光伏分布式发电中的逆变系统设计

孔德政

（山东石大胜华化工集团股份有限公司，257061）

1 光伏发电的现状和发展

2013年的国内外市场显示，中国光伏产业目前正遭受欧美“双反”与国内产能严重过剩的双重考验。人们不禁担心，中国的光伏产业的春天是否已经一去不复返了。实际上，这仅仅是光伏产业的产能过剩，并不能因此看衰整个光伏产业。

2013年光伏需求将会同比增长7%，达31GW。中国将首次超过德国变成最大光伏市场。而亚洲也将变成需求最旺盛的大陆。中日印三国需求将占到全球需求的36%。2013年又将成为另外一个转型之年，光伏业将适应后欧洲市场的疲软。目前，光伏产业的总体趋势在走下坡路，而其中电站开发环节的趋势是上升的，2013年必将迎来光伏发电电站建设的一个春天。

当前我国政策鼓励方向是分布式光伏发电。分布式光伏发电是指区别于集中式光伏发电的建设方法，一般建在用户侧，所生产电力主要自用。具有容量小、电压等级低、接近负荷、对电网影响小等特点，可以应用在工业厂房、公共建筑以及居民屋顶上。分布式光伏发电充分利用了太阳能广泛存在的特点，并且避免了集中建设的场地限制因素，具有建设灵活的特点。

2 光伏发电的基本原理

2.1 光伏发电的类别

光伏发电一般按照与电力系统的关系分类，可以分为独立光伏发电和并网光伏发电。独立光伏发电不与电力系统连接在一起，独立于整个系统，发出的直流、交流电直接供给负载。而并网光伏发电则像发电站一样，可以向电网输送有功、无功的电能。

2.2 独立光伏发电的基本原理

独立光伏发电系统由太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器组件、控制器和负载（直流负载和交流负载）组成。因为太阳能电池产生的电能为直流，但是由于光照强度实时变化，太阳能电池输出的电压也不稳定，这时也需要蓄电池来起到一个滤波的作用，将太阳能电池产生的电压稳定在蓄电池的电压值上，在另外一种意义上，用蓄电池也有储能的作用，可以将过剩的电能储存起来供在光照强度较低的时候使用。如果是直流负载就可以直接接在蓄电池上工作，如果是交流负载，那么需要经过逆变器的DC-AC变换，将直流电变成交流电，供给交流负载。

2.3 并网光伏发电的基本原理

独立光伏发电系统由太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器组件、控制器和负载组成。因为需要将光伏发出来的电回馈给电网，这就需要将直流电转换为电网要求的220V、50HZ的交流电，并且在相同相位的情况下并网，像电网供电。

无论是独立光伏发电系统还是并网光伏发电系统，逆变系统对于交流负载和并网发电都是必不可少的，接下来我们主要就光伏分布发电中的逆变系统的相关设计进行研究。

3 光伏发电逆变系统设计

3.1 光伏发电逆变系统的组成

光伏发电系统主要由太阳能电池、主回路、控制电路和负载组成。主回路主要包括DC/DC电路、DC/AC电路、滤波器组件。下面主要对于主回路部分的设计做介绍，其中包括主回路的拓扑结构进行分析，介绍一下全桥逆变电路的工作原理以及逆变器模块的选型，以及相关保护的设计。

3.2 光伏发电逆变系统的拓扑结构

通常单相电压型逆变器主要分为推挽式、半桥和全桥逆变电路三种。这三种方式根据其不同的特点应用于不同的场合。

推挽式逆变电路的电路结构比较简单，如图3-1 所示。其上电路只需要两个晶闸管，基极驱动电路不需要隔离，驱动电路比较简单，但是晶闸管需要承受2倍的线路峰值电压，所以适合于低输入电压的场合应用。

同时变压器存在偏磁现象，初级绕组有中心抽头，流过的电流有效值和铜耗较大，初级绕阻两部分应紧密藕合，绕制工艺复杂。因为推挽式逆变电路对于晶闸管的耐压要求比较高，不适合作为光伏发电的逆变系统主回路。

图3 -1 单相推挽式逆变电路

相比于推挽式逆变电路，单相半桥式逆变电路中所使用的晶闸管的耐压要求就相对较低，不会有线电压峰值2倍这么多，绝对不会超过线电压峰值。其逆变出来的波形也相对推挽式比较接近于正弦波，所以滤波的要求也相对较低。由于晶闸管的饱和压降减小到了最小，所以不是最重要的影响因素之一。但是由于半桥式逆变电路的结构决定，如图3-2所示，其集电极电流在晶闸管导通时会增加一倍，使得在晶闸管选型的过程中，要考虑大电流、承受高压的情况，就难免会因为其价格昂贵，所以不适合作为光伏发电的逆变系统主回路。

全桥式逆变电路就是介于推挽式和半桥式之间，兼顾其各自优点的一种逆变电路。其既有推挽式电路的电流性质，也有半桥式电路的电压性质，其结构详见图3-3所示。全桥式电路可以使得晶闸管期间达到最大输出功率，而且其逆变出来的波形更加接近于正弦波。所以，这次这次光伏发电的逆变系统主回路选用了全桥式逆变电路。

