高效光伏逆变器综述

2016-03-11张兴，李俊，，赵为，陶磊

电源技术 2016年4期

关键词：钳位共模旁路

张兴，李俊，，赵为，陶磊

(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009；2.阳光电源股份有限公司，安徽合肥230088)

高效光伏逆变器综述

张兴1，李俊1，2，赵为2，陶磊2

(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009；2.阳光电源股份有限公司，安徽合肥230088)

介绍了光伏逆变器漏电流相关标准，分析了无变压器隔离的光伏逆变器的几种典型拓扑、工作原理与优缺点，阐述了多电平拓扑在光伏逆变器上的应用及其对提高效率的贡献，总结了高效功率器件在光伏逆变器上的应用，说明了调制和控制算法应用于光伏逆变器的必要性，展望了下一代逆变器的发展趋势。

光伏逆变器；漏电流；拓扑；高效功率器件；调制与控制

光伏发电行业发展迅速，但技术进步和成本下降的压力都很大。电力行业研究机构IMS Research关于光伏逆变器产业研究报告介绍：全球光伏逆变器总装机容量到2020年达到92 GW，但是光伏逆变器的世界平均价格到2020年降至0.09 $/W[1]。光伏逆变器成本在整个光伏发电系统中只占十分之一左右，但其性能关系到整个光伏发电系统的性能。无变压器非隔离的光伏逆变器拓扑的出现弥补了变压器隔离的光伏逆变器的效率和成本问题，但带来一定的安全问题[2]。

光伏逆变器行业公司，国外的如SMA、Power-One、Sunways、REFUsol、Ingeteam、Conergy、Steca，国内的如阳光电源、华为、科士达等公司和一些大学、研究机构不断研发促使新的拓扑及相关算法不断出现；功率器件研发公司如德国Vincotech、Infineon不断推出新的功率器件、模块来提高光伏逆变器的效率，本文介绍光伏逆变器并网运行漏电流相关要求和标准，分析光伏逆变器高效拓扑和功率器件方面研究的现状及发展趋势，阐述与展望高效光伏逆变器相关调制与控制的研究现状与需求，有助于把握高效光伏逆变器研究方向。

1 光伏逆变器漏电流相关标准

由于太阳电池板和地之间存在寄生电容，从而形成了共模电流通道[2]。漏电流本质上是共模电流，过大时人接触太阳电池板导电部分或者流过关联的设施时会造成安全问题，国际电工委员会标准IEC62109-2对此有明确规定。美国标准UL1741-2010在IEC62109-1-2010所包含的标准上进行扩展，迄今为止在美国的光伏电站仍禁止使用非电气隔离的逆变器进行设计，无变压器隔离的光伏逆变器仅有极少量的公司获取了美国认证；中国国家标准 GB/T 12113-2003参照了IEC60990:1999。可见光伏逆变器安全可靠地运行需要逆变器本身的漏电流大小满足标准。

2 无变压器隔离光伏逆变器

无变压器隔离光伏逆变器出现漏电流，漏电流是高效的一大障碍，高效拓扑主要解决漏电流问题[3-5]。图1为未来几年隔离型和无变压器隔离光伏逆变器总装机容量趋势[1]。

图1 两种类型光伏逆变器安装容量趋势

单相无变压器隔离的光伏逆变器漏电流问题主要从拓扑入手解决。该类逆变器拓扑主要从H桥、中点钳位(NPC)两类成熟变换器中派生和演变。无变压拓扑结构的主要问题是在输入两极对地的共模电压，共模电压波动激励了光伏电池板的寄生电容产生漏电流[6-7]。解决问题的途径是改变电路拓扑来强制改变续流电流的途径使电池板和电网脱离，维持共模电压。单相光伏逆变器共模电压还与调制方式有关，单极性调制时有波动，但可以提高逆变器的效率[2，8]。在光伏逆变器拓扑研究方面以国外SMA、REFUsol、Power-one、Sunways、Conergy、Ingeteam等光伏逆变器生产厂商为主。

