30kW一體式微網光伏儲能逆變器拓撲運用研究

劉金滿

（廈門科華恒盛股份有限公司，廈門 361000）

光伏發電作為清潔能源得到廣泛的發展，特別是隨著能源危機的來臨、美國貿易制裁伊朗石油等問題，新能源發電越發顯得重要[1]。

但由于光伏發電的持續性、集中性等特性，發電量受到地理位置、時間、天氣等因素影響，無法滿足日益增長的生產、生活等用電需求，這種發電與用電的矛盾依靠目前的電網建設能力，已經無法滿足。

隨著光伏發電的逐步發展，以及智能電網的發展需求，微電網+儲能系統解決方案已經被證實是一個有效的解決方法。系統由光伏組件、儲能電池、儲能逆變器、控制系統等組成，具有儲能、放電、并網、離網等功能。

本文以30kW系統需求出發，對一體式微網光伏儲能逆變器的結構、拓撲進行分析對比，最終選擇一個質量、成本、可靠性等綜合優勢方案，作為其他微網光伏儲能逆變器借鑒。

1 微網光伏儲能系統組成與結構選擇

微網光伏儲能系統由光伏發電、儲能單元、儲能逆變器、用電負荷、配電、管理系統等組成。其中，儲能逆變器作為系統的關鍵組成部分，負責能量轉換與中間樞紐作用、并離網管理等控制。目前，市場上有較多的解決方案，以其中一個解決方案為例，系統原理圖如圖1所示。

圖1 微網儲能系統組成

儲能逆變器，由于需要一體式結構，必須將光伏控制、電池充電、電池放電、并離網逆等功能作為一個整體設計，所以采用常見的共直流母線方式，如圖2所示。在此結構中，儲能逆變器具有基本的控制功能，滿足常見工作方式中的自動控制要求。由于是一體式結構，所以在本文中該儲能逆變器稱為微網光伏儲能逆變器[2]。

其中，直流母線作為光伏輸入、電池充放電、整流/逆變的中間橋梁，維持整個電源系統的穩定、可靠運行的關鍵。直流母線的結構，決定了系統電路拓撲選擇范圍，影響可靠性、效率、控制難易程度。

圖2 共直流母線方式系統圖

2 微網光伏儲能逆變器母線結構選擇

微網光伏儲能逆變器拓撲結構中，主要為直流母線結構與功率變換結構。直流母線決定了前后級功率變換結構。

直流母線是逆變器系統的中間樞紐，連接前后級之間的關鍵位置，結構的選擇決定前后級電路拓撲的選擇。母線電壓可以采用單母線電壓或正負母線電壓，各有其特點與優勢。

圖3 單母線電壓與正負母線電壓結構圖

由于輸出交流電220V峰峰值電壓±310V，需要直流母線電壓310×2/0.9=730V，若采用單母線，則通常采用380V左右且需要升壓裝置；若采用正負母線，則母線電壓為±365V，通過高頻逆變與濾波，可以直接輸出220V交流電。兩者對比如表1所示。

表1 單母線與正負母線電壓優劣勢對比

從以上對比可以看出，兩者各有優劣勢；由于兩者控制相對整體系統的復雜度不高，且考慮整體效率需求，選擇正負母線結構方式。

3 微網光伏儲能逆變器常見拓撲結構

微網光伏儲能逆變器具有多個端口，各個端口均通過變換器接入，包括由光伏DC/DC變換器、電池雙向DC/DC變換器、雙向并離網DC/AC逆變器，這些變換器的選擇關系到系統的控制難度、成本、可靠性等指標，決定了整機的關鍵指標參數。下面就這些分別進行介紹，并分析其優劣勢。

3.1 光伏DC/DC變換器

光伏變換部分的功率拓撲一般可采用單級直掛拓撲（見圖4）、雙級單Boost拓撲（見圖5）、雙級雙Boost拓撲（見圖6）三種結構。

單級直掛拓撲無需功率變換，光伏電壓直接輸出到逆變器，需要配合隔離變壓器使用，拓撲具有結構簡單的優點，但也具有體積大、重量大的缺點，這種拓撲主要應用于早期的集中式光伏逆變器，其MPPT功能需要依靠逆變器實現[3]。

