光伏發(fā)電逆變技術(shù)發(fā)展趨勢

逆變技術(shù)是在電力電子技術(shù)中最主要、最核心的技術(shù)，它主要應(yīng)用于各種逆變電源、變頻電源、開關(guān)電源、UPS電源、交流穩(wěn)壓電源、電力系統(tǒng)的無功補償、電力有源濾波器、變頻調(diào)整器、電動汽車、電氣火車、燃料電池靜置式發(fā)電站等。

隨著光伏發(fā)電的迅速發(fā)展，對光伏發(fā)電提出了新的要求，需要大規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電，與電網(wǎng)連接同步運行。并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電的核心，對其要求也越來越高。首先，要求逆變器輸出的電量和電網(wǎng)電量保持同步，在相位、頻率上嚴格一致，逆變器的功率因數(shù)近于1。其次，滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求，逆變器應(yīng)輸出失真度小的正弦波。第三，具有對孤島檢測的功能，防止孤島效應(yīng)的發(fā)生，避免對用電設(shè)備 和人身造成傷害。第四，為了保證電網(wǎng)和逆變器安裝可靠運行，兩者之間的有效隔離及接地技術(shù)也非常重要。

（1）結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢

過去逆變器的結(jié)構(gòu)由工頻變壓器結(jié)構(gòu)的光伏逆變器轉(zhuǎn)化多轉(zhuǎn)換級帶高頻變壓器的逆變結(jié)構(gòu)，功率密度大大提高， 但也導致了逆變器的電路結(jié)構(gòu)復雜， 可靠性降低。現(xiàn)階段的光伏并網(wǎng)逆變器普遍采用了 串級型，經(jīng)過反復研究表明：逆變器采用多串級逆 變結(jié)構(gòu)，融合了串級的設(shè)計靈活、高能量輸出與集 中型低成本的優(yōu)點，是今后光伏并網(wǎng)逆變結(jié)構(gòu)的一 種發(fā)展趨勢。

（2）控制策略發(fā)展趨勢

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器需要對電流和功 率進行控制，逆變器輸出電流主要采用各種優(yōu)化的 PWM 控制策略。對光伏陣列工作點跟蹤控制主要有：恒電壓控制策略和 MPPT 光伏陣列功率點控制策略。

現(xiàn)代控制理論中許多先進算法也被應(yīng)用到光伏 逆變系統(tǒng)的控制中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、滑 模變結(jié)構(gòu)、模糊控制等。將來光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的綜合 控制成為其研究發(fā)展的新趨勢?；谒矔r無功理論 的無功與諧波電流補償控制，使得光伏并網(wǎng)系統(tǒng)既 可以向電網(wǎng)提供有功功率，又可以實現(xiàn)電網(wǎng)無功和 諧波電流補償。 這對逆變器跟蹤電網(wǎng)控制的實時性、 動態(tài)特性要求更高。

逆變器對于孤島效應(yīng)的控制，孤島效應(yīng)的檢測一般分成被動式與主動式。常常采用主動檢測法如脈沖電流注入法 、輸出功率變化檢測法、主動頻率偏移法和滑模頻率偏移法等。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系 統(tǒng)進一步的廣泛應(yīng)用，當多個逆變器同時并網(wǎng)時，不同逆變器輸出的變化非常大。將來多逆變器的并網(wǎng)通信、協(xié)同控制已成為其孤島效應(yīng)檢測與控制發(fā)展趨勢。

高壓、大容量逆變器的關(guān)鍵技術(shù)

目前，我國小型、低壓用戶直接并網(wǎng)的光伏逆變器有了較成熟的產(chǎn)品，對于高壓大功率并網(wǎng)逆變器的研究正處于研制階段。本文介紹了一種采用高電壓、 MW 級大容量并網(wǎng)的方式，并達到了高壓并網(wǎng)要求的技術(shù)。