2.1 H桥派生——直流旁路

一种典型解决漏电流问题的拓扑是在直流处旁路，如图2所示的典型H5拓扑，S5在电网续流阶段断开光伏逆变器，续流时分别开通S3、S4，该拓扑只比常见的全桥逆变器多了一个功率开关，但是避免了直流侧和交流侧的无功交换，S3、S4按工频开关，减少了开关损耗，提高了效率[2，9]。

图2 直流旁路拓扑

2.2 H桥派生——交流旁路

另外一种典型解决漏电流问题的拓扑如图3所示，图3(a)中S3、S4按工频开关，在续流阶段将交流旁路，这可以在续流阶段减少开通的功率开关，减少损耗，图3(b)中拓扑利用两个反并联的功率开关管形成交流旁路，导通损耗比HERIC拓扑S5、S6要低[2]。

图3 交流旁路拓扑

HERIC改进型的交流旁路方式有不少其它拓扑。H6拓扑增加了一个功率开关管，增加了控制自由度和电流通过的途径，因而衍生出了很多的变形拓扑，相关研究基本成熟，有不少的公司和大学研究发表该类文献或者申请了该类专利[10-14]。H桥拓扑光伏逆变器高效的基本原理是强制获取零电压状态，增加了一个电平，降低器件的承压，减少损耗，提高了效率。

2.3 NPC拓扑及其派生

NPC拓扑是一种应用广泛成熟的拓扑。NPC型拓扑有效率高，漏电流和电磁干扰(EMI)小等优点，零电平状态时，光伏电池板钳位于直流侧接地中点，实际漏电流为零，而且功率开关管数量与全桥一样，是一种较理想的拓扑[2]。如图4所示，该型拓扑是三电平拓扑。Conergy公司专利拓扑也称为层叠式拓扑。

图4 NPC拓扑

二极管钳位NPC内外开关损耗不均衡，若增加开关S5、S6进行层叠式中点钳位拓扑(SNPC)，如图4(b)虚框①所示；若将钳位二极管D1、D2更换为功率开关管S7、S8变成有源钳位拓扑(ANPC)，如图4(b)虚框②所示，将虚框①、②中的部分都加上，去掉二极管D1、D2变成层叠式有源钳位拓扑(ASNPC)。上述改进型的NPC能够改善系统损耗不均衡性，提高系统容量和开关频率。如图4(c)所示，Conergy公司改进的NPC拓扑相比二极管钳位NPC，优点是开关损耗均衡，有利于散热设计，工作时功率开关管损耗低，是一种比较成功的拓扑。ANPC设计能够灵活分配功率损耗，但成本最高，效率最低，控制难度大[2，15-16]。NPC类拓扑在光伏逆变器上成功应用，容量分布范围大，效率高且单相三相都适用，是成功的拓扑。

3 采用多电平拓扑的光伏逆变器

某些多电平拓扑具有内置的冗余设计，一定程度上增加了光伏逆变器的可靠性[17-20]，图3(b)中REFUsol的五电平拓扑在光伏逆变器上就有很好的应用，NPC拓扑、有源钳位NPC拓扑都较容易扩展成多电平，很多新型拓扑源自于一些基本拓扑。如图5(a)～5(c)所示多电平拓扑分别是NPC、飞跨电容型(FC)和模块化(MMC)拓扑。三种多电平拓扑中NPC型效率高，需要电容少；飞跨电容型效率低；模块化拓扑效率最高，但需要额外的电容[20]。目前多电平技术产业化四电平、五电平比较成功。其中Power-One公司的四电平光伏逆变器，REFUsol公司的五电平光伏逆变器，性能有一定优势，在市场上占有一定的份额[8]。

