光伏發(fā)電逆變技術(shù)的發(fā)展趨勢及其解決方案

范莉平

（太原合創(chuàng)自動化有限公司，太原 030032）

1 光伏發(fā)電逆變技術(shù)國內(nèi)、外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 綜述

20世紀(jì) 70年代以來，兩次石油危機(jī)、當(dāng)前嚴(yán)重的環(huán)境污染以及氣候變暖峰會的強(qiáng)烈呼吁，迫使人們更加努力尋找和開發(fā)新能源。對于污染及耗能大戶——電力工業(yè)，也面臨巨大的挑戰(zhàn)。光伏發(fā)電作為可再生的替代能源發(fā)電，在世界范圍內(nèi)受到高度重視且發(fā)展迅速。目前，光伏發(fā)電作為常規(guī)能源的補充，無論從解決電力耗能問題上，還是從環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略上都具有重大的戰(zhàn)略意義。

在國內(nèi)，政府先后出臺《可再生能源法》及其相關(guān)實施細(xì)則等政策來扶持光伏等新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2009年，隨著“金太陽”工程在全國各省的動工實施，國內(nèi)光伏市場將得以長足發(fā)展。不僅如此，新能源振興規(guī)劃預(yù)測，2020年光伏發(fā)電安裝量將要達(dá)到2000萬kW，是《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中規(guī)定的10倍以上。

由此可見，從全世界到國家，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)都將得到大力支持，并得以迅速發(fā)展，這必將帶動光伏產(chǎn)業(yè)：原材料生產(chǎn)、太陽能電池及組件生產(chǎn)、逆變器等相關(guān)設(shè)備制造的配套行業(yè)的迅猛發(fā)展。光伏并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中核心部件，其主要功能是將太陽能電池板發(fā)出的直流電逆變成交流電，并送入電網(wǎng)。其效率的高低、可靠性的好壞將直接影響整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能。

1.2 國外逆變器的研究現(xiàn)狀

國外低壓并網(wǎng)逆變器已經(jīng)是較為成熟的市場產(chǎn)品，在歐洲光伏專用逆變器市場中就有 SMA，Sputnik和西門子等眾多的公司具有市場化的產(chǎn)品，高壓并網(wǎng)逆變裝置SMA、西門子等公司現(xiàn)已形成市場產(chǎn)品。

SMA公司的光伏并網(wǎng)逆變器目前有三大類型：SB組串逆變器， SMC小集中型逆變器，以及2008年研制成功1MW SC并網(wǎng)逆變器。SB產(chǎn)品系列可以將幾臺逆變器光伏組件輸入端并接的ST技術(shù)以及低輸入電壓 LV技術(shù)，可滿足不同的應(yīng)用要求。SMC產(chǎn)品系列采用集成直流負(fù)荷斷路開關(guān) ESS，較為簡單而又安全地斷開光伏組件與逆變器；具有三相功率平衡功能，確保并網(wǎng)時的三相平衡。SC并網(wǎng)逆變器使用的電源系統(tǒng)可靠性高，微處理技術(shù)較為先進(jìn)。

1.3 國內(nèi)逆變器的研究現(xiàn)狀

我國光伏發(fā)電的起步較晚，光伏系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)的研究處于起步階段，技術(shù)水平相對國外還有一定差距。針對大型光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分兆瓦級并網(wǎng)逆變器，北京索英電氣技術(shù)有限公司、安徽合肥陽光電源有限公司等單位在這一方面進(jìn)行了相關(guān)的研究。

目前，北京索英電氣技術(shù)有限公司主要是 SEE系列逆變器分為單相和三相太陽能并網(wǎng)逆變器。此系列產(chǎn)品容量范圍從10－100kW，采用日本的智能功率模塊IPM作為主回路功率器件，運用該公司并網(wǎng)控制技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)較為簡單、效率高、性能優(yōu)良。但是應(yīng)用于大型光伏電站則需要低壓變壓器來解決，從長遠(yuǎn)來看，不利于大型光伏發(fā)電降低系統(tǒng)發(fā)電成本。