圖4 光伏單級直掛拓撲圖

雙級單Boost拓撲采用較低的光伏電壓，經過Boost變換器升壓到直流母線，供給逆變器使用，拓撲具有結構簡單、逆變效率高、MPPT功能的優點，但這種拓撲適用單母線結構，功率較小，不適用于三相電，一般用于單相儲能逆變器[4]。

圖5 雙級單Boost拓撲圖

雙級雙Boost拓撲采用較高的光伏電壓，經過雙Boost變換器升壓到直流母線，供給逆變器使用，拓撲具有功率大、對地漏電流小、逆變效率高、具有MPPT功能的優點，但這種拓撲相對較復雜，適合應用于三相儲能逆變器。

3.2 電池雙向DC/DC變換器

電池變換部分的功率拓撲一般可采用電池升壓+充電器、雙向DCDC拓撲兩種結構，如圖7所示。

電池升壓+充電器方式是將電池升壓部分與充電部分分別設計的方式實現電池的雙向變換，這種方式可以針對電池升壓、電池充電分別進行指標優化，最終達到性能最優。但是，這種拓撲也具有結構復雜、體積大、重量大的缺點，一般適用于放電功率遠大于充電功率的場合。

圖6 雙級雙Boost拓撲圖

圖7 電池升壓+充電器與雙向DCDC結構圖

雙向DCDC具有電池放電、充電功能，分別工作于升壓或降壓方式，且電池放電與充電功率相當，即雙向Buck-Boost拓撲結構，如圖8所示。

雙向Buck-Boost拓撲是利用拓撲的四象限運行的特點，采用一套拓撲電路實現電池充電和放電的功能，具有結構簡單、體積小、重量輕的特點。同時，由于充電與放電采用的是同一套功率器件，比較適合應用于充電功率與放電功率相差不大的場合。由于需要兼顧充電與放電兩方面的性能，所以，整體指標略差于獨立設計的方案[5]。

圖8 電池雙向Buck-Boost拓撲圖

3.3 雙向并離網DC/AC逆變器

雙向并離網逆變器的功率拓撲一般可采用半橋拓撲（見圖9）、I型三電平拓撲（見圖10）、T型三電平拓撲（見圖11）三種結構。

半橋拓撲是最經典的逆變器拓撲，具有結構簡單、控制可靠的優點，但同時也具有轉換效率低、體積重量大的缺點。半橋逆變器輸出失真度較難處理，對于高質量要求的電源場合不適合[6-7]。

圖9 半橋逆變器拓撲圖

I型三電平拓撲是最早的三電平逆變器拓撲，它采用多只開關管組合開關的方式將直流母線斬波為“+”“0”“-”三個電平，從而降低了開關管的損耗，降低了濾波器的尺寸，最終達到了提升逆變器效率、降低逆變器體積重量的目的。但由于I型三電平器件多，時序復雜，控制難度較大。所以，I型三電平拓撲運用不夠廣泛[8]。

圖10 I型三電平逆變器拓撲圖

T型三電平拓撲是另一種三電平逆變器拓撲，其工作原理與I型三電平拓撲相似，性能與優點與相近。但由于T型三電平的器件組合結構不同，器件耐壓較高，不需要I型三電平嚴格的時序要求，控制難度大大降低，可靠性也更高[9-10]。

4 微網光伏儲能雙向逆變器拓撲選型

各種拓撲結構有其優劣勢以及適用場合。沒有最好的拓撲，只有最合適的拓撲，結合實際需求30kW一體式結構需求，進行綜合分析與選擇。對三類拓撲分析與總結，對比結果如表2、表3、表4所示。

圖11 T型三電平逆變器拓撲圖

表2 光伏DC/DC變換器拓撲結構對比

表3 電池雙向DC/DC變換器拓撲結構對比

表4 雙向并離網DC/AC逆變器拓撲結構對比

從以上優劣勢對比分析，可以看出30kW一體化微網光伏儲能逆變器的關鍵拓撲結構選擇，最合適的如表5所示。

表5 微網光伏儲能逆變器拓撲選擇

5 結語

隨著儲能應用的快速發展，市場上出現了大量的各種各樣的應用，不同功率、不同環境、不同需求，產生出各種解決方案，特別是儲能逆變器的拓撲結構多樣化發展讓選擇眼花繚亂。本文針對需求出發，查找目前市場上各種拓撲結構，綜合分析其優劣勢，以及適用環境與范圍，最終選用一整套最適用的解決方案，可以作為其他應用產品與方案的借鑒。