高效光伏逆變器綜述

張 興，李 俊，，趙 為，陶 磊

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽合肥230009；2.陽光電源股份有限公司，安徽合肥230088)

高效光伏逆變器綜述

張 興1，李 俊1，2，趙 為2，陶 磊2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽合肥230009；2.陽光電源股份有限公司，安徽合肥230088)

介紹了光伏逆變器漏電流相關(guān)標準，分析了無變壓器隔離的光伏逆變器的幾種典型拓撲、工作原理與優(yōu)缺點，闡述了多電平拓撲在光伏逆變器上的應(yīng)用及其對提高效率的貢獻，總結(jié)了高效功率器件在光伏逆變器上的應(yīng)用，說明了調(diào)制和控制算法應(yīng)用于光伏逆變器的必要性，展望了下一代逆變器的發(fā)展趨勢。

光伏逆變器；漏電流；拓撲；高效功率器件；調(diào)制與控制

光伏發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅速，但技術(shù)進步和成本下降的壓力都很大。電力行業(yè)研究機構(gòu)IMS Research關(guān)于光伏逆變器產(chǎn)業(yè)研究報告介紹：全球光伏逆變器總裝機容量到2020年達到92 GW，但是光伏逆變器的世界平均價格到2020年降至0.09 $/W[1]。光伏逆變器成本在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)中只占十分之一左右，但其性能關(guān)系到整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能。無變壓器非隔離的光伏逆變器拓撲的出現(xiàn)彌補了變壓器隔離的光伏逆變器的效率和成本問題，但帶來一定的安全問題[2]。

光伏逆變器行業(yè)公司，國外的如SMA、Power-One、Sunways、REFUsol、Ingeteam、Conergy、Steca，國內(nèi)的如陽光電源、華為、科士達等公司和一些大學(xué)、研究機構(gòu)不斷研發(fā)促使新的拓撲及相關(guān)算法不斷出現(xiàn)；功率器件研發(fā)公司如德國Vincotech、Infineon不斷推出新的功率器件、模塊來提高光伏逆變器的效率，本文介紹光伏逆變器并網(wǎng)運行漏電流相關(guān)要求和標準，分析光伏逆變器高效拓撲和功率器件方面研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，闡述與展望高效光伏逆變器相關(guān)調(diào)制與控制的研究現(xiàn)狀與需求，有助于把握高效光伏逆變器研究方向。

1 光伏逆變器漏電流相關(guān)標準

由于太陽電池板和地之間存在寄生電容，從而形成了共模電流通道[2]。漏電流本質(zhì)上是共模電流，過大時人接觸太陽電池板導(dǎo)電部分或者流過關(guān)聯(lián)的設(shè)施時會造成安全問題，國際電工委員會標準IEC62109-2對此有明確規(guī)定。美國標準UL1741-2010在IEC62109-1-2010所包含的標準上進行擴展，迄今為止在美國的光伏電站仍禁止使用非電氣隔離的逆變器進行設(shè)計，無變壓器隔離的光伏逆變器僅有極少量的公司獲取了美國認證；中國國家標準 GB/T 12113-2003參照了IEC60990:1999?？梢姽夥孀兤靼踩煽康剡\行需要逆變器本身的漏電流大小滿足標準。

2 無變壓器隔離光伏逆變器

無變壓器隔離光伏逆變器出現(xiàn)漏電流，漏電流是高效的一大障礙，高效拓撲主要解決漏電流問題[3-5]。圖1為未來幾年隔離型和無變壓器隔離光伏逆變器總裝機容量趨勢[1]。

圖1 兩種類型光伏逆變器安裝容量趨勢

單相無變壓器隔離的光伏逆變器漏電流問題主要從拓撲入手解決。該類逆變器拓撲主要從H橋、中點鉗位(NPC)兩類成熟變換器中派生和演變。無變壓拓撲結(jié)構(gòu)的主要問題是在輸入兩極對地的共模電壓，共模電壓波動激勵了光伏電池板的寄生電容產(chǎn)生漏電流[6-7]。解決問題的途徑是改變電路拓撲來強制改變續(xù)流電流的途徑使電池板和電網(wǎng)脫離，維持共模電壓。單相光伏逆變器共模電壓還與調(diào)制方式有關(guān)，單極性調(diào)制時有波動，但可以提高逆變器的效率[2，8]。在光伏逆變器拓撲研究方面以國外SMA、REFUsol、Power-one、Sunways、Conergy、Ingeteam等光伏逆變器生產(chǎn)廠商為主。