國內(nèi)光伏逆變器領(lǐng)域的生產(chǎn)是一個弱項，光伏逆變器產(chǎn)業(yè)整體水平較低，中國最大的光伏系統(tǒng)提供商——中盛光電采購的光伏逆變器多采用西門子、SMA等外資企業(yè)。這樣導(dǎo)致大型光伏系統(tǒng)的造價升高、依賴性強(qiáng)，從而制約了并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)在國內(nèi)市場的發(fā)展和推廣。

1.4 逆變技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著光伏發(fā)電的迅速發(fā)展，對光伏發(fā)電提出了新的要求，需要大規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電，與電網(wǎng)連接同步運行。并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電的核心，對其要求也越來越高。

首先，要求逆變器輸出的電量和電網(wǎng)電量保持同步，在相位、頻率上嚴(yán)格一致，逆變器的功率因數(shù)近于 1。其次，滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求，逆變器應(yīng)輸出失真度小的正弦波。第三，具有對孤島檢測的功能，防止孤島效應(yīng)的發(fā)生，避免對用電設(shè)備和人身造成傷害。第四，為了保證電網(wǎng)和逆變器安裝可靠運行，兩者之間的有效隔離及接地技術(shù)也非常重要。

主要技術(shù)發(fā)展趨勢如下：

（1）結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢

過去逆變器的結(jié)構(gòu)由工頻變壓器結(jié)構(gòu)的光伏逆變器轉(zhuǎn)化多轉(zhuǎn)換級帶高頻變壓器的逆變結(jié)構(gòu)，功率密度大大提高，但也導(dǎo)致了逆變器的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低?，F(xiàn)階段的光伏并網(wǎng)逆變器普遍采用了串級型，經(jīng)過反復(fù)研究表明：逆變器采用多串級逆變結(jié)構(gòu)，融合了串級的設(shè)計靈活、高能量輸出與集中型低成本的優(yōu)點，是今后光伏并網(wǎng)逆變結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展趨勢。

（2）控制策略發(fā)展趨勢

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器需要對電流和功率進(jìn)行控制，逆變器輸出電流主要采用各種優(yōu)化的PWM控制策略。

對光伏陣列工作點跟蹤控制主要有：恒電壓控制策略和MPPT光伏陣列功率點控制策略。

現(xiàn)代控制理論中許多先進(jìn)算法也被應(yīng)用到光伏逆變系統(tǒng)的控制中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、滑模變結(jié)構(gòu)、模糊控制等。將來光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的綜合控制成為其研究發(fā)展的新趨勢?；谒矔r無功理論的無功與諧波電流補償控制，使得光伏并網(wǎng)系統(tǒng)既可以向電網(wǎng)提供有功功率，又可以實現(xiàn)電網(wǎng)無功和諧波電流補償。這對逆變器跟蹤電網(wǎng)控制的實時性、動態(tài)特性要求更高。

逆變器對于孤島效應(yīng)的控制，孤島效應(yīng)的檢測一般分成被動式與主動式。常常采用主動檢測法如脈沖電流注入法 、輸出功率變化檢測法、主動頻率偏移法和滑模頻率偏移法等。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用，當(dāng)多個逆變器同時并網(wǎng)時，不同逆變器輸出的變化非常大。將來多逆變器的并網(wǎng)通信、協(xié)同控制已成為其孤島效應(yīng)檢測與控制發(fā)展趨勢。

2 高壓、大容量逆變器的關(guān)鍵技術(shù)

目前，我國小型、低壓用戶直接并網(wǎng)的光伏逆變器有了較成熟的產(chǎn)品，對于高壓大功率并網(wǎng)逆變器的研究正處于研制階段。本文介紹了一種采用高電壓、MW級大容量并網(wǎng)的方式，并達(dá)到了高壓并網(wǎng)要求的技術(shù)。

該逆變器采用九電平變基準(zhǔn)疊加 PWM與矢量控制相結(jié)合的控制方法來控制 IGBT開關(guān)，通過三相 IGBT功率模塊及優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將直流逆變成完美無諧波的正弦電壓、電流波形，并采用數(shù)學(xué)模糊集合基礎(chǔ)上的頻率偏移主動式反孤島控制，與電網(wǎng)智能化軟連接并網(wǎng)運行。

