基于一種新型逆變器優(yōu)化光伏系統(tǒng)詳解

隨著對綠色能源不斷增長的需求，太陽能發(fā)電近年來的迅猛發(fā)展引起了各方面的廣泛關(guān)注。這樣的高增長率預(yù)測是基于以下幾個因素：目前過剩的生產(chǎn)能力已經(jīng)將光伏系統(tǒng)的平均制造成本削減了百分之二十五；光伏系統(tǒng)的安裝價格在持續(xù)下降;世界范圍內(nèi)各國與地區(qū)的政府補貼。中國太陽能資源非常豐富，近期來國家的補貼扶持政策陸續(xù)推出。如其中最具影響的金太陽工程――提出對光伏并網(wǎng)項目和無電地區(qū)離網(wǎng)光伏發(fā)電項目分別給予50%及70%的財政補貼。

電路拓撲

要把太陽能轉(zhuǎn)換板輸出的“粗電”(波動的直流電壓)變成恒定可靠的正弦波交流市電，實現(xiàn)方式通常分為兩種構(gòu)架：單級變換和兩級變換，也稱為無直流斬波和有直流斬波式。有些時候也利于電力半導(dǎo)體器件的選取和系統(tǒng)成本優(yōu)化。所以越來越多的廠商在開發(fā)或評估單級變換的架構(gòu)，即使這樣會面臨更復(fù)雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓撲結(jié)構(gòu)中，HERIC 和多電平結(jié)構(gòu)吸引了業(yè)界更多的關(guān)注而且有望成為主流的拓撲形式，特別是在和電網(wǎng)相聯(lián)的情況下。

圖 2 ：三電平鉗位二極管拓撲。如圖1所示，HERIC逆變器的結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的單相逆變?nèi)珮蚧A(chǔ)上新增加了一對二極管串聯(lián)開關(guān)反并聯(lián)作為輸出。新增電路中的開關(guān)器件以工頻周波速度開關(guān)，對于器件速度沒有特殊需求。在應(yīng)用了適當(dāng)?shù)南辔豢刂浦?，這種電路能夠更加有效地處理無功功率，從而提高整個系統(tǒng)的效率。

三電平二極管鉗位逆變器是近來受到特別關(guān)注的一種新型太陽能逆變電路拓撲，它已被成功地使用在高電壓的集中式太陽能發(fā)電應(yīng)用中。圖2所示的三相三電平電路的每個橋臂由4只帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)串聯(lián)而成，另外每相有一個二極管相臂跨接在主開關(guān)之間，且其中點和直流母線的中性點直接連通。這個二極管相臂起電壓鉗位的作用以保證電路工作時，每個主開關(guān)器件所受最大電壓應(yīng)力為母線電壓的一半。由于這種特殊的拓撲結(jié)構(gòu)，三電平輸出具有低次諧波小(交流輸出更接近正弦)，電磁噪聲水平低，所需開關(guān)器件的電壓耐量低和級數(shù)可擴展等優(yōu)點。在太陽能并網(wǎng)發(fā)電時，尤其適用于三相大功率高電壓的場合。體現(xiàn)在三個方面：首先，實踐證明，高壓半導(dǎo)體開關(guān)器件的價格高于相同電流耐量一半電壓耐量的低壓器件的兩倍，從而三電平電路的器件成本更低;其次，輸出電壓的諧波小，所需的濾波器磁性元件尺寸大為減小，從而降低了濾波設(shè)備成本;最后，由于開管數(shù)量的增多，即使在脈寬調(diào)制方式下，三電平的部分主開關(guān)可以在低頻下開關(guān)，就可以采用相對經(jīng)濟的開關(guān)器件。

電力電子器件的常用種類和選型原則

用于廣義的太陽能逆變器的功率半導(dǎo)體器件主要有MOSFE是一種金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱尚包括NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。IGBT，Super Junction MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。與此相對的IGBT則開關(guān)速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價格便宜并適用于大電流的應(yīng)用場合。超結(jié)MOSFET介于兩者之間，是一種性能價格折中的產(chǎn)品，在實際設(shè)計中被廣為應(yīng)用。為了幫助設(shè)計人員量化的分析效率和器件成本之間的關(guān)系，表一羅列了三種半導(dǎo)體開關(guān)器件的功率損耗和價格因素，為了便于比較，各參數(shù)均以MOSFET情況作歸一化處理。

表1 常用開關(guān)器件的性能與價格對照表 (所有數(shù)字以MOSFET情況歸一化)單相全橋混合器件模塊與三電平混合器件模塊

圖3所示的混合單相全橋功率模塊是專用于太陽能單相逆變的產(chǎn)品。配合以單極型調(diào)制方法，每個橋臂的兩只開關(guān)管分別工作在完全相異開關(guān)頻率范圍。以圖示為例，上管總是在工頻切換通斷狀態(tài)，而下管總是在脈寬調(diào)制頻率下動作。根據(jù)這種工作特點，上管總是選用相對便宜的門極溝道型 IGBT以優(yōu)化通態(tài)損耗，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。而下管可選擇非穿通型(NPT) IGBT以減少開關(guān)損耗。這種拓撲結(jié)構(gòu)不但保障了最高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率還降低了整個逆變設(shè)備的成本