該逆變器采用九電平變基準疊加 PWM 與矢量 控制相結(jié)合的控制方法來控制 IGBT 開關(guān)，通過三相 IGBT 功率模塊及優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)將直流逆 變成完美無諧波的正弦電壓、電流波形，并采用數(shù) 學模糊集合基礎(chǔ)上的頻率偏移主動式反孤島控制，與電網(wǎng)智能化軟連接并網(wǎng)運行。
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1、開關(guān)拓撲電路逆變器技術(shù)原理

九電平 IGBT 開關(guān)拓撲電路逆變器采用的拓撲電路是變基準疊加技術(shù)的九電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓撲電路，如圖2所示。


（1）結(jié)構(gòu)及原理描述：如圖 2 所示，變基準疊加技術(shù)的九電平完美無 諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓撲電路，由三個單相的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓 撲電路組成， U 相開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓撲電路由 6 個二極管 D1-D6、D 10 個絕緣柵雙極三極管 IGBT1-IGBT10、電 阻 R1、 R2 和電容 C1、 C2 構(gòu)成。同理，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓 撲電路的 V 相和 W 相的所有元器件與 U 相的開關(guān) 網(wǎng)絡(luò)拓撲電路完全相同。

電路中 IGBT1、 IGBT5、 IGBT4、 IGBT8 用作 PWM 控制， IGBT2 、 IGBT3 、 IGBT6 、 IGBT7 用作電平疊 加， 與其相對應(yīng)的 D3、D4、D5、D6 均為箝位二極管。

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IGBT 開關(guān)工作原理是：如圖 2 所示，當 U 相 的開關(guān) IGBT3、 IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相 的 IGBT2、IGBT7、IGBT8 導通時，在 V 相的 IGBT1 上施加 PWM 信號時，就會產(chǎn)生如圖 3 所示的九電 平信號。如圖 2 所示，當 U 相的 IGBT3、IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相的 IGBT2、 IGBT7 導通時， 在 V 相的 IGBT1 上施加脈沖寬度調(diào)制 PWM信號時，就會產(chǎn)生如 4 所示的四電平信號。 根據(jù)上述原理，配合不同的開關(guān)狀態(tài)，可以產(chǎn)生出 -4E~4E 九個電平信號。在每一個電平臺階上， 可根據(jù)不同脈寬的 PWM 信號，模擬出本段的波形， 從而能夠形成比較完美的正弦波。

（2）與傳統(tǒng)技術(shù)進行比較的優(yōu)勢本逆變器采用了上述結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有以下幾點優(yōu)勢：1）利用低電壓、小功率的 IGBT 開關(guān)的組合實 現(xiàn)了大功率高電壓逆變器的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓撲電路。 2）逆變器輸出電壓波形為九電平完美無諧波， 其THD 各項指標均滿足 IEEE 要求。 3）電路易于控制，用 PWM 控制去完成系統(tǒng)的 無功功率分布，進而達到使系統(tǒng)功率因數(shù)趨于1。 4）與傳統(tǒng)的多重化結(jié)構(gòu)比較：若輸出九電平波 形，多重化電路需要 16 個 IGBT 開關(guān)。本逆變器拓 撲電路采用疊加技術(shù)，每相只需 10 個 IGBT 開關(guān)。

2、九電平開關(guān)操作及并網(wǎng)運行主控制器原理


圖 5 為九電平開關(guān)操作及并網(wǎng)運行主控制器原 理框圖，其特點為：通過檢測開關(guān)狀態(tài)提高 IGBT 開關(guān)的可靠性和易操作性，并實時檢測比較九電平 IGBT 開關(guān)輸出端與電網(wǎng)端的電流、電壓、頻率、波 形等相關(guān)信息，完成智能化軟啟動并網(wǎng)運行及反孤島運行的功能。
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該主控制器包括主控制微控制器及輔助電路、 輔助控制微控制器及輔助電路、控制面板微控制器 及輔助電路、IGBT 開關(guān)檢測電路、雙端口隨機存取 存儲器和模擬信號偏置電路。

