新型逆變器如何來優(yōu)化光伏系統(tǒng)設(shè)計

    近年來光伏發(fā)電在各國的普及和應用取得可觀的進展。作為電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電力電子變換器對于光伏系統(tǒng)的整體性能與可靠性占有舉足輕重的地位。本文在簡要回顧了太陽能市場近年來的發(fā)展之后，著重分析了太陽能逆變器的設(shè)計需要并由此闡述了功率半導體器件與電路拓撲方面的優(yōu)選原則。
     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。2009年度以美國為例，太陽能工業(yè)總產(chǎn)值在整體經(jīng)濟低迷的形勢下仍增長了百分之三十六，并吸引了高達14億美元的風險投資。據(jù)有關(guān)方面的可靠報導，在未來三年里，全世界對光伏發(fā)電系統(tǒng)的年需求將保持百分之三十的速度遞增。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(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�？梢韵嘈牛�中國太陽能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在處于一個高速發(fā)展的時期。
電力電子的設(shè)計對于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的整體效能具有舉足輕重的地位。最高的轉(zhuǎn)換效率永遠是系統(tǒng)設(shè)計工程師考慮的首要因素。由于光電轉(zhuǎn)換板的效率很低，通常不超過百分之二十，因此太陽能逆變器的轉(zhuǎn)換效率對于減小太陽能板總面積和系統(tǒng)總體積就至關(guān)重要。除此之外，在電能轉(zhuǎn)換過程的功率損耗直接導致了半導體晶圓的溫度升高，所以要通過散熱器有效耗散這部分損耗能量。器件工作時的溫升和熱應力是影響可靠性的重要參數(shù)，換言之，減少功率變換損耗不僅節(jié)約了能源，還提高了系統(tǒng)可靠性，縮減了系統(tǒng)體積和成本。本文將闡述以提高能效為目標的太陽能逆變器設(shè)計原則，并介紹市場上應運而生的各種新器件，新電路和最新控制技術(shù)。
     HERIC逆變器的結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的單相逆變?nèi)珮蚧�礎(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。在應用了適當?shù)南辔豢刂浦�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(tǒng)的效率。應當指出，這種拓撲結(jié)構(gòu)現(xiàn)在仍然處于Sunways所獲專利的有效期之內(nèi)，因而在歐洲的應用相對于亞洲和北美要廣泛。
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�。ń涣鬏敵龈�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。此外，多電平電路對于系統(tǒng)成本的節(jié)約意義顯著。體現(xiàn)在三個方面：首先，實踐證明，高壓半導體開關(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。直流-直流斬波器能夠保持逆變器輸入側(cè)電壓的恒定和可調(diào)，從而實現(xiàn)電壓和功率控制之間的解耦。有些時候也利于電力半導體器件的選取和系統(tǒng)成本優(yōu)化。但是，毋庸置疑，這一級額外的變換裝置很可能對系統(tǒng)效率帶來負面影響，所以越來越多的廠商在開發(fā)或*估單級變換的架構(gòu)，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(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。