逆變器——優(yōu)化光伏發(fā)電的裝置

文｜中國人民解放軍76410部隊 劉向陽

1 太陽能對逆變器的要求

通過太陽能光伏技術(shù)將太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能是現(xiàn)在市面上最有效也是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉醇夹g(shù)?，F(xiàn)在，普通太陽能光伏系統(tǒng)都是由許多緊密相連的太陽能電池板組成，這些電池板先分組串聯(lián)，再將不同的串聯(lián)電池組并聯(lián)起來形成電池陣列。

目前我國光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽電池發(fā)出的電能給蓄電池充電，而蓄電池直接給負載供電，如我國西北地區(qū)使用較多的太陽能戶用照明系統(tǒng)以及遠離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但由于負載直流電壓的不同（如12V、24V、48V等），很難實現(xiàn)系統(tǒng)的標準化和兼容性，特別是民用電力，由于大多為交流負載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進入市場。光伏發(fā)電最終將實現(xiàn)并網(wǎng)運行，這就必須采用成熟的市場模式，今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。

太陽能逆變器是一種功率電子電路，能把太陽能電池板的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓來驅(qū)動家用電器、照明及電機工具等交流負載，是整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。逆變器有兩個基本功能：一方面是為完成DC/AC轉(zhuǎn)換的電流連接到電網(wǎng)，另一方面是找出最佳的操作點以優(yōu)化太陽能光伏系統(tǒng)的效率。對于特定的太陽光輻射、溫度及電池類型，太陽能光伏系統(tǒng)都相應(yīng)有唯一的最佳電壓及電流，從而使光伏系統(tǒng)產(chǎn)生最大的能量。因此，在太陽能應(yīng)用中對逆變器必須滿足以下基本要求：

（1）要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。

（2）要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū)，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護，交流輸出短路保護，過熱、過載保護等。

（3）要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽電池的端電壓隨負載和日照強度而變化，蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有重要作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動，特別是當蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，如12V蓄電池，其端電壓可在10V～16V之間變化，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。

（4）在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對電網(wǎng)品質(zhì)有較高的要求，當中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，為避免與公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變器輸出正弦波電流。

2 太陽能逆變器的原理及架構(gòu)

通常把交流電能變換成直流電能的過程稱之為整流，相控整流是最常見的交——直流變換過程；而把直流電能變換成交流電能的過程稱之為逆變，它是整流的逆過程。在逆變電路中，照負載性質(zhì)的不同，逆變分為有源逆變和無源逆變。如果把該電路的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電能經(jīng)過直——交流變換，逆變成與交流電源同頻率的交流電返送到電網(wǎng)上去，稱作有源逆變，相應(yīng)的裝置稱為有源逆變器，控制角大于90o的相控整流器為常見的有源逆變器。而把直流電能變換為交流電能，直接向非電源負載供電的電路，稱之為無源逆變電路，又稱為變頻器。

逆變器類型有他勵逆變器、自勵逆變器、脈寬調(diào)制（PWM）型逆變器。其中他勵逆變器需要外部交流電壓源，給晶閘管提供整流電壓。他勵逆變器主要應(yīng)用在大功率并網(wǎng)情況下；對于功率低于1MW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要采用自勵逆變器方式。自勵逆變器不需要外部交流電壓源，整流電壓由逆變器的一部分儲能元件（比如電容）來提供或通過增加待關(guān)斷整流閥（像MOSFET 或IGBT）的電阻值來實現(xiàn)。輸出電壓被脈沖調(diào)制的自勵逆變器被稱為脈沖逆變器。這種逆變器通過增加周期內(nèi)脈沖的切換次數(shù)，來降低電壓、電流的諧波含量；諧波含量與脈沖切換次數(shù)呈正比。目前，并網(wǎng)逆變器的輸出控制模式主要有兩種：電壓型控制模式和電流型控制模式。電壓型控制模式的原理是以輸出電壓作為受控量，系統(tǒng)輸出和電網(wǎng)電壓同頻同相的電壓信號，整個系統(tǒng)相當于一個內(nèi)阻很小的受控電壓源；電流型控制模式的原理則是以輸出電感電流作為受控目標，系統(tǒng)輸出和電網(wǎng)電壓同頻同相的電流信號，整個系統(tǒng)相當于一個內(nèi)阻較大的受控電流源。

目前，太陽能逆變器已有多種拓撲結(jié)構(gòu)，最常見的是用于單相的半橋、全橋和Heric逆變器，以及用于三相的六脈沖橋和中點鉗位（NPC）逆變器。太陽能逆變器的典型架構(gòu)一般采用四個開關(guān)的全橋拓撲，如圖1所示。