主控制微控制器與輔助控制微控制器之間采用雙端口隨機存取存儲器連接，完成傳遞 IGBT 開關(guān) 檢測數(shù)據(jù)及軟啟動開關(guān)的數(shù)據(jù)， 相互傳遞通訊信息， 完成優(yōu)化控制功能。

IGBT 開關(guān)檢測電路與主控制微控制器和輔助控制微控制器連接，使主控制微控制器及輔助控制微控制器實時準確的檢測所有 IGBT 開關(guān)的切換狀態(tài)及關(guān)斷狀態(tài)，為主控制微控制器及輔助控制微控制器提供可靠的開關(guān)狀態(tài)信息，使主控制微控制器及輔助控制微控制器可準確無誤的向九電平 IGBT 開關(guān)拓撲電路發(fā)出觸發(fā)信號，同時避免了開關(guān)切換 時的狀態(tài)混疊現(xiàn)象，保證 IGBT 開關(guān)有序的切換。模擬信號偏置電路與主控制微控制器和輔助控制微控制器連接，為主控制微控制器和輔助控制微控制器提供被控電網(wǎng)的電壓及電流參數(shù)。

主控制微控制器及輔助電路包括主控制微控制 器芯片，用于接收由 PT、 CT 轉(zhuǎn)化后的信號而自動 檢測直流系統(tǒng)及電網(wǎng)的參數(shù)并動態(tài)的建立其數(shù)學模 型，計算直流系統(tǒng)運行的所有參數(shù)并輸出相應(yīng)的指令，控制輸出給電網(wǎng)的電壓為期望的九電平波形， 電流為完美無諧波的正弦波形，使逆變器與電網(wǎng)系 統(tǒng)功率因數(shù)趨于 1.0。

同時，主控制微控制器（MCU）和輔助控制微控制器（MCU）還與智能化軟啟動連接及反孤島運行控制部分相連，實時采集處理軟啟動開關(guān)兩側(cè)的電流、電壓、頻率變量完成智能化軟啟動并網(wǎng)運行及主動反孤島式運行的功能。

3、智能化軟起動連接及反孤島運行控制部分

晶閘管開關(guān)對逆變器輸出側(cè)和電網(wǎng)側(cè)電壓幅 值、大小、相位及頻率實時采集，不斷進行比較，當其達到允許誤差值范圍時，由控制器發(fā)出觸發(fā)信 號，控制相應(yīng)可控硅的門極。因為電壓幅值、相位 及頻率均為空間矢量，當進行比較時需要在三維空 間內(nèi)進行，將其轉(zhuǎn)化成模糊集合更趨近于實際工程 情況，故此處使用數(shù)學模糊集合的概念對空間矢量 進行替換，完成軟起動功能。

本逆變器采用人工智能主動式頻率負偏移方法。通過軟硬件將電路周期性地檢測出相鄰兩次電 網(wǎng)電壓過零點的時刻，計算出電網(wǎng)電壓的頻率 f，然 后在此頻率 f 的基礎(chǔ)上引入偏移量△ f，最后將頻率 （ f±△ f）作為輸出并網(wǎng)電流的給定頻率，并且在電 網(wǎng)電壓每次過零時使輸出并網(wǎng)電流復位。當電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，光伏陣列經(jīng)逆變器的輸出的電流、電壓 發(fā)生畸變，且出現(xiàn)輸出頻率錯位變化。形成了給定 逆變器輸出的電流、電壓、頻率的正反饋，并超過頻率保護的上、下限值，從而是逆變器有效的檢測出系統(tǒng)故障。利用模糊數(shù)學的方法將已知的數(shù)據(jù)進行狀態(tài)估計和處理，并實時與逆變器輸出的電壓、電流、頻率進行比較，以達到與電網(wǎng)的主動式反孤島運行，并網(wǎng)開關(guān)的智能化軟啟動連接，以及逆變器相應(yīng)的IGBT開關(guān)的優(yōu)化控制操作運行。