2.1 技術(shù)原理

2.2 九電平IGBT開關(guān)拓?fù)潆娐?/h3>

逆變器采用的拓?fù)潆娐肥亲兓鶞?zhǔn)疊加技術(shù)的九電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，如圖2所示。

圖1

圖2 九電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?/p>

圖3 九電平信號

圖4 四電平信號

（1）結(jié)構(gòu)及原理描述

如圖2所示，變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的九電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，由三個單相的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐方M成，U相開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐酚?個二極管D1-D6、D10個絕緣柵雙極三極管IGBT1-IGBT10、電阻 R1、R2和電容 C1、C2構(gòu)成。同理，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐返腣相和W相的所有元器件與U相的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐吠耆嗤?/p>

電路中 IGBT1、IGBT5、IGBT4、IGBT8用作 PWM控制，IGBT2、IGBT3、IGBT6、IGBT7用作電平疊加，與其相對應(yīng)的D3、D4、D5、D6均為箝位二極管。

IGBT開關(guān)工作原理是：如圖2所示，當(dāng)U相的開關(guān) IGBT3、IGBT4和 IGBT5、IGBT6以及 V 相的IGBT2、IGBT7、IGBT8導(dǎo)通時，在V相的IGBT1上施加PWM信號時，就會產(chǎn)生如圖3所示的九電平信號。如圖2所示，當(dāng)U相的IGBT3、IGBT4和IGBT5、IGBT6以及V相的IGBT2、IGBT7導(dǎo)通時，在V相的IGBT1上施加脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號時，就會產(chǎn)生如圖4所示的四電平信號。

根據(jù)上述原理，配合不同的開關(guān)狀態(tài)，可以產(chǎn)生出-4E～4E九個電平信號。在每一個電平臺階上，可根據(jù)不同脈寬的PWM信號，模擬出本段的波形，從而能夠形成比較完美的正弦波。

（2）與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行比較的優(yōu)勢

本逆變器采用了上述結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有以下幾點優(yōu)勢：

1）利用低電壓、小功率的IGBT開關(guān)的組合實現(xiàn)了大功率高電壓逆變器的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐贰?/p>

2）逆變器輸出電壓波形為九電平完美無諧波，其THD各項指標(biāo)均滿足IEEE要求。

3）電路易于控制，用PWM控制去完成系統(tǒng)的無功功率分布，進(jìn)而達(dá)到使系統(tǒng)功率因數(shù)趨于1。

4）與傳統(tǒng)的多重化結(jié)構(gòu)比較：若輸出九電平波形，多重化電路需要16個IGBT開關(guān)。本逆變器拓?fù)潆娐凡捎茂B加技術(shù)，每相只需10個IGBT開關(guān)。

2.3 九電平開關(guān)操作及并網(wǎng)運行主控制器原理

圖5為九電平開關(guān)操作及并網(wǎng)運行主控制器原理框圖，其特點為：通過檢測開關(guān)狀態(tài)提高 IGBT開關(guān)的可靠性和易操作性，并實時檢測比較九電平IGBT開關(guān)輸出端與電網(wǎng)端的電流、電壓、頻率、波形等相關(guān)信息，完成智能化軟啟動并網(wǎng)運行及反孤島運行的功能。

圖5 主控制器原理框圖

該主控制器包括主控制微控制器及輔助電路、輔助控制微控制器及輔助電路、控制面板微控制器及輔助電路、IGBT開關(guān)檢測電路、雙端口隨機(jī)存取存儲器和模擬信號偏置電路。

主控制微控制器與輔助控制微控制器之間采用雙端口隨機(jī)存取存儲器連接，完成傳遞 IGBT開關(guān)檢測數(shù)據(jù)及軟啟動開關(guān)的數(shù)據(jù)，相互傳遞通訊信息，完成優(yōu)化控制功能。