其中VT1-VT4为晶闸管，VD1-VD4为四个反向并联的二极管。下面详细介绍一下全桥逆变电路的工作原理。

图3 -3 单相全桥式逆变电路

3.3 全桥逆变电路的工作原理

首先，VT1和VT4是一对同时开关的晶闸管，VT2和VT3是另外一对同时开关的晶闸管，VT1、VT4，VT2、VT3各受两路控制电压的控制。首先，VT2、VT3的控制电压为负值，那么VT2、VT3关断，处于截止状态。VT1、VT4的的控制电压为正值，那么VT1、VT4导通，电流流通路径如图3-4所示。如果忽略晶闸管自身的压降，那么输出电压就等于Uout=EN2/N1。

然后，VT1、VT4关断，四个功率开关都处于截止状态。

图3 -4 电流流通路径

第三个时刻，VT1、VT4的控制电压为负值，那么VT1、VT4关断，处于截止状态。VT2、VT3的的控制电压为正值，那么VT2、VT3导通，电流流通路径如图3-5所示。如果忽略晶闸管自身的压降，那么输出电压就等于Uout=-EN2/N1。

最后，VT2、VT3关断，四个功率开关都处于截止状态。

这就是一个周期内，晶闸管的开关变化情况。按照这种工作方式，则可以获得交变的电压。

图3 -5电流流通路径

3.4 逆变器的设计

逆变器组件的设计

根据某地的用户载荷分析，用户的用电载荷平均大概为3.2kW。根据某地全年品均月辐照强度5.4KWh/m²/天。总共需要的电池板方阵功率计算公式为：

Wl：负载的消耗功率

F：蓄电池放电效率的修正系数（通常取1.05)

Tm：峰值日照时数，其值与辐照强度的值基本相同，这里取3.6h

：方阵表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，通常可取 0.9～0.95

：方阵组合损失和对最大功率点偏离以及控制器效率的修正系数，通常可取0.9～0.95

L：蓄电池的维修保养率（通常取0.8)

Ka ：包括逆变器等交流回路的损失率（通常取0.7，如逆变器效率高可取0.8)

本方案选用230W的单晶硅电池板，则总共需要8块，总功率为1.84Kw 。

由于当地的用电电压为22OV，所以选择输出电压为22OV的离网逆变器，经过用户用电器统计可知，用户的最大功率约为716W,考虑到用户负载中有感性负载，在启动过程时有较大的冲击电流，同时考虑系统的临时增加负载的情况，所以逆变器功率应相对选择较大的。在逆变系统中要求系统响应快，可靠性高，保护功能强等。本次设计的逆变电路中蓄电池通过DC/DC变换最大提供给逆变器400V的直流电压，所以单个晶闸管所承受的最大耐压也为400V，考虑到电压波动和留一定的余量的关系，最终将晶闸管的最大耐压设定在150%的输入最大输入电压，那就是600V。

逆变器的额定输出功率为3kW，输出电流的峰值为18A，隔离变压器的变压比为1：1。考虑到留有一定的余量，每个晶闸管的耐流值设定在30A。然后我们就可以进行选型了。

最后，选择了PM200CLA060型号的三菱公司出品的IPM模块，其耐压600V，耐流200A，符合我这次设计的光伏发电逆变系统对于模块的要求。

3.5 逆变器支流侧电容的设计

对于分布式光伏发电系统，其直流侧需要增加电容保证直流侧电压稳定，不出现电压突变。那么需要设计出符合以下公式要求的电容。

其中P为太阳能电池的输出功率，按照此项目每块太阳能电池的输出功率80W±3%计算，那么40块太阳能电池组成的阵列，其输出功率可达3.2KW。

f为电网的频率，取50Hz。

K为波纹系数，取0.1。

U为直流母线电压，取400V。

所以，我们只要选用大于1273.89的电容即可，我选用2200。由于考虑到直流侧电压为400V，那么选择500V/2200的电解电容。

3.6 交流输出滤波电路设计

由单相全桥逆变电路逆变出来的电压不是标准的正弦波，而是直流斩波电压。如下图所示。

为了使得输出的波形更加接近正弦波，以保证负载和电网获得高质量的电能，滤波电路是影响波形输出的一个重要环节。在滤波电路的设计中最重要的就是电感和电容的设计。

其中，由于逆变器的输出为220V/3kVA，那么所以Poutmax=3kVA。Uout=220V。

设定逆变器效率为96%。波纹电流系数为17%。

那么而电容的设计如下：

其中K为谐振频率/基波频率，设定为12.

f为基波频率，就是50Hz。那么

所以根据设计数据，滤波电容选择40，滤波电感选择2mH。

图3 -2 单相半桥式逆变电路

4 总结

光伏分布式发电在日常生活中越来越常见，其中在并网和交流负载的使用过程中，逆变器的设计至关重要，本文通过对于逆变器部分的结构和原理的分析，简述了光伏发电中逆变器设计的总体思路。整个光伏发电系统的正常运行还依靠于各个部分，包括太阳能电池、蓄电池、滤波部分、控制部分、并网控制部分的配合。所以在实际的逆变器设计过程中，要充分考虑到其他部分的配合和影响。

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