光伏发电逆变技术的发展趋势及其解决方案

2010-09-22范莉平

电气技术 2010年8期

范莉平

（太原合创自动化有限公司，太原 030032）

1 光伏发电逆变技术国内、外的现状及发展趋势

1.1 综述

20世纪 70年代以来，两次石油危机、当前严重的环境污染以及气候变暖峰会的强烈呼吁，迫使人们更加努力寻找和开发新能源。对于污染及耗能大户——电力工业，也面临巨大的挑战。光伏发电作为可再生的替代能源发电，在世界范围内受到高度重视且发展迅速。目前，光伏发电作为常规能源的补充，无论从解决电力耗能问题上，还是从环境保护战略上都具有重大的战略意义。

在国内，政府先后出台《可再生能源法》及其相关实施细则等政策来扶持光伏等新能源产业发展。2009年，随着“金太阳”工程在全国各省的动工实施，国内光伏市场将得以长足发展。不仅如此，新能源振兴规划预测，2020年光伏发电安装量将要达到2000万kW，是《可再生能源中长期发展规划》中规定的10倍以上。

由此可见，从全世界到国家，光伏发电产业都将得到大力支持，并得以迅速发展，这必将带动光伏产业：原材料生产、太阳能电池及组件生产、逆变器等相关设备制造的配套行业的迅猛发展。光伏并网逆变器是光伏并网发电系统中核心部件，其主要功能是将太阳能电池板发出的直流电逆变成交流电，并送入电网。其效率的高低、可靠性的好坏将直接影响整个光伏发电系统的性能。

1.2 国外逆变器的研究现状

国外低压并网逆变器已经是较为成熟的市场产品，在欧洲光伏专用逆变器市场中就有 SMA，Sputnik和西门子等众多的公司具有市场化的产品，高压并网逆变装置SMA、西门子等公司现已形成市场产品。

SMA公司的光伏并网逆变器目前有三大类型：SB组串逆变器， SMC小集中型逆变器，以及2008年研制成功1MW SC并网逆变器。SB产品系列可以将几台逆变器光伏组件输入端并接的ST技术以及低输入电压 LV技术，可满足不同的应用要求。SMC产品系列采用集成直流负荷断路开关 ESS，较为简单而又安全地断开光伏组件与逆变器；具有三相功率平衡功能，确保并网时的三相平衡。SC并网逆变器使用的电源系统可靠性高，微处理技术较为先进。

1.3 国内逆变器的研究现状

我国光伏发电的起步较晚，光伏系统的相关技术的研究处于起步阶段，技术水平相对国外还有一定差距。针对大型光伏发电系统的核心部分兆瓦级并网逆变器，北京索英电气技术有限公司、安徽合肥阳光电源有限公司等单位在这一方面进行了相关的研究。

目前，北京索英电气技术有限公司主要是 SEE系列逆变器分为单相和三相太阳能并网逆变器。此系列产品容量范围从10－100kW，采用日本的智能功率模块IPM作为主回路功率器件，运用该公司并网控制技术，具有结构较为简单、效率高、性能优良。但是应用于大型光伏电站则需要低压变压器来解决，从长远来看，不利于大型光伏发电降低系统发电成本。

国内光伏逆变器领域的生产是一个弱项，光伏逆变器产业整体水平较低，中国最大的光伏系统提供商——中盛光电采购的光伏逆变器多采用西门子、SMA等外资企业。这样导致大型光伏系统的造价升高、依赖性强，从而制约了并网型光伏系统在国内市场的发展和推广。

1.4 逆变技术发展趋势

随着光伏发电的迅速发展，对光伏发电提出了新的要求，需要大规模的并网发电，与电网连接同步运行。并网逆变器作为光伏发电的核心，对其要求也越来越高。

首先，要求逆变器输出的电量和电网电量保持同步，在相位、频率上严格一致，逆变器的功率因数近于 1。其次，满足电网电能质量的要求，逆变器应输出失真度小的正弦波。第三，具有对孤岛检测的功能，防止孤岛效应的发生，避免对用电设备和人身造成伤害。第四，为了保证电网和逆变器安装可靠运行，两者之间的有效隔离及接地技术也非常重要。