2.1 H橋派生——直流旁路

一種典型解決漏電流問題的拓撲是在直流處旁路，如圖2所示的典型H5拓撲，S5在電網(wǎng)續(xù)流階段斷開光伏逆變器，續(xù)流時分別開通S3、S4，該拓撲只比常見的全橋逆變器多了一個功率開關(guān)，但是避免了直流側(cè)和交流側(cè)的無功交換，S3、S4按工頻開關(guān)，減少了開關(guān)損耗，提高了效率[2，9]。

圖2 直流旁路拓撲

2.2 H橋派生——交流旁路

另外一種典型解決漏電流問題的拓撲如圖3所示，圖3(a)中S3、S4按工頻開關(guān)，在續(xù)流階段將交流旁路，這可以在續(xù)流階段減少開通的功率開關(guān)，減少損耗，圖3(b)中拓撲利用兩個反并聯(lián)的功率開關(guān)管形成交流旁路，導(dǎo)通損耗比HERIC拓撲S5、S6要低[2]。

圖3 交流旁路拓撲

HERIC改進型的交流旁路方式有不少其它拓撲。H6拓撲增加了一個功率開關(guān)管，增加了控制自由度和電流通過的途徑，因而衍生出了很多的變形拓撲，相關(guān)研究基本成熟，有不少的公司和大學(xué)研究發(fā)表該類文獻或者申請了該類專利[10-14]。H橋拓撲光伏逆變器高效的基本原理是強制獲取零電壓狀態(tài)，增加了一個電平，降低器件的承壓，減少損耗，提高了效率。

2.3 NPC拓撲及其派生

NPC拓撲是一種應(yīng)用廣泛成熟的拓撲。NPC型拓撲有效率高，漏電流和電磁干擾(EMI)小等優(yōu)點，零電平狀態(tài)時，光伏電池板鉗位于直流側(cè)接地中點，實際漏電流為零，而且功率開關(guān)管數(shù)量與全橋一樣，是一種較理想的拓撲[2]。如圖4所示，該型拓撲是三電平拓撲。Conergy公司專利拓撲也稱為層疊式拓撲。

圖4 NPC拓撲

二極管鉗位NPC內(nèi)外開關(guān)損耗不均衡，若增加開關(guān)S5、S6進行層疊式中點鉗位拓撲(SNPC)，如圖4(b)虛框①所示；若將鉗位二極管D1、D2更換為功率開關(guān)管S7、S8變成有源鉗位拓撲(ANPC)，如圖4(b)虛框②所示，將虛框①、②中的部分都加上，去掉二極管D1、D2變成層疊式有源鉗位拓撲(ASNPC)。上述改進型的NPC能夠改善系統(tǒng)損耗不均衡性，提高系統(tǒng)容量和開關(guān)頻率。如圖4(c)所示，Conergy公司改進的NPC拓撲相比二極管鉗位NPC，優(yōu)點是開關(guān)損耗均衡，有利于散熱設(shè)計，工作時功率開關(guān)管損耗低，是一種比較成功的拓撲。ANPC設(shè)計能夠靈活分配功率損耗，但成本最高，效率最低，控制難度大[2，15-16]。NPC類拓撲在光伏逆變器上成功應(yīng)用，容量分布范圍大，效率高且單相三相都適用，是成功的拓撲。

3 采用多電平拓撲的光伏逆變器

某些多電平拓撲具有內(nèi)置的冗余設(shè)計，一定程度上增加了光伏逆變器的可靠性[17-20]，圖3(b)中REFUsol的五電平拓撲在光伏逆變器上就有很好的應(yīng)用，NPC拓撲、有源鉗位NPC拓撲都較容易擴展成多電平，很多新型拓撲源自于一些基本拓撲。如圖5(a)～5(c)所示多電平拓撲分別是NPC、飛跨電容型(FC)和模塊化(MMC)拓撲。三種多電平拓撲中NPC型效率高，需要電容少；飛跨電容型效率低；模塊化拓撲效率最高，但需要額外的電容[20]。目前多電平技術(shù)產(chǎn)業(yè)化四電平、五電平比較成功。其中Power-One公司的四電平光伏逆變器，REFUsol公司的五電平光伏逆變器，性能有一定優(yōu)勢，在市場上占有一定的份額[8]。

國外有不少公司和研究機構(gòu)研究多電平拓撲。圖5(d)所示為Power-One公司申請的多電平專利拓撲[21]。圖5(e)左圖所示為印度Nandamuru大學(xué)提出的一種可拓展多電平拓撲，該型拓撲相比于H橋多電平拓撲能夠以較少的功率開關(guān)器件獲取同樣的電平數(shù)，右圖是一個層疊式的多電平專利拓撲[22]。國內(nèi)的公司陽光電源[23]、華為；研究機構(gòu)如上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、燕山大學(xué)等在多電平拓撲上有大量的研究成果。

