光伏發電系統中逆變器的研究與應用

　　1 引言

　　逆變技術作為光伏并網發電的關鍵技術，它將太陽能電池的直流電能變換成與電網同頻率、同相位的交流電能饋入電網。并網逆變器作為太陽能電池與電網的接口裝置，在新能源的開發和利用中起著至關重要的作用，光伏產業也將在21世紀得到推廣。現代逆變技術為光伏逆變提供了強有力的理論支持，半導體器件技術、現代控制技術、現代電力電子技術、脈寬調制技術為并網逆變的研究提供了技術支持。目前光伏發電系統中的逆變器大多采用工作在spwm狀態的全橋式逆變方案。如何提高逆變器的性能，提高開關頻率，提高逆變器的功率密度，同時滿足電能質量要求成為近年研究的熱點，逆變器正朝著高功率密度、高變換效率、高可靠性、智能化的方向發展。

　　本文從介紹并網逆變器類型著手，對并網逆變器的工作原理、主電路拓撲結構進行了詳細的闡述，并對光伏陣列輸出的最大功率跟蹤mppt及并網系統中孤島效應做了簡單的介紹。最后展望了光伏并網發電系統中的逆變器朝著高性能、高效率、智能化的方向發展的趨勢。

　　2 逆變器類型

　　根據采用隔離變壓器的類型，并網逆變可分為低頻環節、高頻環節以及非隔離型并網逆變。低頻環節并網逆變器采用工頻變壓器作為與電網的接口，因此存在體積和重量大、音頻噪音大的缺點;而非隔離型并網在一些國家禁止使用，因此現在普遍采用直接掛在電網上運行的高頻環節并網逆變器。

　　并網逆變器按輸入控制方式可以分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器。以電流源為輸入的逆變器，其直流側需要串聯一個大電感來提供比較穩定的直流電流輸入，但串入大電感往往會導致系統的動態響應差，因此當前世界范圍內大部分并網逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式。

　　并網逆變器按輸出控制模式可以分為電壓型控制模式和電流型控制模式。電壓型控制模式的原理是以輸出電壓作為控制量，系統輸出與電網電壓同頻同相的電壓信號，整個系統相當于一個內阻很小的受控電壓源;電流型控制模式的原理則是以輸出電感電流作為控制目標，系統輸出與電網電壓同頻同相的電流信號，整個系統相當于一個內阻較大的受控電流源。在電壓型控制模式中，逆變器輸出的是標準正弦脈寬調制信號，因此并網電流的質量完全取決于電網電壓的質量，只有當電網電壓質量很高時，才能得到高質量的并網電流。如果電網電壓受到干擾或出現不平衡時，由于并網逆變器對電網呈低阻抗特性，所以并網電流相應的也會受到干擾。而在電流型控制模式中，輸出電流是受控量，它的質量受電網電壓的影響較小，這是因為對電網來說并網逆變器呈高阻抗特性。所以采用電流型并網模式可以減小電網電壓的擾動對并網電流的影響，從而改善并網電流的質量。

　　若按逆變器主電路的結構來分，三相電壓型逆變器主要分為組合式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。

　　組合式逆變器的電路結構如圖1所示，它由完全相同的三個單相逆變器星形聯結構成，能同時實現單相和三相四線制供電。該電路結構不但具有極強的帶不平衡負載的能力，而且還可以實現獨立控制，提高了系統的安全性和可靠性。但是這種電路結構的不足之處是所需元器件數多、成本高。

　　三相半橋式逆變器由三個單相半橋式逆變器組合而成，如圖2所示。該逆變器的特點：

　　(1)若串聯的兩個電解電容足夠大，則可以保證中點的電位不偏移，具有很強的帶不平衡負載的能力，但是也大大的增加了系統的體積和重量;

　　(2)輸入直流電壓利用率較低。相同的輸出電壓，三相半橋逆變器所需的直流輸入電壓是三相全橋逆變電路的倍。

　　三相全橋式逆變器具有電路拓撲簡單、易于控制、功率開關器件電壓應力低等優點，還可以采用諧振緩沖技術來實現功率開關器件的軟開關，不足之處是帶不平衡負載的能力較弱，如圖3所示。大功率的并網逆變器為了避免直流側電壓產生較大的脈動基本上都使用三相逆變結構。

　　3 光伏并網逆變器工作原理

　　逆變器由igbt等功率開關器件構成，控制電路使開關元件有一定規律的連續開通或關斷，使輸出電壓極性正負交替，將直流輸入轉換為交流輸出。光伏發電系統中逆變器一般采用各種優化的pwm(脈沖寬度調制)策略來實現，對給定的電流波形進行跟蹤，將矩形波的交流電轉換為正弦波交流電，功率的控制則是通過對太陽能電池最大功率點的跟蹤實現。本文所研究的光伏并網發電裝置選擇三相全橋式逆變電路，如圖4所示，由于太陽能電池一般是電壓源，因此逆變器的主電路采用電壓型，在與外電網相聯時，為電壓型電流控制方式。三相全橋逆變器將光伏陣列的直流電壓變為高頻三項斬波電壓，濾波環節采用lcl濾波器，lcl濾波器相比傳統的單l濾波器有以下優點：lcl在高頻段的衰減性能更好，以-60db/dec的速度衰減;其次lcl是三階濾波器，所以對于同樣的諧波標準和較低的開關頻率，可以使用較小的電感，在大功率場合可以相對的減小系統的體積和成本;最后對于同樣的性能指標要求，可以通過加大支路電容的方法進一步減小電感值。通過濾波器濾波變成正弦波電流后，再經過工頻隔離變壓器隔離升壓后產生6kv(10kv)/50hz的工頻交流電，送入電網。逆變環節的核心是通過電力電子開關的導通與關斷，來完成逆變的功能，它需要控制回路來完成，通常采取電壓外環，電流內環的雙環控制模式，控制信號經過單片機或數字信號處理芯片來完成對主電路的控制。逆變器并網運行的主要控制目標是逆變器輸出正弦波電流與電網電壓在頻率、相位上同步，并且能實時跟蹤電網參數的變化，且電流的總畸變失真要低，以減小對電網的諧波影響，使并網系統的有功功率輸出達到最大，功率因數接近于1。由于電壓控制不能使系統同時保證響應速度和穩定性的要求，所以其控制通常采取電流控制方式。