主要技术发展趋势如下：

（1）结构发展趋势

过去逆变器的结构由工频变压器结构的光伏逆变器转化多转换级带高频变压器的逆变结构，功率密度大大提高，但也导致了逆变器的电路结构复杂，可靠性降低。现阶段的光伏并网逆变器普遍采用了串级型，经过反复研究表明：逆变器采用多串级逆变结构，融合了串级的设计灵活、高能量输出与集中型低成本的优点，是今后光伏并网逆变结构的一种发展趋势。

（2）控制策略发展趋势

光伏并网发电系统中的逆变器需要对电流和功率进行控制，逆变器输出电流主要采用各种优化的PWM控制策略。

对光伏阵列工作点跟踪控制主要有：恒电压控制策略和MPPT光伏阵列功率点控制策略。

现代控制理论中许多先进算法也被应用到光伏逆变系统的控制中，如人工神经网络、自适应、滑模变结构、模糊控制等。将来光伏并网系统的综合控制成为其研究发展的新趋势。基于瞬时无功理论的无功与谐波电流补偿控制，使得光伏并网系统既可以向电网提供有功功率，又可以实现电网无功和谐波电流补偿。这对逆变器跟踪电网控制的实时性、动态特性要求更高。

逆变器对于孤岛效应的控制，孤岛效应的检测一般分成被动式与主动式。常常采用主动检测法如脉冲电流注入法、输出功率变化检测法、主动频率偏移法和滑模频率偏移法等。随着光伏并网发电系统进一步的广泛应用，当多个逆变器同时并网时，不同逆变器输出的变化非常大。将来多逆变器的并网通信、协同控制已成为其孤岛效应检测与控制发展趋势。

2 高压、大容量逆变器的关键技术

目前，我国小型、低压用户直接并网的光伏逆变器有了较成熟的产品，对于高压大功率并网逆变器的研究正处于研制阶段。本文介绍了一种采用高电压、MW级大容量并网的方式，并达到了高压并网要求的技术。

该逆变器采用九电平变基准叠加 PWM与矢量控制相结合的控制方法来控制 IGBT开关，通过三相 IGBT功率模块及优化的网络拓扑结构将直流逆变成完美无谐波的正弦电压、电流波形，并采用数学模糊集合基础上的频率偏移主动式反孤岛控制，与电网智能化软连接并网运行。

2.1 技术原理

2.2 九电平IGBT开关拓扑电路

逆变器采用的拓扑电路是变基准叠加技术的九电平完美无谐波开关网络拓扑电路，如图2所示。

图1

图2 九电平完美无谐波开关网络拓扑电路

图3 九电平信号

图4 四电平信号

（1）结构及原理描述

如图2所示，变基准叠加技术的九电平完美无谐波开关网络拓扑电路，由三个单相的开关网络拓扑电路组成，U相开关网络拓扑电路由6个二极管D1-D6、D10个绝缘栅双极三极管IGBT1-IGBT10、电阻 R1、R2和电容 C1、C2构成。同理，开关网络拓扑电路的V相和W相的所有元器件与U相的开关网络拓扑电路完全相同。

电路中 IGBT1、IGBT5、IGBT4、IGBT8用作 PWM控制，IGBT2、IGBT3、IGBT6、IGBT7用作电平叠加，与其相对应的D3、D4、D5、D6均为箝位二极管。

IGBT开关工作原理是：如图2所示，当U相的开关 IGBT3、IGBT4和 IGBT5、IGBT6以及 V 相的IGBT2、IGBT7、IGBT8导通时，在V相的IGBT1上施加PWM信号时，就会产生如图3所示的九电平信号。如图2所示，当U相的IGBT3、IGBT4和IGBT5、IGBT6以及V相的IGBT2、IGBT7导通时，在V相的IGBT1上施加脉冲宽度调制（PWM）信号时，就会产生如图4所示的四电平信号。

根据上述原理，配合不同的开关状态，可以产生出-4E～4E九个电平信号。在每一个电平台阶上，可根据不同脉宽的PWM信号，模拟出本段的波形，从而能够形成比较完美的正弦波。

