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(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009；2.陽(yáng)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(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009；2.陽(yáng)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(biāo)準(zhǔn)，分析了無(wú)變壓器隔離的光伏逆變器的幾種典型拓?fù)洹⒐ぷ髟砼c優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了多電平拓?fù)湓诠夥孀兤魃系膽?yīng)用及其對(duì)提高效率的貢獻(xiàn)，總結(jié)了高效功率器件在光伏逆變器上的應(yīng)用，說(shuō)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(shì)。

光伏逆變器；漏電流；拓?fù)洌桓咝Чβ势骷徽{(diào)制與控制

光伏發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅速，但技術(shù)進(jìn)步和成本下降的壓力都很大。電力行業(yè)研究機(jī)構(gòu)IMS Research關(guān)于光伏逆變器產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告介紹：全球光伏逆變器總裝機(jī)容量到2020年達(dá)到92 GW，但是光伏逆變器的世界平均價(jià)格到2020年降至0.09 $/W[1]。光伏逆變器成本在整個(gè)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(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能。無(wú)變壓器非隔離的光伏逆變器拓?fù)涞某霈F(xiàn)彌補(bǔ)了變壓器隔離的光伏逆變器的效率和成本問(wèn)題，但帶來(lái)一定的安全問(wèn)題[2]。

光伏逆變器行業(yè)公司，國(guó)外的如SMA、Power-One、Sunways、REFUsol、Ingeteam、Conergy、Steca，國(guó)內(nèi)的如陽(yáng)光電源、華為、科士達(dá)等公司和一些大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)不斷研發(fā)促使新的拓?fù)浼跋嚓P(guān)算法不斷出現(xiàn)；功率器件研發(fā)公司如德國(guó)Vincotech、Infineon不斷推出新的功率器件、模塊來(lái)提高光伏逆變器的效率，本文介紹光伏逆變器并網(wǎng)運(yùn)行漏電流相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)，分析光伏逆變器高效拓?fù)浜凸β势骷矫嫜芯康默F(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，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(biāo)準(zhǔn)

由于太陽(yáng)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(guò)大時(shí)人接觸太陽(yáng)電池板導(dǎo)電部分或者流過(guò)關(guān)聯(lián)的設(shè)施時(shí)會(huì)造成安全問(wèn)題，國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC62109-2對(duì)此有明確規(guī)定。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)UL1741-2010在IEC62109-1-2010所包含的標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行擴(kuò)展，迄今為止在美國(guó)的光伏電站仍禁止使用非電氣隔離的逆變器進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)變壓器隔離的光伏逆變器僅有極少量的公司獲取了美國(guó)認(rèn)證；中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 12113-2003參照了IEC60990:1999。可見光伏逆變器安全可靠地運(yùn)行需要逆變器本身的漏電流大小滿足標(biāo)準(zhǔn)。

2 無(wú)變壓器隔離光伏逆變器

無(wú)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?fù)渲饕鉀Q漏電流問(wèn)題[3-5]。圖1為未來(lái)幾年隔離型和無(wú)變壓器隔離光伏逆變器總裝機(jī)容量趨勢(shì)[1]。

圖1 兩種類型光伏逆變器安裝容量趨勢(shì)

單相無(wú)變壓器隔離的光伏逆變器漏電流問(wèn)題主要從拓?fù)淙胧纸鉀Q。該類逆變器拓?fù)渲饕獜腍橋、中點(diǎn)鉗位(NPC)兩類成熟變換器中派生和演變。無(wú)變壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題是在輸入兩極對(duì)地的共模電壓，共模電壓波動(dòng)激勵(lì)了光伏電池板的寄生電容產(chǎn)生漏電流[6-7]。解決問(wèn)題的途徑是改變電路拓?fù)鋪?lái)強(qiáng)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(shí)有波動(dòng)，但可以提高逆變器的效率[2，8]。在光伏逆變器拓?fù)溲芯糠矫嬉試?guó)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(wèn)題的拓?fù)涫窃谥绷魈幣月罚鐖D2所示的典型H5拓?fù)洌琒5在電網(wǎng)續(xù)流階段斷開光伏逆變器，續(xù)流時(shí)分別開通S3、S4，該拓?fù)渲槐瘸Ｒ姷娜珮蚰孀兤鞫嗔艘粋€(gè)功率開關(guān)，但是避免了直流側(cè)和交流側(cè)的無(wú)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?fù)?/p>

2.2 H橋派生——交流旁路

另外一種典型解決漏電流問(wèn)題的拓?fù)淙鐖D3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?fù)淅脙蓚€(gè)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?fù)銼5、S6要低[2]。

