光伏發(fā)電逆變技術(shù)的發(fā)展趨勢及其解決方案

1  光伏發(fā)電逆變技術(shù)國內(nèi)、外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢綜述

1.1  綜述

20 世紀(jì) 70 年代以來，兩次石油危機、當(dāng)前嚴(yán) 重的環(huán)境污染以及氣候變暖峰會的強烈呼吁，迫使人們更加努力尋找和開發(fā)新能源。對于污染及耗能大戶 ——電力工業(yè)，也面臨巨大的挑戰(zhàn)。光伏發(fā)電 作為可再生的替代能源發(fā)電，在世界范圍內(nèi)受到高 度重視且發(fā)展迅速。目前，光伏發(fā)電作為常規(guī)能源 的補充，無論從解決電力耗能問題上，還是從環(huán)境 保護戰(zhàn)略上都具有重大的戰(zhàn)略意義。

在國內(nèi)，政府先后出臺《可再生能源法》及其 相關(guān)實施細(xì) 則等政策來 扶持光伏等新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 2009 年，隨著 “金太陽”工程在全國各省的動工 實施，國內(nèi)光伏市場將得以長足發(fā)展。不僅如此，新能源振興規(guī)劃預(yù)測，2020 年光伏發(fā)電安裝量將要 達(dá)到 2000 萬 kW，《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》 是中規(guī)定的 10 倍以上。

由此可見，從全世界到國家，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)都 將得到大力支持，并得以迅速發(fā)展，這必將帶動光 伏產(chǎn)業(yè)：原材料生產(chǎn)、太陽能電池及組件生產(chǎn)、逆 變器等相關(guān)設(shè)備制造的配套行業(yè)的迅猛發(fā)展。光伏 并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中核心部件，其主 要功能是將太陽能電池板發(fā)出的直流電逆變成交流 電，并送入電網(wǎng)。其效率的高低、可靠性的好壞將 直接影響整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能。

1.2 國外逆變器的研究現(xiàn)狀

國外低壓并網(wǎng)逆變器已經(jīng)是較為成熟的市場產(chǎn)品 ，在歐洲光伏專用逆變市場中就有SMA，Sputnik 和西門子等眾多的公司具有市場化的產(chǎn)品，高壓并網(wǎng)逆變裝置 SMA、 西門子等公司現(xiàn)已形成市 場產(chǎn)品。

SMA 公司的光伏并網(wǎng)逆變器目前有三大類型： SB 組串逆變器， SMC 小集中型逆變器，以及 2008 年研制成功 1MW SC 并網(wǎng)逆變器。SB 產(chǎn)品系列可以 將幾臺逆變器光伏組件輸入端并接的 ST 技術(shù)以及低輸入電壓 LV 技術(shù)，可滿足不同的應(yīng)用要求。 SMC 產(chǎn)品系列采用集成直流負(fù)荷斷路開關(guān) ESS，較為簡 單而又安全地斷開光伏組件與逆變器； 具有三相功率 平衡功能，確保并網(wǎng)時的三相平衡。SC 并網(wǎng)逆變器 使用的電源系統(tǒng)可靠性高，微處理技術(shù)較為先進。

1.3 國內(nèi)逆變器的研究現(xiàn)狀

我國光伏發(fā)電的起步較晚，光伏系統(tǒng)的相關(guān)技 術(shù)的研究處于起步階段，技術(shù)水平相對國外還有一 定差距。針對大型光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分兆瓦級 并網(wǎng)逆變器，北京索英電氣技術(shù)有限公司、安徽合 肥陽光電源有限公司等單位在這一方面進行了相關(guān) 的研究。

目前，北京索英電氣技術(shù)有限公司主要是 SEE 系列逆變器分為單相和三相太陽能并網(wǎng)逆變器。此 系列產(chǎn)品容量范圍從 10－ 100kW，采用日本的智能 功率模塊 IPM 作為主回路功率器件，運用該公司并 網(wǎng)控制技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)較為簡單、效率高、性能優(yōu) 良。但是應(yīng)用于大型光伏電站則需要低壓變壓器來 解決，從長遠(yuǎn)來看，不利于大型光伏發(fā)電降低系統(tǒng)發(fā)電成本。

國內(nèi)光伏逆變器領(lǐng)域的生產(chǎn)是一個弱項，光伏 逆變器產(chǎn)業(yè)整體水平較低，中國最大的光伏系統(tǒng)提 供 商 —— 中 盛 光 電 采 購 的 光 伏 逆 變 器 多 采 用 西 門 子、SMA 等外資企業(yè)。這樣導(dǎo)致大型光伏系統(tǒng)的造 價升高、依賴性強，從而制約了并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)在 國內(nèi)市場的發(fā)展和推廣。

1.4 逆變技術(shù)發(fā)展趨勢

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(yán)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。

主要技術(shù)發(fā)展趨勢如下：

（ 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(dǎo)致了逆變器的電路結(jié)構(gòu)復(fù)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(fù)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(dāng)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。

2 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(dá)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(zhǔn)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?fù)浣Y(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(xué)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。

2.1 技術(shù)原理

2.2 九電平 IGBT 開關(guān)拓?fù)潆娐?逆變器采用的拓?fù)潆娐肥亲兓鶞?zhǔn)疊加技術(shù)的九 電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，如圖 2 所示。

（1）結(jié)構(gòu)及原理描述
如圖 2 所示，變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的九電平完美無 諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐罚扇齻€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?fù)潆娐酚?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?fù)潆娐吠耆嗤?/p>

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。

IGBT 開關(guān)工作原理是：如圖 2 所示，當(dāng) U 相 的開關(guān) IGBT3、 IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相 的 IGBT2、IGBT7、IGBT8 導(dǎo)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(dāng) U 相的 IGBT3、IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相的 IGBT2、 IGBT7 導(dǎo)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)生如圖 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?fù)潆娐贰?
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(biāo)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(dá)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)。

2.3 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。

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(zhǔn)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(zhǔn)確無誤的向九電平 IGBT 開關(guān)拓?fù)潆娐钒l(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(xué)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。

2.4 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(dāng)其達(dá)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(dāng)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(xué)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(fù)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(fù)位。當(dāng)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(xué)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(dá)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。

3 結(jié)論

本文介紹的逆變器采用變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的九電 平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，使逆變出的電?波形滿足 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)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。