圖1 全橋拓撲示意圖

在圖1中，Q1 和Q3被指定為高壓側(cè)IGBT，Q2 和Q4 則是低壓側(cè) IGBT。該逆變器用于在其目標市場的頻率和電壓條件下，產(chǎn)生單相位正弦電壓波形。有些逆變器用于連接凈計量效益電網(wǎng)的住宅安裝，這就是其中一個目標應(yīng)用市場，此項應(yīng)用要求逆變器提供低諧波交流正弦電壓，讓電力可注入電網(wǎng)中。

實質(zhì)上，為保持諧波分量低和功率損耗最小，逆變器的高壓端IGBT采用脈寬調(diào)制，低壓端IGBT則以60Hz頻率變換電流方向。通過讓高壓端IGBT使用20kHz或20kHz以上的PWM頻率和50/60Hz調(diào)制方案，輸出電感L1和L2在實例中可以做得很小，并且照樣能對諧波分量進行高效濾波。與快速和標準速度的平面器件相比，開關(guān)速度為20kHz的超快速溝道型IGBT可以提供最低的總導通損耗和開關(guān)功率損耗。同樣，對于低壓端開關(guān)電路，工作在60Hz的標準速度IGBT可以提供最低的功率損耗。

這個設(shè)計中的開關(guān)技術(shù)具有如下優(yōu)勢：通過允許高壓端和低壓端IGBT獨立優(yōu)化實現(xiàn)很高的效率；高壓端、同封裝的軟恢復二極管沒有續(xù)流時間，從而消除了不必要的開關(guān)損耗；低壓端IGBT的開關(guān)頻率只有60Hz，因此導通損耗是這些IGBT的主要因素；沒有交叉導通，因為任何時間點的開關(guān)都發(fā)生在對角的兩個器件上（Q1和Q4或Q2和Q3）；不存在總線直通的可能性，因為橋的同一邊上的IGBT永遠不可能以互補方式開關(guān)；跨接低壓端IGBT的同封裝、超快速、軟恢復二極管經(jīng)過優(yōu)化可以使續(xù)流和反向恢復期間的損耗達到最小。

3 IGBT抑或MOSFET

在太陽能轉(zhuǎn)換過程中，有各種先進的功率器件可以使用，比如MOSFET、雙極結(jié)晶體管和IGBT。為取得最佳的轉(zhuǎn)換效率和性能，為太陽能逆變器選擇正確的功率晶體管極具挑戰(zhàn)性，而且非常耗時。

多年來的研究表明，IGBT可以比其他功率器件提供更多的優(yōu)勢，其中包括更強的電流處理能力、用電壓方便地實現(xiàn)柵極控制，以及在封裝內(nèi)集成超快速恢復二極管實現(xiàn)更快的關(guān)斷時間。IGBT是一種少數(shù)載流子器件，它的關(guān)斷時間取決于少數(shù)載流子重新組合的速度，因此，隨著最近工藝技術(shù)和器件結(jié)構(gòu)的改進，它的開關(guān)特性已得到顯著增強。

IGBT基本上是具備金屬門氧化物門結(jié)構(gòu)的雙極型晶體管。這種設(shè)計讓IGBT的柵極可以像MOSFET一樣，以電壓代替電流來控制開關(guān)。作為一種BJT，IGBT的電流處理能力比MOSFET更高。同時，IGBT亦如BJT一樣是一種少數(shù)載體元件。這意味著IGBT關(guān)閉的速度是由少數(shù)載體復合的速度快慢來決定。此外，IGBT的關(guān)閉時間與它的集極——射極飽和電壓（Vce（on）） 成反比，如圖2所示。

圖2 關(guān)閉時間與Vce（on）成反比

以圖2為例，若IGBT擁有相同的體積和技術(shù)，一個超速IGBT比一個標準速度的IGBT擁有更高的Vce（on）。然而，超速IGBT的關(guān)閉速度卻比標準IGBT快得多。圖2反映的這種關(guān)系，是通過控制IGBT的少數(shù)載體復合率的使用周期以影響關(guān)閉時間來實現(xiàn)。

一般說，因IGBT的電流更大（是MOSFET的兩倍多），所以采用IGBT方案的成本比采用MOSFET的成本低。除成本方面的考慮外，器件性能可由功率損耗表度，而功率損耗可分為：導通和開關(guān)兩類。作為以少數(shù)載流子為基礎(chǔ)的器件，在大電流下，IGBT具有更低的導通電壓，也就意味著更低的導通損耗。但MOSFET的開關(guān)速度更快，所以開關(guān)損耗比IGBT低。因此對于要求更低開關(guān)頻率且更大電流的應(yīng)用來說，選擇IGBT更為適合而且具備更低成本優(yōu)勢。另一方面，MOSFET有能力滿足高頻、小電流應(yīng)用，特別是那些開關(guān)頻率在100kHz以上的能量逆變器模塊的需要。雖然從器件成本角度看，MOSFET比IGBT貴，但其處理更高開關(guān)頻率的能力將簡化輸出濾波器的磁設(shè)計并將顯著縮小輸出電感體積。

