簡述光伏并網系統核心--光伏逆變器

吳瀚

摘 要：光伏逆變器是光伏發電并網系統中十分關鍵的一環，它的性能關系到整個光伏發電系統的正常運轉與效率。本文借助光伏逆變器的拓撲結構分類，對運用廣泛的光伏逆變器進行闡述。文章分析介紹各種光伏逆變器的優、缺點，并對光伏逆變器的發展趨勢做出展望。

關鍵詞：光伏逆變器;拓撲結構;發展趨勢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.159

1 引言

能源一直是整個社會高度關注的話題。在當今世界，能源是一切生產勞動必不可少的基礎。目前使用最為廣泛的能源主要是煤炭、石油等傳統的化石能源，但由于其大量使用所引起的環境惡化、資源銳減等問題，人們對綠色能源的期望越來越高，迫切尋求新型清潔能源來代替。能源參與生產最主要的形式為電能，因此，可再生清潔能源發電技術是人們所期望的。以太陽能發電為基礎的光伏發電系統，具有系統安全、無污染、可靠性高等諸多優點，受到人們的關注。光伏并網發電是目前主要的光伏發電形式，光伏逆變器作為核心部件，其性能直接影響光伏發電系統的運行。

2 光伏逆變器分類

2.1 光伏逆變系統基本結構

光伏逆變系統的基本結構包括：DC/AC逆變器、控制器、變壓器、檢測單元和DC/DC轉換電路等。光伏逆變器的功能是將光伏組件等產生的直流電變換成交流電，其核心便是逆變電力電子開關電路，即逆變器。不同功率場合下對主開關器件的選用也不同：功率較大時使用三相IGBT功率模塊;功率較小時則使用場效應晶體管。電力電子開關器件（MOSFET、IGBT等）的通斷需要一定的驅動脈沖來控制，因此控制器通過產生和調節脈沖來對逆變器進行輸出控制，使光伏逆變器輸出滿足并網需求。

2.2 光伏逆變器分類

由逆變系統的基本結構可知，對于逆變器的劃分，可以從不同的方向來進行。依據逆變器主電路的形式，可分為單端式逆變器、推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器;依據是否有變壓器，可分為隔離型逆變器和非隔離型逆變器;依據逆變器主開關器件類型的不同，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場效應管逆變器和絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）逆變器;依據逆變控制方式，可分為調頻式（PFM）逆變器和調脈寬式（PWM）逆變器。本文根據直流側光伏組件的不同（功率不同），將光伏逆變器劃分為集中式逆變器、組串式逆變器和組件式逆變器，對每種逆變器進行介紹和分析。

3 光伏逆變器的拓撲結構

3.1 集中式逆變器

集中逆變技術本質上是眾多的光伏組件分組串聯成光伏組串，由光伏組串再進行并聯形成光伏陣列，經過匯流箱匯流后，將能量輸入到一臺集中式逆變器的直流側。控制器一般由DSP等性能優越的信號處理器組成，采用SVPWM調制算法，通過采集交流輸出端的信號來輸出相應的驅動脈沖，使逆變器的輸出更加接近于電網的要求。

在眾多的集中式逆變器中，三相二電平逆變拓撲結構是應用最為廣泛的。該結構主要是由直流側支撐電容、三相逆變主電路和交流測濾波電路組成。直流側支撐電容的主要功能是穩定由光伏陣列輸出的直流電壓，一般選用薄膜電容作為支撐電容。與平時使用的電解電容相比，薄膜電容的介電常數更高，且能量密度更大，能更好地起到穩定電壓的作用。三相逆變主電路主要采用IGBT作為開關管進行控制，將輸入的直流電逆變成交流電，并在此過程中實現最大功率點跟蹤（MTTP）和防孤島等功能，使逆變效率最大化。但逆變電路并不能將直流電完美地轉化成正弦工頻電，其中含有各種次數的諧波。因此，需在交流測選用LCL濾波電路對交流電濾波。相比于LC濾波和L濾波，LCL濾波電路對高次諧波的抑制能力更強，與此同時其所需電感值較小，有利于電路的設計。最后，為了滿足不同電壓等級的需求，將濾波后的交流電通過變壓器接入電網。

3.2 組串式逆變器

幾塊或十幾塊光伏組件串聯成光伏組串，若干個光伏組串連接到對應逆變器的直流側，這就是組串式逆變器的輸入側的結構。組串式逆變器相對于集中式逆變器而言，是一種小能量的逆變，分散的逆變。組串式逆變器完成各自對應輸入能量的逆變，再將能量匯聚傳輸給電網。

組串式逆變器一般采用兩級單相拓撲結構。該結構一般由DC/DC升壓電路、三相逆變主電路、濾波電路和支撐電容等組成。第一級主要是DC/DC升壓電路，通常采用boost升壓電路結構，作用是對光伏組串的輸出電壓進行控制，使電壓等級符合并網的要求。若光伏組串的輸出電壓已滿足電網要求，則DC/DC升壓電路可以省略。與此同時，還可以控制光伏組串的MPPT，提高逆變的效率。第二級主要是逆變與濾波電路，完成直流向交流的轉變。如果沒有了第一級的DC/DC升壓，那么就需要像集中式逆變器一樣，在逆變電路中加入MPPT，使整個逆變過程效率最大化。

3.3 組件式逆變器

組件式逆變器中最為典型的是微型逆變器。微型逆變器的直流側只連接了一個光伏組件，因此，微型逆變器對每一個單獨的光伏組件進行升壓、逆變和濾波等操作。

微型逆變器拓撲結構有很多種，可大體上分為單極式和雙極式逆變器。目前，一般選用單極式中交錯反激式微型逆變器，其電路簡單，成本低，效率高，有利于家庭光伏發電的推廣。交錯反激式逆變拓撲結構主要由雙路反激變換器、工頻極性反轉橋和濾波電路等組成。雙路反激變換器并聯在光伏組件的輸出側，對其輸出電壓進行控制，并實現MPPT功能。雙路反激變換器并聯還能夠提高功率等級，減小電流紋波，改善電能質量。工頻極性反轉橋起到了逆變的功能，經濾波電路后與電網相連。

4 光伏逆變器特點、展望

4.1 集中式逆變器

集中式逆變器獲得眾多大型光伏電站設計者的青睞，一定有其可取之處。第一，控制技術較為成熟，可靠性高，轉化效率可達98%以上;第二，集成度高，功率密度大，成本較為低廉;第三，有較為完善的保護功能，提高光伏電站的安全性;第四，回饋電網的交流電功率因數穩定，諧波畸變率能夠限制在3%以下;第五，具有功率因數調節、防孤島、低電壓穿越等功能，電網調節性好;第六，諧波含量少，電能質量高。