（2）与传统技术进行比较的优势

本逆变器采用了上述结构与传统技术相比，具有以下几点优势：

1）利用低电压、小功率的IGBT开关的组合实现了大功率高电压逆变器的开关网络拓扑电路。

2）逆变器输出电压波形为九电平完美无谐波，其THD各项指标均满足IEEE要求。

3）电路易于控制，用PWM控制去完成系统的无功功率分布，进而达到使系统功率因数趋于1。

4）与传统的多重化结构比较：若输出九电平波形，多重化电路需要16个IGBT开关。本逆变器拓扑电路采用叠加技术，每相只需10个IGBT开关。

2.3 九电平开关操作及并网运行主控制器原理

图5为九电平开关操作及并网运行主控制器原理框图，其特点为：通过检测开关状态提高 IGBT开关的可靠性和易操作性，并实时检测比较九电平IGBT开关输出端与电网端的电流、电压、频率、波形等相关信息，完成智能化软启动并网运行及反孤岛运行的功能。

图5 主控制器原理框图

该主控制器包括主控制微控制器及辅助电路、辅助控制微控制器及辅助电路、控制面板微控制器及辅助电路、IGBT开关检测电路、双端口随机存取存储器和模拟信号偏置电路。

主控制微控制器与辅助控制微控制器之间采用双端口随机存取存储器连接，完成传递 IGBT开关检测数据及软启动开关的数据，相互传递通讯信息，完成优化控制功能。

IGBT开关检测电路与主控制微控制器和辅助控制微控制器连接，使主控制微控制器及辅助控制微控制器实时准确的检测所有 IGBT开关的切换状态及关断状态，为主控制微控制器及辅助控制微控制器提供可靠的开关状态信息，使主控制微控制器及辅助控制微控制器可准确无误的向九电平 IGBT开关拓扑电路发出触发信号，同时避免了开关切换时的状态混叠现象，保证IGBT开关有序的切换。

模拟信号偏置电路与主控制微控制器和辅助控制微控制器连接，为主控制微控制器和辅助控制微控制器提供被控电网的电压及电流参数。

主控制微控制器及辅助电路包括主控制微控制器芯片，用于接收由 PT、CT转化后的信号而自动检测直流系统及电网的参数并动态的建立其数学模型，计算直流系统运行的所有参数并输出相应的指令，控制输出给电网的电压为期望的九电平波形，电流为完美无谐波的正弦波形，使逆变器与电网系统功率因数趋于1.0。

同时，主控制微控制器（MCU）和辅助控制微控制器（MCU）还与智能化软启动连接及反孤岛运行控制部分相连，实时采集处理软启动开关两侧的电流、电压、频率变量完成智能化软启动并网运行及主动反孤岛式运行的功能。

2.4 智能化软起动连接及反孤岛运行控制部分

晶闸管开关对逆变器输出侧和电网侧电压幅值、大小、相位及频率实时采集，不断进行比较，当其达到允许误差值范围时，由控制器发出触发信号，控制相应可控硅的门极。因为电压幅值、相位及频率均为空间矢量，当进行比较时需要在三维空间内进行，将其转化成模糊集合更趋近于实际工程情况，故此处使用数学模糊集合的概念对空间矢量进行替换，完成软起动功能。

本逆变器采用人工智能主动式频率负偏移方法。通过软硬件将电路周期性地检测出相邻两次电网电压过零点的时刻，计算出电网电压的频率f，然后在此频率f的基础上引入偏移量△f，最后将频率（f±△f）作为输出并网电流的给定频率，并且在电网电压每次过零时使输出并网电流复位。当电网出现故障时，光伏阵列经逆变器的输出的电流、电压发生畸变，且出现输出频率错位变化。形成了给定逆变器输出的电流、电压、频率的正反馈，并超过频率保护的上、下限值，从而使逆变器有效的检测出系统故障。利用模糊数学的方法将已知的数据进行状态估计和处理，并实时与逆变器输出的电压、电流、频率进行比较，以达到与电网的主动式反孤岛运行，并网开关的智能化软起动连接，以及逆变器相应的IGBT开关的优化控制操作运行。