基于上述原因，更多的制造商因此傾向于在中高水平的能量逆變器中采用IGBT。而據(jù)Microsemi公司介紹，該公司生產(chǎn)的MOS8 IGBT在靜態(tài)和動態(tài)測試（最小化的總體功率損耗）方面的優(yōu)化性能可出色勝任這些應(yīng)用的要求。另一方面，即便MOSFET的成本是個主要考量，但為實行一個更優(yōu)方案，也應(yīng)重新審視采用MOSFET的潛力，諸如Microsemi的MOS7/MOS8 MOSFET所具備的領(lǐng)先特性就非常適合太陽能逆變器的設(shè)計。

4 太陽能逆變器的智能控制

設(shè)計太陽能逆變器時要考慮兩個關(guān)鍵因素即效率和諧波失真。效率可分成兩個部分：太陽能的效率和逆變器的效率。逆變器的效率在很大程度上取決于設(shè)計使用的外部元件，而不是控制器；而太陽能的效率與控制器如何控制太陽能電池板陣列有關(guān)。每個太陽能電池板陣列的最大工作功率在很大程度上取決于陣列的溫度和光照。MCU必須控制太陽能電池板陣列的輸出負載，以使陣列的工作功率最大。由于這不是一個數(shù)學密集型算法，因此可使用低成本MCU來完成任務(wù)。

目前，大多數(shù)太陽能逆變器只能從太陽能電池板的某個最佳位置對電池板的整體效率進行優(yōu)化。這種優(yōu)化方法嚴重制約了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率。如果光伏系統(tǒng)在非最佳電壓及電流水平下運行，系統(tǒng)的效率就非常低，白白浪費采集太陽能的良機。在光伏系統(tǒng)中，太陽能電池板是由多個串聯(lián)組并聯(lián)后形成的。就像節(jié)日燈飾一樣，假如串聯(lián)中的某個電池發(fā)生故障，就會導致整個電池組失效。此外，當有局部陰影或碎礫等遮蔽光伏系統(tǒng)時，這種情況也會發(fā)生。

為了解決上述問題，目前太陽能電池板都集成了旁路二極管，從而使電流可以繞過被遮蔽的失效電池板部分。啟動二極管后，它們可將電流重新路由，即改道繞過失效電池串上。這樣一來，不僅浪費了受遮蔽電池板的供電潛能，而且會降低整個電池組的總電壓。基于選取電池板最佳操作點的原則，逆變器必須決定是應(yīng)該優(yōu)化受影響電池串的電壓，還是應(yīng)該優(yōu)化其他沒受影響電池組所產(chǎn)生的能量。在大多數(shù)的情況下，逆變器都會選擇優(yōu)化沒有影響的電池組，并相應(yīng)地降低受影響電池組所產(chǎn)生的能量，甚至是完全關(guān)閉受影響電池組。所導致的結(jié)果是，太陽能光伏系統(tǒng)只要出現(xiàn)10%的遮蔽，便會使太陽能發(fā)電量下降一半。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是現(xiàn)行的光伏系統(tǒng)并不能與極度敏感的太陽能電池架構(gòu)相匹配。因此，我們需要采用更高智能的技術(shù)和產(chǎn)品來開發(fā)太陽能。

為此，美國國家半導體新推出的Solar Magic產(chǎn)品，能夠智能管理太陽能光伏電池板電量，從而使太陽能管理更智能，更高效。一個解決方案就是所謂的“微型逆變器”，即在每塊電池板上都加裝逆變器。可是，影響光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵因素是可靠性、成本和效率。先進的微型優(yōu)化器技術(shù)可大幅改善太陽能發(fā)電工業(yè)的成本效益和產(chǎn)能。由于具備在太陽能發(fā)電的深厚知識、經(jīng)驗以及可靠的核心技術(shù)，美國國家半導體的Solar Magic技術(shù)可監(jiān)察并優(yōu)化每塊電池板的發(fā)電量，并改善電池板中的電流流向。Solar Magic體現(xiàn)了美國國家半導體在混合信號和電源管理的先進算法領(lǐng)域的領(lǐng)先。通過采用Solar Magic技術(shù)，太陽能發(fā)電系統(tǒng)可挽回50%以上因輸電失配或陰影遮蔽而損失的發(fā)電量。微型優(yōu)化器將智能地管理每塊電池板，讓它們可以最佳的功率點去運行，即使串聯(lián)電池組內(nèi)有個別電池板發(fā)生故障也不會影響系統(tǒng)的整體效率。美國國家半導體于2009年推出的全新微型優(yōu)化器將推動太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展，在再生能源方面扮演舉足輕重的角色。