基于一種新型逆變器優化光伏系統詳解

隨著對綠色能源不斷增長的需求，太陽能發電近年來的迅猛發展引起了各方面的廣泛關注。這樣的高增長率預測是基于以下幾個因素：目前過剩的生產能力已經將光伏系統的平均制造成本削減了百分之二十五；光伏系統的安裝價格在持續下降;世界范圍內各國與地區的政府補貼。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推出。如其中最具影響的金太陽工程――提出對光伏并網項目和無電地區離網光伏發電項目分別給予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，實現方式通常分為兩種構架：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體器件的選取和系統成本優化。所以越來越多的廠商在開發或評估單級變換的架構，即使這樣會面臨更復雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓撲結構中，HERIC 和多電平結構吸引了業界更多的關注而且有望成為主流的拓撲形式，特別是在和電網相聯的情況下。

圖 2 ：三電平鉗位二極管拓撲。如圖1所示，HERIC逆變器的結構是在傳統的單相逆變全橋基礎上新增加了一對二極管串聯開關反并聯作為輸出。新增電路中的開關器件以工頻周波速度開關，對于器件速度沒有特殊需求。在應用了適當的相位控制之后，這種電路能夠更加有效地處理無功功率，從而提高整個系統的效率。

三電平二極管鉗位逆變器是近來受到特別關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電應用中。圖2所示的三相三電平電路的每個橋臂由4只帶反并聯二極管的開關串聯而成，另外每相有一個二極管相臂跨接在主開關之間，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，每個主開關器件所受最大電壓應力為母線電壓的一半。由于這種特殊的拓撲結構，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，所需開關器件的電壓耐量低和級數可擴展等優點。在太陽能并網發電時，尤其適用于三相大功率高電壓的場合。體現在三個方面：首先，實踐證明，高壓半導體開關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，從而降低了濾波設備成本;最后，由于開管數量的增多，即使在脈寬調制方式下，三電平的部分主開關可以在低頻下開關，就可以采用相對經濟的開關器件。

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體器件主要有MOSFE是一種金屬-氧化層-半導體-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用場合。超結MOSFET介于兩者之間，是一種性能價格折中的產品，在實際設計中被廣為應用。為了幫助設計人員量化的分析效率和器件成本之間的關系，表一羅列了三種半導體開關器件的功率損耗和價格因素，為了便于比較，各參數均以MOSFET情況作歸一化處理。

表1 常用開關器件的性能與價格對照表 (所有數字以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品。配合以單極型調制方法，每個橋臂的兩只開關管分別工作在完全相異開關頻率范圍。以圖示為例，上管總是在工頻切換通斷狀態，而下管總是在脈寬調制頻率下動作。根據這種工作特點，上管總是選用相對便宜的門極溝道型 IGBT以優化通態損耗，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(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。而下管可選擇非穿通型(NPT) IGBT以減少開關損耗。這種拓撲結構不但保障了最高系統轉換效率還降低了整個逆變設備的成本