以上介紹的逆變器采用變基準疊加技術(shù)的九電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓撲電路，使逆變出的電流波形滿足IEEE標準要求，盡可能的減少諧波污染。 逆變器的主控制器可通過實時檢測開關(guān)狀態(tài)，有效避免開關(guān)的混疊，提高IGBT開關(guān)的可靠性和易操作性。

如何正確地為光伏逆變器應(yīng)用選擇IGBT

如今市場上先進功率元件的種類數(shù)不勝數(shù)，工程人員要為一項應(yīng)用選擇到合適的功率元件，的確是一項艱巨的工作。以太陽能逆變器應(yīng)用來說， IGBT能比其他功率元件提供更多的效益，其中包括高載流能力、以電壓而非電流進行控制，并能使逆并聯(lián)二極管與IGBT配合。如果利用全橋逆變器拓撲及選用合適的IGBT，將使太陽能應(yīng)用的功耗降至最低。
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太陽能逆變器是一種功率電子電路，能把太陽能電池板的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓來驅(qū)動家用電器、照明及電機工具等交流負載。如圖6所示，太陽能逆變器的典型架構(gòu)一般采用四個開關(guān)的全橋拓撲。


在圖6中，Q1和Q3被指定為高壓側(cè)IGBT，Q2和Q4則是低壓側(cè)IGBT。該逆變器用于在其目標市場的頻率和電壓條件下，產(chǎn)生單相位正弦電壓波形。有些逆變器用于連接凈計量效益電網(wǎng)的住宅安裝，這就是其中一個目標應(yīng)用市場，此項應(yīng)用要求逆變器提供低諧波交流正弦電壓，讓電力可注入電網(wǎng)中。

為滿足這個要求，IGBT可在20kHz或以上頻率的情況下，對50Hz或60Hz的頻率進行脈寬調(diào)制，因此輸出電感器L1和L2便可以保持合理的小巧體積，并能有效抑制諧波。此外，由于其轉(zhuǎn)換頻率高出人類的正常聽覺頻譜，因此該設(shè)計也可盡量減少逆變器產(chǎn)生的可聽噪聲。

脈寬調(diào)制這些IGBT的最佳方法是什么？怎樣才能把功耗降到最低呢？方法之一是僅對高壓側(cè)IGBT進行脈寬調(diào)制，對應(yīng)的低壓側(cè)IGBT以50Hz或60Hz換相。圖7所示為一個典型的柵壓信號。當Q1正進行脈寬調(diào)制時，Q4維持正半周期操作。Q2和Q3在正半周期保持關(guān)斷。到了負半周期，當Q3進行脈寬調(diào)制時，Q2保持開啟狀態(tài)。Q1和Q4會在負半周期關(guān)斷。圖7也顯示了通過輸出濾波電容器C1的AC正弦電壓波形。

圖7：IGBT提供的柵極驅(qū)動信號及經(jīng)過輸出濾波電容器C1的AC正弦電壓波形

此變換技術(shù)具有以下優(yōu)點：(1)電流不會在高壓側(cè)反并二極管上自由流動，因此可把不必要的損耗低至最低。(2)低壓側(cè)IGBT只會在50Hz或60Hz工頻進行切換，主要是導通損耗。(3)由于同一相上的IGBT絕對不會以互補的方式進行轉(zhuǎn)換，所以不可能出現(xiàn)總線短路擊穿情況。(4)可優(yōu)化低壓側(cè)IGBT的反并聯(lián)二極管，以盡量減低續(xù)流和反向恢復導致的損耗。
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IGBT技術(shù)

IGBT基本上是具備金屬門氧化物門結(jié)構(gòu)的雙極型晶體管(BJT)。這種設(shè)計讓IGBT的柵極可以像MOSFET一樣，以電壓代替電流來控制開關(guān)。作為一種BJT，IGBT的電流處理能力比MOSFET更高。同時，IGBT亦如BJT一樣是一種少數(shù)載體元件。這意味著IGBT關(guān)閉的速度是由少數(shù)載體復合的速度快慢來決定。此外，IGBT的關(guān)閉時間與它的集極-射極飽和電壓(Vce(on))成反比(如圖8所示)。

