光伏分布式發電中的逆變系統設計

孔德政

（山東石大勝華化工集團股份有限公司，257061）

1 光伏發電的現狀和發展

2013年的國內外市場顯示，中國光伏產業目前正遭受歐美“雙反”與國內產能嚴重過剩的雙重考驗。人們不禁擔心，中國的光伏產業的春天是否已經一去不復返了。實際上，這僅僅是光伏產業的產能過剩，并不能因此看衰整個光伏產業。

2013年光伏需求將會同比增長7%，達31GW。中國將首次超過德國變成最大光伏市場。而亞洲也將變成需求最旺盛的大陸。中日印三國需求將占到全球需求的36%。2013年又將成為另外一個轉型之年，光伏業將適應后歐洲市場的疲軟。目前，光伏產業的總體趨勢在走下坡路，而其中電站開發環節的趨勢是上升的，2013年必將迎來光伏發電電站建設的一個春天。

當前我國政策鼓勵方向是分布式光伏發電。分布式光伏發電是指區別于集中式光伏發電的建設方法，一般建在用戶側，所生產電力主要自用。具有容量小、電壓等級低、接近負荷、對電網影響小等特點，可以應用在工業廠房、公共建筑以及居民屋頂上。分布式光伏發電充分利用了太陽能廣泛存在的特點，并且避免了集中建設的場地限制因素，具有建設靈活的特點。

2 光伏發電的基本原理

2.1 光伏發電的類別

光伏發電一般按照與電力系統的關系分類，可以分為獨立光伏發電和并網光伏發電。獨立光伏發電不與電力系統連接在一起，獨立于整個系統，發出的直流、交流電直接供給負載。而并網光伏發電則像發電站一樣，可以向電網輸送有功、無功的電能。

2.2 獨立光伏發電的基本原理

獨立光伏發電系統由太陽能電池陣列、蓄電池、逆變器組件、控制器和負載（直流負載和交流負載）組成。因為太陽能電池產生的電能為直流，但是由于光照強度實時變化，太陽能電池輸出的電壓也不穩定，這時也需要蓄電池來起到一個濾波的作用，將太陽能電池產生的電壓穩定在蓄電池的電壓值上，在另外一種意義上，用蓄電池也有儲能的作用，可以將過剩的電能儲存起來供在光照強度較低的時候使用。如果是直流負載就可以直接接在蓄電池上工作，如果是交流負載，那么需要經過逆變器的DC-AC變換，將直流電變成交流電，供給交流負載。

2.3 并網光伏發電的基本原理

獨立光伏發電系統由太陽能電池陣列、蓄電池、逆變器組件、控制器和負載組成。因為需要將光伏發出來的電回饋給電網，這就需要將直流電轉換為電網要求的220V、50HZ的交流電，并且在相同相位的情況下并網，像電網供電。

無論是獨立光伏發電系統還是并網光伏發電系統，逆變系統對于交流負載和并網發電都是必不可少的，接下來我們主要就光伏分布發電中的逆變系統的相關設計進行研究。

3 光伏發電逆變系統設計

3.1 光伏發電逆變系統的組成

光伏發電系統主要由太陽能電池、主回路、控制電路和負載組成。主回路主要包括DC/DC電路、DC/AC電路、濾波器組件。下面主要對于主回路部分的設計做介紹，其中包括主回路的拓撲結構進行分析，介紹一下全橋逆變電路的工作原理以及逆變器模塊的選型，以及相關保護的設計。

3.2 光伏發電逆變系統的拓撲結構

通常單相電壓型逆變器主要分為推挽式、半橋和全橋逆變電路三種。這三種方式根據其不同的特點應用于不同的場合。

推挽式逆變電路的電路結構比較簡單，如圖3-1 所示。其上電路只需要兩個晶閘管，基極驅動電路不需要隔離，驅動電路比較簡單，但是晶閘管需要承受2倍的線路峰值電壓，所以適合于低輸入電壓的場合應用。

同時變壓器存在偏磁現象，初級繞組有中心抽頭，流過的電流有效值和銅耗較大，初級繞阻兩部分應緊密藕合，繞制工藝復雜。因為推挽式逆變電路對于晶閘管的耐壓要求比較高，不適合作為光伏發電的逆變系統主回路。

圖3 -1 單相推挽式逆變電路

相比于推挽式逆變電路，單相半橋式逆變電路中所使用的晶閘管的耐壓要求就相對較低，不會有線電壓峰值2倍這么多，絕對不會超過線電壓峰值。其逆變出來的波形也相對推挽式比較接近于正弦波，所以濾波的要求也相對較低。由于晶閘管的飽和壓降減小到了最小，所以不是最重要的影響因素之一。但是由于半橋式逆變電路的結構決定，如圖3-2所示，其集電極電流在晶閘管導通時會增加一倍，使得在晶閘管選型的過程中，要考慮大電流、承受高壓的情況，就難免會因為其價格昂貴，所以不適合作為光伏發電的逆變系統主回路。

全橋式逆變電路就是介于推挽式和半橋式之間，兼顧其各自優點的一種逆變電路。其既有推挽式電路的電流性質，也有半橋式電路的電壓性質，其結構詳見圖3-3所示。全橋式電路可以使得晶閘管期間達到最大輸出功率，而且其逆變出來的波形更加接近于正弦波。所以，這次這次光伏發電的逆變系統主回路選用了全橋式逆變電路。