国外有不少公司和研究机构研究多电平拓扑。图5(d)所示为Power-One公司申请的多电平专利拓扑[21]。图5(e)左图所示为印度Nandamuru大学提出的一种可拓展多电平拓扑，该型拓扑相比于H桥多电平拓扑能够以较少的功率开关器件获取同样的电平数，右图是一个层叠式的多电平专利拓扑[22]。国内的公司阳光电源[23]、华为；研究机构如上海交通大学、哈尔滨工业大学、燕山大学等在多电平拓扑上有大量的研究成果。

图5 多电平拓扑

4 应用高效功率器件的光伏逆变器

4.1 功率器件组合与功率模块集成

IGBT与MOSFET性能在开关速度、导通损耗、容量上有较大差异，有些方面形成互补，可以将IGBT和MOSFET并联，如图6(a)所示，该型拓扑IGBT和MOSFET可采用多种方式驱动，采用该技术的光伏逆变器在整个功率段内几乎获得最高的恒定效率[24]。图6(d)为SMA专利拓扑，上下臂功率开关采用不同的调制方式，工频采用IGBT，高频采用MOSFET，右图中上桥臂IGBT工作在工频条件下，不需要进行滤波，可以进一步减少输出滤波电路损耗[24]。这些功率开关器件组合方式可以在一定程度上提高光伏逆变器的效率。图6(b)是一种IBGT与MOSFET组合集成的模块。

4.2 高效材料制作的功率器件

新型半导体材料如SiC、GaN等制作的功率器件具有禁带宽、耐压高、通态电阻低、开关速度高、电流密度高、耐高温等优点，这些是硅、锗等材料制作的功率器件不具有的特性，这决定了新型半导体功率器件在高可靠性、高频率、高效率的应用场合极具潜力[25]。图6(c)用SiC材料的快速恢复二极管(SiC FRD)取代普通的快速恢复二极管，能够显著提高光伏逆变器的效率，一些转换效率高达99%的光伏逆变器正是应用这些新型功率器件的典范[24]，图6(d)中右图新型拓扑采用SiC快速恢复二极管续流。随着材料科学、功率器件研究与制作工艺水平的进步，将来更高效的材料与器件会不断出现并应用到产品中，这也解决了效率的终极方向。

图6 高效功率器件拓扑

5 先进调制算法与策略的应用

光伏逆变器的调制算法一直是研究热点，关系到光伏逆变器输出电能质量、共模电压抑制、转换效率等多个方面[2，6，8，26]。由于太阳电池板非线性的电气特性、个体差异以及太阳能本身受气候影响的不稳定性，光伏逆变器运行需要采用高效可靠的最大功率跟踪(MPPT)算法[26]，及时将太阳能直流电抽取逆变成交流电，因此需要研究能够兼顾到各个太阳电池板的MPPT算法；大量的光伏逆变器并网发电涉及到多个方面，因此需要改进的控制算法或加入群控技术提高光伏逆变器性能，提高转换效率。

6 结语及展望

高效光伏逆变器依赖于先进的电路设计理论、高效的功率器件以及与之密切相关的各种拓扑。高效光伏逆变器需要安全可靠地运行，需要先进调制算法和控制策略来保证。高效的器件取决于当前制作功率开关器件的材料和工艺及市场。下一代光伏逆变器对效率的追求更高、价格更低，而且必须具有安全可靠、大容量、高电压、多功能、模块化、对电网的适应能力更强等优点，因此需要对光伏逆变器的相关技术进行持续的研究。

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Review of high efficiency photovoltaic inverter

The leakage current standard of photovoltaic inverter was introduced. Several typical topologies of transformerless PV inverters and their operation principle with advantages and disadvantages were analyzed.The application and its contribution to efficiency of multilevel topology in the PV inverter were explained.The application of high efficiency power devices in PV inverter was summarized. The necessity of the application modulation and control algorithm was described.The trend of next generation PV inverters was forecasted.

photovoltaic inverter;leakage current;topology;high efficiency power devices;modulation&control

TM 615

1002-087 X(2016)04-0931-04