圖8：IGBT的關(guān)閉時間與它的集極-射極飽和電壓(Vce(on))成反比

以圖8為例，若IGBT擁有相同的體積和技術(shù)，一個超速IGBT比一個標準速度的IGBT擁有更高的Vce(on)。然而，超速IGBT的關(guān)閉速度卻比標準IGBT快得多。圖8反映的這種關(guān)系，是通過控制IGBT的少數(shù)載體復合率的使用周期以影響關(guān)閉時間來實現(xiàn)的。
 

圖9：不同速度和技術(shù)的IGBT參數(shù)對比

圖9顯示了四個擁有相同尺寸的IGBT的參數(shù)值。前三個IGBT采用同樣的平面式技術(shù)，但使用不同的壽命復合控制計量。從表中可見，標準速度的IGBT具有最低Vce(on)，但與快速和超速平面式IGBT相比，標準速度的IGBT下降時間最慢。第四個IGBT是經(jīng)優(yōu)化的槽柵IGBT，能夠為太陽能逆變器這類高頻率切換應(yīng)用提供低導通和開關(guān)損耗。請注意，槽柵IGBT的Vce(on)和總切換損耗(Ets)比超速平面式IGBT低。
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高壓側(cè)IGBT

前文討論了高壓側(cè)IGBT在20kHz或以上頻率進行切換。假設(shè)設(shè)計一個擁有230V交流輸出的1.5kW太陽能逆變器，上圖中哪種IGBT具有最低的功耗呢？圖10顯示了IGBT在20kHz進行切換的功耗分析，由此可見超速平面式IGBT比其它兩種平面式IGBT具有更低的總功耗。
 

圖10：IGBT在20kHz進行切換的功耗分析

在20kHz下，開關(guān)損耗明顯成為總功耗的重要部分。同時，標準速度IGBT的導通損耗雖然最低，但其開關(guān)損耗卻最大，并不適合充當高壓側(cè)IGBT。

最新的600V槽柵IGBT專為20kHz的切換進行了優(yōu)化。如圖11所示，這種IGBT比以往的平面式IGBT提供較低的總功耗。因此，為了讓太陽能逆變器的設(shè)計能夠達到最高效率，槽柵IGBT是高壓側(cè)IGBT的首選元件。
 

圖11：標準速度IGBT在50Hz或60Hz下?lián)碛凶畹偷膶〒p耗

低壓側(cè)IGBT

低壓側(cè)IGBT同樣有同一問題。究竟哪一種IGBT才能提供最低的功耗？由于這些IGBT只會進行50Hz或60Hz切換，如圖11所示，標準速度IGBT可提供最低的功耗。雖然標準IGBT會帶來一些開關(guān)損耗，但數(shù)值并不足以影響IGBT的總功耗。事實上，最新的槽柵IGBT仍然擁有較高的功耗，因為這一代的槽柵IGBT專門針對高頻率應(yīng)用而設(shè)計，以平衡開關(guān)和導通損耗為目標。因此，對低壓側(cè)IGBT來說，標準速度平面式IGBT仍然是必然選擇。

這種太陽能逆變器應(yīng)用的全橋拓利用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，在高于20kHz情況下，為高壓側(cè)IGBT進行轉(zhuǎn)換。支線的低壓側(cè)IGBT決于輸出頻率要求，在50Hz或60Hz進行轉(zhuǎn)換。若挑選最新的600V槽柵IGBT，其總功耗將會在20kHz下達到最低。在低壓側(cè)IGBT方面，標準速度平面式IGBT是最佳選擇。標準速度IGBT在50Hz或60Hz下?lián)碛凶畹偷膶〒p耗，其開關(guān)損耗對整體功耗來說微不足道。因此，工程師只要正確選擇IGBT組合，就能將太陽能逆變器應(yīng)用的功耗降至最低。

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