其中VT1-VT4為晶閘管，VD1-VD4為四個反向并聯的二極管。下面詳細介紹一下全橋逆變電路的工作原理。

圖3 -3 單相全橋式逆變電路

3.3 全橋逆變電路的工作原理

首先，VT1和VT4是一對同時開關的晶閘管，VT2和VT3是另外一對同時開關的晶閘管，VT1、VT4，VT2、VT3各受兩路控制電壓的控制。首先，VT2、VT3的控制電壓為負值，那么VT2、VT3關斷，處于截止狀態。VT1、VT4的的控制電壓為正值，那么VT1、VT4導通，電流流通路徑如圖3-4所示。如果忽略晶閘管自身的壓降，那么輸出電壓就等于Uout=EN2/N1。

然后，VT1、VT4關斷，四個功率開關都處于截止狀態。

圖3 -4 電流流通路徑

第三個時刻，VT1、VT4的控制電壓為負值，那么VT1、VT4關斷，處于截止狀態。VT2、VT3的的控制電壓為正值，那么VT2、VT3導通，電流流通路徑如圖3-5所示。如果忽略晶閘管自身的壓降，那么輸出電壓就等于Uout=-EN2/N1。

最后，VT2、VT3關斷，四個功率開關都處于截止狀態。

這就是一個周期內，晶閘管的開關變化情況。按照這種工作方式，則可以獲得交變的電壓。

圖3 -5電流流通路徑

3.4 逆變器的設計

逆變器組件的設計

根據某地的用戶載荷分析，用戶的用電載荷平均大概為3.2kW。根據某地全年品均月輻照強度5.4KWh/m2/天。總共需要的電池板方陣功率計算公式為：

Wl：負載的消耗功率

F：蓄電池放電效率的修正系數（通常取1.05)

Tm：峰值日照時數，其值與輻照強度的值基本相同，這里取3.6h

：方陣表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數，通常可取 0.9～0.95

：方陣組合損失和對最大功率點偏離以及控制器效率的修正系數，通常可取0.9～0.95

L：蓄電池的維修保養率（通常取0.8)

Ka ：包括逆變器等交流回路的損失率（通常取0.7，如逆變器效率高可取0.8)

本方案選用230W的單晶硅電池板，則總共需要8塊，總功率為1.84Kw 。

由于當地的用電電壓為22OV，所以選擇輸出電壓為22OV的離網逆變器，經過用戶用電器統計可知，用戶的最大功率約為716W,考慮到用戶負載中有感性負載，在啟動過程時有較大的沖擊電流，同時考慮系統的臨時增加負載的情況，所以逆變器功率應相對選擇較大的。在逆變系統中要求系統響應快，可靠性高，保護功能強等。本次設計的逆變電路中蓄電池通過DC/DC變換最大提供給逆變器400V的直流電壓，所以單個晶閘管所承受的最大耐壓也為400V，考慮到電壓波動和留一定的余量的關系，最終將晶閘管的最大耐壓設定在150%的輸入最大輸入電壓，那就是600V。

逆變器的額定輸出功率為3kW，輸出電流的峰值為18A，隔離變壓器的變壓比為1：1。考慮到留有一定的余量，每個晶閘管的耐流值設定在30A。然后我們就可以進行選型了。

最后，選擇了PM200CLA060型號的三菱公司出品的IPM模塊，其耐壓600V，耐流200A，符合我這次設計的光伏發電逆變系統對于模塊的要求。

3.5 逆變器支流側電容的設計

對于分布式光伏發電系統，其直流側需要增加電容保證直流側電壓穩定，不出現電壓突變。那么需要設計出符合以下公式要求的電容。

其中P為太陽能電池的輸出功率，按照此項目每塊太陽能電池的輸出功率80W±3%計算，那么40塊太陽能電池組成的陣列，其輸出功率可達3.2KW。

f為電網的頻率，取50Hz。

K為波紋系數，取0.1。

U為直流母線電壓，取400V。

所以，我們只要選用大于1273.89的電容即可，我選用2200。由于考慮到直流側電壓為400V，那么選擇500V/2200的電解電容。

3.6 交流輸出濾波電路設計

由單相全橋逆變電路逆變出來的電壓不是標準的正弦波，而是直流斬波電壓。如下圖所示。

為了使得輸出的波形更加接近正弦波，以保證負載和電網獲得高質量的電能，濾波電路是影響波形輸出的一個重要環節。在濾波電路的設計中最重要的就是電感和電容的設計。

其中，由于逆變器的輸出為220V/3kVA，那么所以Poutmax=3kVA。Uout=220V。

設定逆變器效率為96%。波紋電流系數為17%。

那么而電容的設計如下：

其中K為諧振頻率/基波頻率，設定為12.

f為基波頻率，就是50Hz。那么

所以根據設計數據，濾波電容選擇40，濾波電感選擇2mH。

圖3 -2 單相半橋式逆變電路

4 總結

光伏分布式發電在日常生活中越來越常見，其中在并網和交流負載的使用過程中，逆變器的設計至關重要，本文通過對于逆變器部分的結構和原理的分析，簡述了光伏發電中逆變器設計的總體思路。整個光伏發電系統的正常運行還依靠于各個部分，包括太陽能電池、蓄電池、濾波部分、控制部分、并網控制部分的配合。所以在實際的逆變器設計過程中，要充分考慮到其他部分的配合和影響。

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