光伏并網系統逆變器拓撲結構的研究綜述

李耀曦

摘 要：針對逆變器在光伏并網系統存在需提高效率和降低成本的問題，本文對光伏逆變器拓撲結構進行了介紹。分析了兩種換向逆變器的結構特征，歸納了不同光伏逆變器的優缺點。同時展望了光伏逆變器的未來，為未來光伏逆變器的發展提供幫助。

關鍵詞：光伏系統；光伏逆變器；拓撲結構；無變壓器逆變器

可再生能源越來越被認為是滿足當前和未來能源需求的必要條件。太陽能由于其清潔和無限的特點，被作為可再生能源中最好的選擇。為了更好地利用太陽能，學者們將太陽能通過光伏電池模塊轉換為電能，并對電網和直流負載進行供電。但是光伏發電系統中光伏組件的成本制約了光伏發電的發展，通常組件成本占系統總成本的30%到50%之間，因此研究低成本的組件成為了關注的問題。

在光伏并網系統中，光伏模塊的直流電源需要轉換為具有合適電壓幅度，頻率和相位的交流電源，以連接到公用電網。在這種情況下，需要一種稱為逆變器的DC-AC轉換器。因此，逆變器是光伏組件中最重要的組件，其成本的變化在計算光伏并網系統的總成本時，顯得越來越突出。

本文介紹了線路換向逆變器和自動換向逆變器，如圖2和圖3所示。線路換向逆變器，原理是電流的換向（從直流到交流的轉換）由電力線控制，當電網出現故障，光伏并網系統就不能向電力線供電。在換向的過程中，需要使用功率開關設備，如換向晶閘管。器件的導通的是由器件的柵極端子控制的，而關斷是由設備的附加電路來控制執行的。自換向逆變器，原理是電流的換向是從一個開關裝置轉換到另一個開關裝置。在換向過程中，同樣需要用到功率開關設備，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。MOSFET通常用于功率低于10 kW和頻率在20～800kHz的轉換操作中，IGBT通常用于功率超過100 kW，但是頻率限制在20 kHz以內，不能作為高頻開關使用。其器件的導通與關斷都是有柵極端子處的點位進行控制。

自換相逆變器在輸出端使用脈沖寬度調制（PWM）開關技術產生AC波形。主要優勢在于其既可以控制逆變器的電壓輸出波形和電流輸出波形，也可以調節或校正功率因數并抑制輸出電流波形中的諧波，對電網具有很高的抗擾動的能力。

根據自換向逆變器直流輸入側是電壓源還是電流源，其可分電壓型逆變器（Voltage Source Inverter，VSI）或電流型逆變器（Current Source Inverter，CSI）。

在電壓型逆變器中，輸入側是直流電壓源，輸入電壓保持同極性，通過逆變器的潮流方向由輸入端直流的直流電壓源的極性決定，在輸出側，可以獲得恒定幅度和可變寬度的交流電壓波形。為了限制從逆變器到電網的電流產生的諧波，在電壓型逆變器中會串聯電感，而在輸入直流端并聯大電容。VSI的特點是：1）輸入時阻抗很小的直流電壓源2）輸入電壓保持恒定，在其直流輸入側端子盒電容器并聯連接，且電容是小型、廉價，高效的能量存儲器3）輸出電壓的幅值不依賴負載，而輸出電流的波形和幅度受負載阻抗的影響。

在電流型逆變器中，輸入側是直流電流源，輸入電流保持同極性，因此通過逆變器的潮流方向由輸入電壓的極性決定，在輸出側，可以獲得恒定幅度和可變寬度的交流電流波形。電流型逆變器的輸入直流側通常與相對大的電感串聯連接，用于保持電流連續性。電壓型逆變器可以在電壓控制模式和電流控制模式下運行，而具有電流控制模式的電壓型逆變器更適用于光伏并網系統。CSI的特點1）輸入是具有高阻抗的直流電壓源產生的可變電流2）輸入電流恒定但可調節。CSI的輸入直流側與電感器串聯連接，但是電感器體積大，價格昂貴且損耗大3）輸出電流的幅度不依賴于負載。而輸出電壓的波形和幅度受負載阻抗的影響。

對于電壓型逆變器，根據控制方式的不同，可分為電壓控制模式和電流控制模式。兩種模式都是自整流電壓源逆變器，但是前者是交流電壓控制，并且短路故障電流很高，而后者是交流電流控制，短路故障電流很低，小于額定電流。當光伏并網系統沒有連接到電網時，需采用電壓控制模式，當連接到電網時，兩種模式都能用應用。在光伏并網系統中，使用較為廣泛的模式是電流控制模式，因為這種模式下，不僅可以通過其簡單的電路獲得高功率因數，而且還能再電網發生擾動是抑制瞬態電流。

成本和效率是光伏并網逆變器技術在公用事業中能夠廣泛應用的需要考慮重要問題。因此通過對逆變器的結構研究來降低成本，提高效率是目前的主要研究方向。

參考文獻：

[1]張佳祺，秦嶺，王亞芳，等.獨立光伏逆變器研究進展[J].電源技術，2016（7）：1532-1535.

[2]林志鴻，李少綱.光伏逆變器的研究現狀綜述[J].電氣開關， 2017，55（5）：10-13.