简述光伏并网系统核心--光伏逆变器

吴瀚

摘 要：光伏逆变器是光伏发电并网系统中十分关键的一环，它的性能关系到整个光伏发电系统的正常运转与效率。本文借助光伏逆变器的拓扑结构分类，对运用廣泛的光伏逆变器进行阐述。文章分析介绍各种光伏逆变器的优、缺点，并对光伏逆变器的发展趋势做出展望。

关键词：光伏逆变器;拓扑结构;发展趋势

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.159

1 引言

能源一直是整个社会高度关注的话题。在当今世界，能源是一切生产劳动必不可少的基础。目前使用最为广泛的能源主要是煤炭、石油等传统的化石能源，但由于其大量使用所引起的环境恶化、资源锐减等问题，人们对绿色能源的期望越来越高，迫切寻求新型清洁能源来代替。能源参与生产最主要的形式为电能，因此，可再生清洁能源发电技术是人们所期望的。以太阳能发电为基础的光伏发电系统，具有系统安全、无污染、可靠性高等诸多优点，受到人们的关注。光伏并网发电是目前主要的光伏发电形式，光伏逆变器作为核心部件，其性能直接影响光伏发电系统的运行。

2 光伏逆变器分类

2.1 光伏逆变系统基本结构

光伏逆变系统的基本结构包括：DC/AC逆变器、控制器、变压器、检测单元和DC/DC转换电路等。光伏逆变器的功能是将光伏组件等产生的直流电变换成交流电，其核心便是逆变电力电子开关电路，即逆变器。不同功率场合下对主开关器件的选用也不同：功率较大时使用三相IGBT功率模块;功率较小时则使用场效应晶体管。电力电子开关器件（MOSFET、IGBT等）的通断需要一定的驱动脉冲来控制，因此控制器通过产生和调节脉冲来对逆变器进行输出控制，使光伏逆变器输出满足并网需求。

2.2 光伏逆变器分类

由逆变系统的基本结构可知，对于逆变器的划分，可以从不同的方向来进行。依据逆变器主电路的形式，可分为单端式逆变器、推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器;依据是否有变压器，可分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器;依据逆变器主开关器件类型的不同，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应管逆变器和绝缘栅型双极晶体管（IGBT）逆变器;依据逆变控制方式，可分为调频式（PFM）逆变器和调脉宽式（PWM）逆变器。本文根据直流侧光伏组件的不同（功率不同），将光伏逆变器划分为集中式逆变器、组串式逆变器和组件式逆变器，对每种逆变器进行介绍和分析。

3 光伏逆变器的拓扑结构

3.1 集中式逆变器

集中逆变技术本质上是众多的光伏组件分组串联成光伏组串，由光伏组串再进行并联形成光伏阵列，经过汇流箱汇流后，将能量输入到一台集中式逆变器的直流侧。控制器一般由DSP等性能优越的信号处理器组成，采用SVPWM调制算法，通过采集交流输出端的信号来输出相应的驱动脉冲，使逆变器的输出更加接近于电网的要求。

在众多的集中式逆变器中，三相二电平逆变拓扑结构是应用最为广泛的。该结构主要是由直流侧支撑电容、三相逆变主电路和交流测滤波电路组成。直流侧支撑电容的主要功能是稳定由光伏阵列输出的直流电压，一般选用薄膜电容作为支撑电容。与平时使用的电解电容相比，薄膜电容的介电常数更高，且能量密度更大，能更好地起到稳定电压的作用。三相逆变主电路主要采用IGBT作为开关管进行控制，将输入的直流电逆变成交流电，并在此过程中实现最大功率点跟踪（MTTP）和防孤岛等功能，使逆变效率最大化。但逆变电路并不能将直流电完美地转化成正弦工频电，其中含有各种次数的谐波。因此，需在交流测选用LCL滤波电路对交流电滤波。相比于LC滤波和L滤波，LCL滤波电路对高次谐波的抑制能力更强，与此同时其所需电感值较小，有利于电路的设计。最后，为了满足不同电压等级的需求，将滤波后的交流电通过变压器接入电网。

3.2 组串式逆变器

几块或十几块光伏组件串联成光伏组串，若干个光伏组串连接到对应逆变器的直流侧，这就是组串式逆变器的输入侧的结构。组串式逆变器相对于集中式逆变器而言，是一种小能量的逆变，分散的逆变。组串式逆变器完成各自对应输入能量的逆变，再将能量汇聚传输给电网。

组串式逆变器一般采用两级单相拓扑结构。该结构一般由DC/DC升压电路、三相逆变主电路、滤波电路和支撑电容等组成。第一级主要是DC/DC升压电路，通常采用boost升压电路结构，作用是对光伏组串的输出电压进行控制，使电压等级符合并网的要求。若光伏组串的输出电压已满足电网要求，则DC/DC升压电路可以省略。与此同时，还可以控制光伏组串的MPPT，提高逆变的效率。第二级主要是逆变与滤波电路，完成直流向交流的转变。如果没有了第一级的DC/DC升压，那么就需要像集中式逆变器一样，在逆变电路中加入MPPT，使整个逆变过程效率最大化。

3.3 组件式逆变器

组件式逆变器中最为典型的是微型逆变器。微型逆变器的直流侧只连接了一个光伏组件，因此，微型逆变器对每一个单独的光伏组件进行升压、逆变和滤波等操作。

微型逆变器拓扑结构有很多种，可大体上分为单极式和双极式逆变器。目前，一般选用单极式中交错反激式微型逆变器，其电路简单，成本低，效率高，有利于家庭光伏发电的推广。交错反激式逆变拓扑结构主要由双路反激变换器、工频极性反转桥和滤波电路等组成。双路反激变换器并联在光伏组件的输出侧，对其输出电压进行控制，并实现MPPT功能。双路反激变换器并联还能够提高功率等级，减小电流纹波，改善电能质量。工频极性反转桥起到了逆变的功能，经滤波电路后与电网相连。

4 光伏逆变器特点、展望

4.1 集中式逆变器

集中式逆变器获得众多大型光伏电站设计者的青睐，一定有其可取之处。第一，控制技术较为成熟，可靠性高，转化效率可达98%以上;第二，集成度高，功率密度大，成本较为低廉;第三，有较为完善的保护功能，提高光伏电站的安全性;第四，回馈电网的交流电功率因数稳定，谐波畸变率能够限制在3%以下;第五，具有功率因数调节、防孤岛、低电压穿越等功能，电网调节性好;第六，谐波含量少，电能质量高。