圖5 多電平拓撲

4 應(yīng)用高效功率器件的光伏逆變器

4.1 功率器件組合與功率模塊集成

IGBT與MOSFET性能在開關(guān)速度、導(dǎo)通損耗、容量上有較大差異，有些方面形成互補，可以將IGBT和MOSFET并聯(lián)，如圖6(a)所示，該型拓撲IGBT和MOSFET可采用多種方式驅(qū)動，采用該技術(shù)的光伏逆變器在整個功率段內(nèi)幾乎獲得最高的恒定效率[24]。圖6(d)為SMA專利拓撲，上下臂功率開關(guān)采用不同的調(diào)制方式，工頻采用IGBT，高頻采用MOSFET，右圖中上橋臂IGBT工作在工頻條件下，不需要進行濾波，可以進一步減少輸出濾波電路損耗[24]。這些功率開關(guān)器件組合方式可以在一定程度上提高光伏逆變器的效率。圖6(b)是一種IBGT與MOSFET組合集成的模塊。

4.2 高效材料制作的功率器件

新型半導(dǎo)體材料如SiC、GaN等制作的功率器件具有禁帶寬、耐壓高、通態(tài)電阻低、開關(guān)速度高、電流密度高、耐高溫等優(yōu)點，這些是硅、鍺等材料制作的功率器件不具有的特性，這決定了新型半導(dǎo)體功率器件在高可靠性、高頻率、高效率的應(yīng)用場合極具潛力[25]。圖6(c)用SiC材料的快速恢復(fù)二極管(SiC FRD)取代普通的快速恢復(fù)二極管，能夠顯著提高光伏逆變器的效率，一些轉(zhuǎn)換效率高達99%的光伏逆變器正是應(yīng)用這些新型功率器件的典范[24]，圖6(d)中右圖新型拓撲采用SiC快速恢復(fù)二極管續(xù)流。隨著材料科學(xué)、功率器件研究與制作工藝水平的進步，將來更高效的材料與器件會不斷出現(xiàn)并應(yīng)用到產(chǎn)品中，這也解決了效率的終極方向。

圖6 高效功率器件拓撲

5 先進調(diào)制算法與策略的應(yīng)用

光伏逆變器的調(diào)制算法一直是研究熱點，關(guān)系到光伏逆變器輸出電能質(zhì)量、共模電壓抑制、轉(zhuǎn)換效率等多個方面[2，6，8，26]。由于太陽電池板非線性的電氣特性、個體差異以及太陽能本身受氣候影響的不穩(wěn)定性，光伏逆變器運行需要采用高效可靠的最大功率跟蹤(MPPT)算法[26]，及時將太陽能直流電抽取逆變成交流電，因此需要研究能夠兼顧到各個太陽電池板的MPPT算法；大量的光伏逆變器并網(wǎng)發(fā)電涉及到多個方面，因此需要改進的控制算法或加入群控技術(shù)提高光伏逆變器性能，提高轉(zhuǎn)換效率。

6 結(jié)語及展望

高效光伏逆變器依賴于先進的電路設(shè)計理論、高效的功率器件以及與之密切相關(guān)的各種拓撲。高效光伏逆變器需要安全可靠地運行，需要先進調(diào)制算法和控制策略來保證。高效的器件取決于當(dāng)前制作功率開關(guān)器件的材料和工藝及市場。下一代光伏逆變器對效率的追求更高、價格更低，而且必須具有安全可靠、大容量、高電壓、多功能、模塊化、對電網(wǎng)的適應(yīng)能力更強等優(yōu)點，因此需要對光伏逆變器的相關(guān)技術(shù)進行持續(xù)的研究。

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Review of high efficiency photovoltaic inverter

The leakage current standard of photovoltaic inverter was introduced. Several typical topologies of transformerless PV inverters and their operation principle with advantages and disadvantages were analyzed.The application and its contribution to efficiency of multilevel topology in the PV inverter were explained.The application of high efficiency power devices in PV inverter was summarized. The necessity of the application modulation and control algorithm was described.The trend of next generation PV inverters was forecasted.

photovoltaic inverter;leakage current;topology;high efficiency power devices;modulation&control

TM 615

A

1002-087 X(2016)04-0931-04

2015-09-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(51277051)

張興(1963—),男，安徽省人，教授，主要研究方向為電力電子技術(shù)應(yīng)用，光伏發(fā)電，新能源及其利用。