太阳能逆变器开发思路和方案

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3.0 朝花夕拾 2023-09-02 102 99+ 15.62KB 6 页

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究进行了详细分析和阐述。从电网、光伏阵列以及用户对逆变器的要求出发，分析了各种不

同的逆变器拓扑结构与控制方法，比较其运行效率和控制效果。对于目前国内外光伏发电系

统中并网逆变器的研究现状、亟待解决的问题进行了阐述，指出光伏发电系统中并网逆变器

高效可靠运行的发展方向。

摘要：针对光伏并网发电系统中关键部件—— 逆变器的结构设计与控制方法研究进行了详

细分析和阐述。从电网、光伏阵列以及用户对逆变器的要求出发，分析了各种不同的逆变器

拓扑结构与控制方法，比较其运行效率和控制效果。对于目前国内外光伏发电系统中并网逆

变器的研究现状、亟

待解决的问题进行了阐述，指出光伏发电系统中并网逆变器高效可靠运行的发展方向。

关键词：光伏并网发电系统；逆变器；拓扑结构；最大功率点跟踪；孤岛效应

O 引言

由于传统能源的枯竭和人们对环境的重视，电力系统正面临着巨大变革，分布式发电将成为

未来电力系统的发展方向。其中，光伏发电以其独特的优点，被公认为技术含量高、最有发

展前途的技术之一

。但是光伏发电系统存在着初期投资大、成本较高等缺点，因而探索高性能、低造价的新型

光电转换材料与器件是其主要研究方向之一。另一方面，进一步减少光伏发电系统自身损耗、提

高运行效率，也是降低其发电成本的一个重要途径。逆变器效率的高低不仅影响其自身损耗，

还影响到光电转换器件以及系统其他设备的容量选择与合理配置。

因此，逆变器已成为影响光伏并网发电系统经济可靠运行的关键因素，研究其结构与控制方法

对于提高系统发电效率、降低成本具有极其重要的意义 [5] 。

本文从电网、光伏阵列以及用户对于并网逆变器的要求出发，分析了不同的逆变器拓扑结构

与控制方法，比较了其运行效率和控制效果。对于目前

国内外光伏发电系统中并网逆变器的研究现状、亟

待解决的技术问题进行了综合，进一步指出了光伏发电系统中并网逆变器高效可靠运行的发展

方向。

1 光伏发电系统对逆变器的要求

光伏并网发电系统一般由光伏阵列、逆变器和

控制器 3 部分组成。逆变器是连接光伏阵列和电网的关键部件，它完成控制光伏阵列最大

功率点运行

和向电网注入正弦电流两大主要任务。

1 ． 1 电网对逆变器的要求

逆变器要与电网相连，必须满足电网电能质量、

防止孤岛效应和安全隔离接地 3 个要求。

为了避免光伏并网发电系统对公共电网的污染，逆变器应输出失真度小的正弦波。影响波形

器，可明显提高并网逆变器的开关频率性能，它已成为实际系统广泛采用的技术之一；同时，逆变

器主功率元件的选择也至关重要。小容量低压系统较多地使用功率场效应管

(MOSFET) ，它具有较低的通态压降和较高的开关频率；但 MOsFET 随着电压升高其通态

电阻增大，因而在高压大容量系统中一般采用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) ；而在特大容量系统

