光伏系統中逆變器拓撲形態分析

秦一偉 青海大學

當前社會環境中，生產生活都將電力能源作為重要的支持性能源對待，因此對于電力能源的需求，一直都處于上升狀態。這種需求層面的增加，要求電力能源的供給能夠保持同步的增加，并且實現穩定供給。而化石燃料本身的非可持續特征，決定著其本身在能源領域的淡出，以可持續發展為特征的核能和新能源，在未來會成為電力供給的重要來源。而在新能源體系之下，光伏發電相對而言發展歷史最為悠久，技術也比較成熟，成為當前大電網的重要參與成分。

大電網的核心在于將諸多電力能源實現并網，以分布式的思想建立起電力能源池，并且實現整個電網環境中的整體供給優化。隨著社會中各個方面對于電能需求的增加，如何實現多個電力能源的平穩并網，成為光伏系統所要面對的核心問題之一。尤其是負荷環境中大量非線性不平衡需求的存在，以及光伏發電框架之下，光能源本身的潮汐特征，都給平穩并網帶來挑戰。除此以外，考慮到光伏系統供電本身不穩定的特征，在并網環境之下，一旦發生電能供給異常，光伏系統應當能夠實現自身的隔離，展開孤島運行，避免給更大范圍的電網帶來負面影響。

針對此種狀況，諸多學者展開了對應的研究，并且對光伏發電的并網離網做出了嚴格限定，其中包括并網時諧波畸變率的含量，以及孤島情況下電壓的不平衡狀況等方面的具體衡量。就我國光伏發電的發展狀況而言，光伏電站的整體容量仍然有待進一步提升，并且在大電網環境中，光伏電站的比例也有較有限。可以說，應用的滯后為技術的發展贏得了一點時間，但是隨著技術和應用的日漸成熟，光伏發電對于大電網的影響也會逐步增加，二者的故障都會影響到對方的穩定運行，這種影響日漸增加，會達到隔離孤島運行也無法消除，最終造成電網電壓和頻率崩潰。而逆變器作為將直流電能轉換為交流電能的重要橋接組件，是實現并網，并且決定并網穩定性的重要環節。

實際應用中對逆變器的選用，需要從實際情況出發，合理對不同種類逆變器進行選擇，綜合其工作特征妥善安排。光伏逆變器具有多種分類方式，但是在當前應用領域中，以功率作為分類依據的方式，直接面向應用，因此有著較好的生命力。此種分類方式，將光伏逆變器劃分為集中式逆變器、組串式逆變器以及微型逆變器三種。

集中式逆變器主要應用于大型并網工作環境，其功率范圍為100-1000kW。此種逆變器應用于大型光伏電站，主要形式為多個電池板的分組串聯，而后再進行并聯，形成光伏陣列，最后利用匯流箱將光伏陣列與逆變器相連，實現并網。對于集中式逆變器而言，較高的集成度成為其突出特征，因此功率密度較大，輸出功率因數比較穩定，而成本則相對低廉。除此以外，集中的形態還能夠降低逆變器需要的元器件，提升系統整體可靠性，理想的情況下，此種系統的轉換效率可以提升到98%水平，并且諧波畸變率能夠控制在3%以下。集中式逆變器能夠較好地抵抗電網電壓所帶來的波動，因此對于實現電網穩定有著積極價值。但是其本身缺乏必要的榮譽能力，對于逆變器的依賴會成為此種系統的瓶頸問題。

對于組串式逆變器而言，通常應用于大中型分布式光伏電站，是當前我國光伏失事業的重要支持，尤其是對于農村光伏并網環境而言至關重要。多應用于3-50kW功率環境。此種逆變器的應用環境中，從本質上也表現為光伏陣列，但是規模要比集中逆變器的工作環境規模要小很多，通常串聯不過幾十塊電池板，并聯也不過幾塊至十幾塊居多。組串式逆變器可以實現多路MPPT跟蹤電路，保持每個光伏組串都工作在最大功率點上，可以有效減少因光伏組串間不匹配導致的發電損失。除此以外，此種逆變器結構相對簡單，在安裝和調試方面易于操作，有效實現了施工難度的控制。并且光伏組串能直接連接到逆變器，省去了匯流箱和直流柜，減少了直流回路線損，也提高了系統可靠性。但是組串式逆變器框架下元件較多，導致其設計和制造難度加大，可靠性也因此受到閑置。除此以外，由于組串式光伏發電系統經過濾波器后直接并入電網，沒有經過隔離變壓器環節，易形成共模漏電流，安全性偏低也成為一個問題。

最后，微型逆變器多用于200-500W功率環境之下，通常僅并聯一塊電池板，能夠實現單獨的轉換和MPPT跟蹤，適用于光照特征復雜的環境。微型逆變器能夠有效實現最大功率點保持的職能目標，對于提升小型系統的發電效率有著不容忽視的積極意義，并且其運維相對簡單，支持熱插拔，并且能夠面向發展環境友好，安裝和擴展都便于展開。除此以外，型逆變器多利用高頻變壓器進行升壓，這使其具有較高功率密度和轉換效率，還能實現光伏組件與網測電壓的電氣隔離，有效地解決了共模漏電流的問題。

逆變器的發展，隨著光伏事業的一同展開，在未來必然會成為支持光伏事業的重要力量。

[1]蹇芳,李志勇.光伏逆變器技術現狀與發展[J].大功率變流技術,2014(4)