共直流母線并聯光伏逆變器的效率特性

摘要：隨著單臺光伏逆變器技術的曰趨成熟和光伏發電規模的日益擴大，逆變器集群特性和控制逐漸受到重視。通過理論推導和實驗驗證，研究、探討了并聯逆變器集群的效率特性，得出使逆變系統總體效率最高的功率分配方式，這一成果將為逆變器集群控制策略的設計提供重要參考。
關鍵詞：光伏發電；逆變器；并聯；效率

1 引言
隨著單臺逆變器技術的日趨成熟和光伏發電規模的日益擴大，逆變器集群特性和控制逐漸受到重視。文獻指出逆變器共直流母線并聯結構有助于提高逆變系統能效并降低發電成本。文獻描述了一種群組概念：當光照較弱時，將各光伏電池組串并聯，根據功率大小起動相應數量的逆變器，以求小功率時達到良好的輸出電流質量和系統效率；當光照較強時，以多組串方式運行，每臺變換器帶一個組串，以實現更好的最大功率點跟蹤。文獻提出一種模塊化光伏系統，任意時刻僅有一個模塊工作在非滿載狀態，其余模塊處于滿載或待機狀態。然而，共用直流母線的逆變器并聯運行時，采取順序投入方式好還是均流方式更好，需進一步明確。這里將對此問題進行探討。

2 并聯逆變器效率問題
對于如圖1所示的共直流母線并聯逆變器集群，可以通過合理投入逆變器數量和分配功率實現優化運行。

假設并聯逆變器集群中，每臺逆變器的效率不受其他逆變器的影響，在任何工作方式下仍保持各自原有效率特性，并且逆變器效率特性不隨時間變化，則集群效率最優化問題可描述為：在給定總輸入功率條件下，求各逆變器功率，使逆變系統輸出總功率最大，即：

式中：i為逆變器序號；xi為逆變器i的輸入功率；fi(xi)為輸入功率為xi時，逆變器i的效率；X為總輸入功率；xmaxi為逆變器i的最大輸入功率；n為逆變器總數。
此優化問題可分為兩步求解：①給定總功率和投入逆變器數量，求各逆變器功率分配，使總效率最高；②在上一步基礎上，確定使總效率最高的逆變器投入數量。這里將從理論和實驗兩方面對以上第一步所述問題進行研究和探討，并針對一種簡化的情況推導以上第二步所述問題的解。

3 單臺逆變器的效率模型
典型的單臺逆變器效率特性曲線如圖2所示。逆變效率η隨功率P不同而非線性變化。在P較低區域，η嚴重下降，而在P中高區域，η較高。

對單臺逆變器效率特性建模。將逆變器損耗分為4類：①電阻性損耗，即與電流平方成正比的損耗，例如線路和濾波電抗器內阻上的損耗、開關管通態損耗等；②與電壓電流之積成正比的損耗，例如開關管開關損耗；③與電壓平方成正比的損耗，例如均壓電阻損耗、采樣電阻損耗；④固定損耗，例如控制系統功耗。
當直流電壓和電網電壓不變時，上述損耗可合并為以下3類：與電流平方成正比的損耗、與電流成正比的損耗和固定損耗。設輸入功率為x，輸出功率為)y，有：y=x-(ay2+by+c)，則：x=ay2+(b+1)y+c，設b’=b+1，于是得逆變效率η與y關系為：

考慮同一產品系列中不同功率等級的逆變器。設有一臺基準逆變器最大輸出功率為ymax，其效率特性滿足式(2)。由于在同樣技術條件下制造的不同逆變器效率特性相差較小，此處假設所有逆變器的效率特性曲線與基準逆變器的效率特性曲線形狀相同，即，對于逆變器i，若其最大輸出功率ymax=kiymax，則其效率特性為：


4 并聯逆變器的效率特性
在單機效率模型基礎上，研究共直流母線多機并聯系統的效率。將并聯逆變器系統效率最優化問題描述為：當總輸出功率Y一定時，求各逆變器的輸出功率yi，使總輸入功率最小，即：