中，一般采用可关断晶闸管 (GTO) 作为功率元件[6] 。

依据 IEEE 2000-929 [7] 和 UL1741[8] 标准，所有并网逆变器必须具有防孤岛效应的功能。

孤岛效应是指当电网因电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，光伏并网发电系统

未能及时检测出停电状态并切离电网，使光伏并网发电系统与周围

的负载形成一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛 [g] 。防孤岛效应的关键是对电网断电

的检测。

为了保证电网和逆变器安全可靠运行，逆变器

与电网的有效隔离及逆变器接地技术也十分重要。

电气隔离一般采用变压器。在三相输出光伏发电系统中，其接地方式可参照国际电工委员会

规定的非接地 (I - T) 方式、单个保护接地 (T- T) 方式和变压器中性线直接接地。而用电设

备的外壳通过保护线 (PE) 与接地点金属性连接 (T-N) 。

1 ． 2 光伏阵列对逆变器的要求

由于日照强度和环境温度都会影响光伏阵列的功率输出，因此必须通过逆变器的调节使光伏

阵列输出电压趋近于最大功率点输出电压，以保证光伏阵列在最大功率点运行而获得最大能

源。常用的最大功率点跟踪 (MPPT) 方法有：定电压跟踪法、“上

山”法、干扰观察法及增量电导法。

1 ． 3 用户对逆变器的要求

从光伏发电系统的用户来说，成本低、效率与可靠性高、使用寿命长是其对逆变器的要求。

因此，对逆变器的要求通常是：

①具有合理的电路结构，严格筛选的元器件；具备输入直流极性反接、交流输出短路、过热

过载等各种保护功能。

②

具有较宽的直流输入电压适应范围。由于光伏阵列的端电压随

负载和日照强度而变化，因此逆变器必须能在较宽

的直流输入电压范围内正常工作，且保证交流输出电压的稳定。

③ 尽量减少中间环节 ( 如蓄电池等 ) 的使用，以节约成本、提高效率。

2 逆变器结构的发展

为了能够设计出尽量满足上述各项要求的并网逆变器，大多数研究人员一直集中于逆变器拓

扑结构和控制方法 2 方面的研究。

限于当时开关器件水平，使系统的输出功率因数只有 0 ． 6 ～ 0 ． 7 ，且输出电流谐

波大引。随着电子开关器件的发展，高频 ( 频率 > 16 kHz) 双极晶体管， MOSFET 或

IGBT 等逐渐取代了并网换相晶闸管。由于采用 PWM 全桥逆变电路和高频开关电子器件，

能够很好地控制输出谐波；但 16 kHz ～ 2O kHz 开关频率使得开关损耗增大，效率降低。

单级逆变系统直接将直流转换为交流，它的主要缺点是：

① 需要较高的直流输入，使得成本提高，可靠性降低；

② 对于最大功率点的跟踪没有独立的控制操作，使得系统整体输出功率降低；

③结构不够灵活，无法扩展，不能满足光伏阵列直流输入的多变性。因此，在直流输入较低

时，考虑采用交流变压器升压，以得到标准交流电压与频率，同时可使得输入输出之间电

气隔离。

为带工频变压器结构的光伏逆变系统。其最大优点是逆变器在低压侧，因此逆变桥可以采用

高频低压器件 MOSFET ，节省了初期投资；而且逆变器的控制在低压侧实现，使得控制

更易实现。此结构还适用于大电流光伏模块。

工频升压变压器体积大，效率低，价格也很昂贵，随着电力电子技术和微电子技术的进一

步发展，采用高频升压变换能实现更高功率密度逆变。升压变压器采用高频磁芯材料，工

作频率均在 20 kHz 以上。其体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又

经高频整流滤波电路得到高压直流电 ( 通常在 300 V 以上 ) ，再由工频逆变电路实现逆

变。

多转换级带高频变压器的逆变结构相比带工频变压器的逆变结构，功率密度大大提高，逆变

器空载损耗也相应降低，从而效率得到提高，但也导致了逆变器的电路结构复杂，可靠性降

低。

光伏逆变器由单级到多级的发展，使电能转换级数增加，能够便于满足最大功率点跟踪和直

流电压输入范围的要求；但是单级逆变器结构紧凑，元器件少，损耗更低，逆变器转换效率

更高，更易控制。

因此，在结合两者优点的前提下，尽可能提高直流输入电压，就能提高逆变器的转换效率。

早期采用了集中式技术提高输入电压，如图 4(a) 所示。将光伏模块串／并联连接，产生直

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摘要：

究进行了详细分析和阐述。从电网、光伏阵列以及用户对逆变器的要求出发，分析了各种不同的逆变器拓扑结构与控制方法，比较其运行效率和控制效果。对于目前国内外光伏发电系统中并网逆变器的研究现状、亟待解决的问题进行了阐述，指出光伏发电系统中并网逆变器高效可靠运行的发展方向。摘要：针对光伏并网发电系统中关键部件——逆变器的结构设计与控制方法研究进行了详细分析和阐述。从电网、光伏阵列以及用户对逆变器的要求出发，分析了各种不同的逆变器拓扑结构与控制方法，比较其运行效率和控制效果。对于目前国内外光伏发电系统中并网逆变器的研究现状、亟待解决的问题进行了阐述，指出光伏发电系统中并网逆变器高效可靠运行的发展方向。关键...

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