頂及地面電站上應(yīng)用，拓撲主要有兩電平、I型和T型三電平，隨著SiC，JFET，GaN等新器件及功率器件模塊的出現(xiàn)和應(yīng)用，現(xiàn)在三相中功率逆變拓撲效率高達99%，但由于新器件成本相對傳統(tǒng)IGBT高出很多，使其產(chǎn)品化應(yīng)用受到一定限制，為了達到更加高效，多電平拓撲最近幾年在中功率逆變器上得到應(yīng)用，如圖2所示為以REFU公司為代表的五電平拓撲。對于中功率段的逆變器，抑制中點電位偏移的三電平算法，消除共模電壓問題，滿足中壓電網(wǎng)指令，支持低電壓穿越及無功調(diào)節(jié)，多臺并聯(lián)時抑制振蕩的算法等都是需要不斷克服的關(guān)鍵技術(shù)。SUNGROW陸續(xù)開發(fā)了高效、高可靠性的三相中功率產(chǎn)品，率先通過了德國中壓電網(wǎng)指令相關(guān)要求的測試。

1.3 大功率逆變拓撲

大功率逆變器應(yīng)用在大型商業(yè)屋頂及地面電站上，主要以兩電平拓撲為主，近兩年出現(xiàn)I型三電平拓撲。以Powerone公司為代表的四電平，以SMA和REFU為代表的五電平拓撲已陸續(xù)出現(xiàn)。為實現(xiàn)大功率，以愛默生為代表的中功率并聯(lián)方案提高了功率密度。對于北美處于安全考慮，通常要求逆變器PV電壓不超過600 V，對此也產(chǎn)生了一系列的改進拓撲結(jié)構(gòu)形式，圖3示出REFU針對北美版機器推出的五電平拓撲結(jié)構(gòu)。在這些拓撲的基礎(chǔ)上，逆變交流側(cè)并聯(lián)技術(shù)、高電壓穿越技術(shù)、共模電壓問題都是業(yè)界大功率逆變器碰到的一系列技術(shù)難題。共模電壓的存在導(dǎo)致一臺逆變器運行會影響其他不運行的逆變器，尤其會將BUS電壓沖高直至保護。另外，如何讓所有模塊的壽命均等的群控策略，提高陰影時的發(fā)電量，群控時各組串大電流切換時的滅弧問題及三電平逆變器多臺并機的環(huán)流均流控制算法的研究及中點平衡與輸出直流量之間兼顧問題和低電壓跌落如何快速檢測到電壓跌落等問題，都是逆變器構(gòu)成大功率電站方案時需考慮的一些關(guān)鍵技術(shù)。

1.4 微型逆變器及效率優(yōu)化器

微型逆變器的應(yīng)用需求決定了其不能采用傳統(tǒng)的升降壓型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)(如半橋，全橋等拓撲)，其不僅要求能實現(xiàn)升、降壓變換功能，還需進行電氣隔離，一般由DC/DC，DC/AC兩級變換組成。同時對效率、體積、成本等要求較高。目前以Enphase，Involar等為代表的公司采用Flyback+全橋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)和控制簡單，可靠性高。以Powerone為代表的公司采用Boost+LLC+全橋結(jié)構(gòu)，以Enecsys為代表的公司采用LLC+Buck+全橋結(jié)構(gòu)。為了減小重量和體積，高頻軟開關(guān)技術(shù)在微型逆變器上得到了普遍應(yīng)用。高效的拓撲架構(gòu)，無電流傳感器的MPPT算法，準確的谷底開通方法也是微型逆變器追求其高效率的主要技術(shù)難點。