IGBT開關(guān)檢測電路與主控制微控制器和輔助控制微控制器連接，使主控制微控制器及輔助控制微控制器實時準(zhǔn)確的檢測所有 IGBT開關(guān)的切換狀態(tài)及關(guān)斷狀態(tài)，為主控制微控制器及輔助控制微控制器提供可靠的開關(guān)狀態(tài)信息，使主控制微控制器及輔助控制微控制器可準(zhǔn)確無誤的向九電平 IGBT開關(guān)拓?fù)潆娐钒l(fā)出觸發(fā)信號，同時避免了開關(guān)切換時的狀態(tài)混疊現(xiàn)象，保證IGBT開關(guān)有序的切換。

模擬信號偏置電路與主控制微控制器和輔助控制微控制器連接，為主控制微控制器和輔助控制微控制器提供被控電網(wǎng)的電壓及電流參數(shù)。

主控制微控制器及輔助電路包括主控制微控制器芯片，用于接收由 PT、CT轉(zhuǎn)化后的信號而自動檢測直流系統(tǒng)及電網(wǎng)的參數(shù)并動態(tài)的建立其數(shù)學(xué)模型，計算直流系統(tǒng)運行的所有參數(shù)并輸出相應(yīng)的指令，控制輸出給電網(wǎng)的電壓為期望的九電平波形，電流為完美無諧波的正弦波形，使逆變器與電網(wǎng)系統(tǒng)功率因數(shù)趨于1.0。

同時，主控制微控制器（MCU）和輔助控制微控制器（MCU）還與智能化軟啟動連接及反孤島運行控制部分相連，實時采集處理軟啟動開關(guān)兩側(cè)的電流、電壓、頻率變量完成智能化軟啟動并網(wǎng)運行及主動反孤島式運行的功能。

2.4 智能化軟起動連接及反孤島運行控制部分

晶閘管開關(guān)對逆變器輸出側(cè)和電網(wǎng)側(cè)電壓幅值、大小、相位及頻率實時采集，不斷進(jìn)行比較，當(dāng)其達(dá)到允許誤差值范圍時，由控制器發(fā)出觸發(fā)信號，控制相應(yīng)可控硅的門極。因為電壓幅值、相位及頻率均為空間矢量，當(dāng)進(jìn)行比較時需要在三維空間內(nèi)進(jìn)行，將其轉(zhuǎn)化成模糊集合更趨近于實際工程情況，故此處使用數(shù)學(xué)模糊集合的概念對空間矢量進(jìn)行替換，完成軟起動功能。

本逆變器采用人工智能主動式頻率負(fù)偏移方法。通過軟硬件將電路周期性地檢測出相鄰兩次電網(wǎng)電壓過零點的時刻，計算出電網(wǎng)電壓的頻率f，然后在此頻率f的基礎(chǔ)上引入偏移量△f，最后將頻率（f±△f）作為輸出并網(wǎng)電流的給定頻率，并且在電網(wǎng)電壓每次過零時使輸出并網(wǎng)電流復(fù)位。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，光伏陣列經(jīng)逆變器的輸出的電流、電壓發(fā)生畸變，且出現(xiàn)輸出頻率錯位變化。形成了給定逆變器輸出的電流、電壓、頻率的正反饋，并超過頻率保護(hù)的上、下限值，從而使逆變器有效的檢測出系統(tǒng)故障。利用模糊數(shù)學(xué)的方法將已知的數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)估計和處理，并實時與逆變器輸出的電壓、電流、頻率進(jìn)行比較，以達(dá)到與電網(wǎng)的主動式反孤島運行，并網(wǎng)開關(guān)的智能化軟起動連接，以及逆變器相應(yīng)的IGBT開關(guān)的優(yōu)化控制操作運行。

3 結(jié)論

本文介紹的逆變器采用變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的九電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，使逆變出的電流波形滿足IEEE標(biāo)準(zhǔn)要求，盡可能的減少諧波污染。

逆變器的主控制器可通過實時檢測開關(guān)狀態(tài)，有效避免開關(guān)的混疊，提高 IGBT開關(guān)的可靠性和易操作性。

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