光伏發(fā)電用的功率調(diào)節(jié)器及其高效率化技術(shù)

1前言

近年來，從地球環(huán)境保護、化石能源枯竭等觀點看，利用自然能源的太陽能（光伏）發(fā)電正急速的擴展。而且，在許多國家實施了引進設(shè)備時的經(jīng)費補貼制度和購電補償制度等政策扶持，隨后不斷推進著太陽能發(fā)電的普及。全世界的光伏市場，2008年就已達5.95GW，預(yù)計在此基礎(chǔ)上，今后必將穩(wěn)步的提升和擴大。

一片單晶硅構(gòu)成的太陽能電池稱為單體(cell)，由多數(shù)太陽能單體組成的構(gòu)件稱為太陽能模塊(Module)，將多個模塊串、并聯(lián)結(jié)即構(gòu)成太陽電池模塊群。由模塊群構(gòu)成的大型裝置則稱為太陽能電池陣列。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，是由太陽能電池模塊群和逆變器組成的，逆變器的作用是將發(fā)出的直流電變換成交流電，這一電力電子變換器也稱為功率調(diào)節(jié)器(powerconditioner)。

功率調(diào)節(jié)器具有以下功能：

(1)盡可能大的輸出太陽電池的發(fā)電功率[最大功率點跟蹤(MPPT)控制功能]

(2)高效率的將直流電力變換為交流電力（逆變器功能）

(3)將發(fā)出的電力輸送至電力系統(tǒng)（向系統(tǒng)并網(wǎng)功能）

(4)檢測出電力系統(tǒng)的異常后停止發(fā)電（系統(tǒng)聯(lián)結(jié)保護功能）

本文對功率調(diào)節(jié)器的功能與結(jié)構(gòu)，有關(guān)功率調(diào)節(jié)器的高效率化技術(shù)予以介紹。

2功率調(diào)節(jié)器的功能與結(jié)構(gòu)

如上所述，功率調(diào)節(jié)器具有MPPT功能與轉(zhuǎn)換直流為交流的功能。本節(jié)就有關(guān)實現(xiàn)這些功能及這一變換器的結(jié)構(gòu)予以說明。

2.1MPPT功能

太陽光照射的能量，當(dāng)溫度改變時，太陽電池模塊的電壓與電流、電壓與發(fā)電功率的關(guān)系，如圖2所示。由圖可見，對于太陽電池來說，存在輸出最大功率的電壓條件。太陽光照射能量的強弱，即太陽電池的溫度，其特性是變化的。功率調(diào)節(jié)器，就是經(jīng)常不斷對太陽電池在其工作條件下獲得最大功率的電壓值進行控制的器件。

2.2功率調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)

功率調(diào)節(jié)器的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。太陽電池的直流功率輸入至斬波電路，在高效的取出太陽電池功率（最大功率點跟蹤）的同時，應(yīng)在逆變器前先變換成必要的直流電壓；然后將輸入的直流功率變換成交流功率，并控制其輸出的電流達到所希望的交流電流。逆變器的輸出因是脈沖狀的電壓波形。故由線圈和電容器組成的輸出濾波器再變換成平穩(wěn)的正弦波電壓。輸出濾波器與系統(tǒng)電壓之間必須相互對應(yīng)，接通和切除系統(tǒng)與逆變器的連接，應(yīng)裝配并網(wǎng)（并入系統(tǒng)）的開關(guān)，藉助控制回路對各部分電路進行控制。

功率調(diào)節(jié)器的斬波電路，在逆變器中會產(chǎn)生功率損失。構(gòu)成各個電路的半導(dǎo)體開關(guān)元件、線圈、電容器，配線，由于電流的流通會產(chǎn)生正常的固定損失（導(dǎo)通損失），半導(dǎo)體開關(guān)元件通斷電流時會產(chǎn)生過渡損失（開關(guān)損失），這些都是損失的重要因素。為了實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)器的高效率化，關(guān)鍵是如何降低導(dǎo)通損失和開關(guān)損失。導(dǎo)通損失減小后，取決于所用電路元件性能的部分則增大；要使開關(guān)損失減小，在降低開關(guān)電壓和減小開關(guān)次數(shù)方面下功夫是有效的。3高效率逆變器(階梯控制型逆變器)

已知，階梯控制型逆變器是作為力求逆變器低損耗化的一種方式。圖4所示為逆變器的結(jié)構(gòu)例子以及輸出電壓的波形。階梯控制型逆變器，是將電壓不同的多個逆變器串聯(lián)連接，使各個逆變器的輸出組合一起，獲得模擬的正弦波電壓的一種方式。各個逆變器的電壓，形成級差為2或者級差為3的等差級數(shù)關(guān)系。階梯控制型逆變器的輸出波形為階梯形狀，并將其各個電平稱之為階調(diào)電平。例如，級差為2的三位數(shù)(Vo2Vo4Vo)階梯控制型逆變器場合下，能得到兩級15個階梯，而級差為3的三位數(shù)(Vo3Vo6Vo)場合下，則能得到兩級27個階梯的輸出。

階梯調(diào)制器逆變器的特點如下：(1)由于開關(guān)頻率能大幅度降低，故為低損耗、低噪音的器件；(2)由于電壓的幅值小，能使輸出濾波器設(shè)計得更小，能實現(xiàn)小型化；(3)因以各個逆變器產(chǎn)生的電壓總和得到輸出電壓，故能產(chǎn)生比輸入電壓更高的交流電壓。

而且，由特點(3)，能將直流母線電壓設(shè)定得比原來方式的更低，還具有逆變器前段的斬波回路損耗降低的效果。

階梯控制型逆變器，由從外部輸入直流電壓的主逆變器，和與其串聯(lián)連接的副逆變器組成。輸入主逆變器的直流電壓，通過DC/DC變換器向副逆變器供給直流電壓；如加上DC/DC變換器的功率變換損失，則不能實現(xiàn)高效率。對于階梯控制型逆變器，采用了不必追加DC/DC變換器的情況下，向副逆變器供給直流電力的技術(shù)。

輸入主逆變器的直流功率，按表1所列說明，分別送至副逆變器，輸出所需的電壓。表中，列出的是級差為2的三位等差級數(shù)場合。此時，在單極性下能輸出8個電平的電壓(0Vo~7Vo)。例如，輸出Vo時能選擇(0,0,Vo)，(0,2Vo,-Vo)，(4Vo,-2Vo,-Vo)三個方法。從（4Vo,-2Vo,-Vo）場合可見，主逆變器供給副逆變器