圖3 交流旁路拓?fù)?/p>

HERIC改進(jìn)型的交流旁路方式有不少其它拓?fù)洹6拓?fù)湓黾恿艘粋€(gè)功率開關(guān)管，增加了控制自由度和電流通過(guò)的途徑，因而衍生出了很多的變形拓?fù)洌嚓P(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(xiàn)或者申請(qǐng)了該類專利[10-14]。H橋拓?fù)涔夥孀兤鞲咝У幕驹硎菑?qiáng)制獲取零電壓狀態(tài)，增加了一個(gè)電平，降低器件的承壓，減少損耗，提高了效率。

2.3 NPC拓?fù)浼捌渑缮?/p>

NPC拓?fù)涫且环N應(yīng)用廣泛成熟的拓?fù)洹PC型拓?fù)溆行矢撸╇娏骱碗姶鸥蓴_(EMI)小等優(yōu)點(diǎn)，零電平狀態(tài)時(shí)，光伏電池板鉗位于直流側(cè)接地中點(diǎn)，實(shí)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?fù)鋄2]。如圖4所示，該型拓?fù)涫侨娖酵負(fù)洹onergy公司專利拓?fù)湟卜Q為層疊式拓?fù)洹?/p>

圖4 NPC拓?fù)?/p>

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(jìn)行層疊式中點(diǎn)鉗位拓?fù)?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?fù)?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?fù)?ASNPC)。上述改進(jìn)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(jìn)的NPC拓?fù)湎啾榷O管鉗位NPC，優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)損耗均衡，有利于散熱設(shè)計(jì)，工作時(shí)功率開關(guān)管損耗低，是一種比較成功的拓?fù)洹NPC設(shè)計(jì)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?fù)湓诠夥孀兤魃铣晒?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?fù)洹?/p>

3 采用多電平拓?fù)涞墓夥孀兤?/h2>

某些多電平拓?fù)渚哂袃?nèi)置的冗余設(shè)計(jì)，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?fù)湓诠夥孀兤魃暇陀泻芎玫膽?yīng)用，NPC拓?fù)洹⒂性淬Q位NPC拓?fù)涠驾^容易擴(kuò)展成多電平，很多新型拓?fù)湓醋杂谝恍┗就負(fù)洹Ｈ鐖D5(a)～5(c)所示多電平拓?fù)浞謩e是NPC、飛跨電容型(FC)和模塊化(MMC)拓?fù)洹ＨN多電平拓?fù)渲蠳PC型效率高，需要電容少；飛跨電容型效率低；模塊化拓?fù)湫首罡撸枰~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(shì)，在市場(chǎng)上占有一定的份額[8]。

國(guó)外有不少公司和研究機(jī)構(gòu)研究多電平拓?fù)洹D5(d)所示為Power-One公司申請(qǐng)的多電平專利拓?fù)鋄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?fù)洌撔屯負(fù)湎啾扔贖橋多電平拓?fù)淠軌蛞暂^少的功率開關(guān)器件獲取同樣的電平數(shù)，右圖是一個(gè)層疊式的多電平專利拓?fù)鋄22]。國(guó)內(nèi)的公司陽(yáng)光電源[23]、華為；研究機(jī)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?fù)渖嫌写罅康难芯砍晒?/p>

圖5 多電平拓?fù)?/p>

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(bǔ)，可以將IGBT和MOSFET并聯(lián)，如圖6(a)所示，該型拓?fù)銲GBT和MOSFET可采用多種方式驅(qū)動(dòng)，采用該技術(shù)的光伏逆變器在整個(gè)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?fù)洌舷卤酃β书_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(jìn)行濾波，可以進(jìn)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(diǎn)，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(chǎng)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(dá)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?fù)洳捎肧iC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(jìn)步，將來(lái)更高效的材料與器件會(huì)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?fù)?/p>

5 先進(jìn)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(diǎn)，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(gè)方面[2，6，8，26]。由于太陽(yáng)電池板非線性的電氣特性、個(gè)體差異以及太陽(yáng)能本身受氣候影響的不穩(wěn)定性，光伏逆變器運(yùn)行需要采用高效可靠的最大功率跟蹤(MPPT)算法[26]，及時(shí)將太陽(yáng)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(gè)太陽(yáng)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(gè)方面，因此需要改進(jìn)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(yǔ)及展望

高效光伏逆變器依賴于先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)理論、高效的功率器件以及與之密切相關(guān)的各種拓?fù)洹８咝Ч夥孀兤餍枰踩煽康剡\(yùn)行，需要先進(jìn)調(diào)制算法和控制策略來(lái)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(chǎng)。下一代光伏逆變器對(duì)效率的追求更高、價(jià)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(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此需要對(duì)光伏逆變器的相關(guān)技術(shù)進(jìn)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51277051)

張興(1963—),男，安徽省人，教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)應(yīng)用，光伏發(fā)電，新能源及其利用。