光伏發(fā)電逆變技術(shù)發(fā)展趨勢

逆變技術(shù)是在電力電子技術(shù)中最主要、最核心的技術(shù)，它主要應用于各種逆變電源、變頻電源、開(kāi)關(guān)電源、UPS電源、交流穩壓電源、電力系統的無(wú)功補償、電力有源濾波器、變頻調整器、電動(dòng)汽車(chē)、電氣火車(chē)、燃料電池靜置式發(fā)電站等。

隨著(zhù)光伏發(fā)電的迅速發(fā)展，對光伏發(fā)電提出了新的要求，需要大規模的并網(wǎng)發(fā)電，與電網(wǎng)連接同步運行。并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電的核心，對其要求也越來(lái)越高。首先，要求逆變器輸出的電量和電網(wǎng)電量保持同步，在相位、頻率上嚴格一致，逆變器的功率因數近于1。其次，滿(mǎn)足電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求，逆變器應輸出失真度小的正弦波。第三，具有對孤島檢測的功能，防止孤島效應的發(fā)生，避免對用電設備 和人身造成傷害。第四，為了保證電網(wǎng)和逆變器安裝可靠運行，兩者之間的有效隔離及接地技術(shù)也非常重要。

（1）結構發(fā)展趨勢

過(guò)去逆變器的結構由工頻變壓器結構的光伏逆變器轉化多轉換級帶高頻變壓器的逆變結構，功率密度大大提高， 但也導致了逆變器的電路結構復雜， 可靠性降低?，F階段的光伏并網(wǎng)逆變器普遍采用了 串級型，經(jīng)過(guò)反復研究表明：逆變器采用多串級逆 變結構，融合了串級的設計靈活、高能量輸出與集 中型低成本的優(yōu)點(diǎn)，是今后光伏并網(wǎng)逆變結構的一 種發(fā)展趨勢。

（2）控制策略發(fā)展趨勢

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統中的逆變器需要對電流和功 率進(jìn)行控制，逆變器輸出電流主要采用各種優(yōu)化的 PWM 控制策略。對光伏陣列工作點(diǎn)跟蹤控制主要有：恒電壓控制策略和 MPPT 光伏陣列功率點(diǎn)控制策略。

現代控制理論中許多先進(jìn)算法也被應用到光伏 逆變系統的控制中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、自適應、滑 模變結構、模糊控制等。將來(lái)光伏并網(wǎng)系統的綜合 控制成為其研究發(fā)展的新趨勢?；谒矔r(shí)無(wú)功理論 的無(wú)功與諧波電流補償控制，使得光伏并網(wǎng)系統既 可以向電網(wǎng)提供有功功率，又可以實(shí)現電網(wǎng)無(wú)功和 諧波電流補償。 這對逆變器跟蹤電網(wǎng)控制的實(shí)時(shí)性、 動(dòng)態(tài)特性要求更高。

逆變器對于孤島效應的控制，孤島效應的檢測一般分成被動(dòng)式與主動(dòng)式。常常采用主動(dòng)檢測法如脈沖電流注入法 、輸出功率變化檢測法、主動(dòng)頻率偏移法和滑模頻率偏移法等。隨著(zhù)光伏并網(wǎng)發(fā)電系 統進(jìn)一步的廣泛應用，當多個(gè)逆變器同時(shí)并網(wǎng)時(shí)，不同逆變器輸出的變化非常大。將來(lái)多逆變器的并網(wǎng)通信、協(xié)同控制已成為其孤島效應檢測與控制發(fā)展趨勢。

高壓、大容量逆變器的關(guān)鍵技術(shù)

目前，我國小型、低壓用戶(hù)直接并網(wǎng)的光伏逆變器有了較成熟的產(chǎn)品，對于高壓大功率并網(wǎng)逆變器的研究正處于研制階段。本文介紹了一種采用高電壓、 MW 級大容量并網(wǎng)的方式，并達到了高壓并網(wǎng)要求的技術(shù)。

該逆變器采用九電平變基準疊加 PWM 與矢量 控制相結合的控制方法來(lái)控制 IGBT 開(kāi)關(guān)，通過(guò)三相 IGBT 功率模塊及優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構將直流逆 變成完美無(wú)諧波的正弦電壓、電流波形，并采用數 學(xué)模糊集合基礎上的頻率偏移主動(dòng)式反孤島控制，與電網(wǎng)智能化軟連接并網(wǎng)運行。
[page]
1、開(kāi)關(guān)拓撲電路逆變器技術(shù)原理

九電平 IGBT 開(kāi)關(guān)拓撲電路逆變器采用的拓撲電路是變基準疊加技術(shù)的九電平完美無(wú)諧波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )拓撲電路，如圖2所示。


（1）結構及原理描述：如圖 2 所示，變基準疊加技術(shù)的九電平完美無(wú) 諧波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )拓撲電路，由三個(gè)單相的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )拓 撲電路組成， U 相開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )拓撲電路由 6 個(gè)二極管 D1-D6、D 10 個(gè)絕緣柵雙極三極管 IGBT1-IGBT10、電 阻 R1、 R2 和電容 C1、 C2 構成。同理，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )拓 撲電路的 V 相和 W 相的所有元器件與 U 相的開(kāi)關(guān) 網(wǎng)絡(luò )拓撲電路完全相同。

電路中 IGBT1、 IGBT5、 IGBT4、 IGBT8 用作 PWM 控制， IGBT2 、 IGBT3 、 IGBT6 、 IGBT7 用作電平疊 加， 與其相對應的 D3、D4、D5、D6 均為箝位二極管。

[page]
IGBT 開(kāi)關(guān)工作原理是：如圖 2 所示，當 U 相 的開(kāi)關(guān) IGBT3、 IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相 的 IGBT2、IGBT7、IGBT8 導通時(shí)，在 V 相的 IGBT1 上施加 PWM 信號時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生如圖 3 所示的九電 平信號。如圖 2 所示，當 U 相的 IGBT3、IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相的 IGBT2、 IGBT7 導通時(shí)， 在 V 相的 IGBT1 上施加脈沖寬度調制 PWM信號時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生如 4 所示的四電平信號。 根據上述原理，配合不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以產(chǎn)生出 -4E~4E 九個(gè)電平信號。在每一個(gè)電平臺階上， 可根據不同脈寬的 PWM 信號，模擬出本段的波形， 從而能夠形成比較完美的正弦波。

（2）與傳統技術(shù)進(jìn)行比較的優(yōu)勢本逆變器采用了上述結構與傳統技術(shù)相比，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：1）利用低電壓、小功率的 IGBT 開(kāi)關(guān)的組合實(shí) 現了大功率高電壓逆變器的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )拓撲電路。 2）逆變器輸出電壓波形為九電平完美無(wú)諧波， 其THD 各項指標均滿(mǎn)足 IEEE 要求。 3）電路易于控制，用 PWM 控制去完成系統的 無(wú)功功率分布，進(jìn)而達到使系統功率因數趨于1。 4）與傳統的多重化結構比較：若輸出九電平波 形，多重化電路需要 16 個(gè) IGBT 開(kāi)關(guān)。本逆變器拓 撲電路采用疊加技術(shù)，每相只需 10 個(gè) IGBT 開(kāi)關(guān)。

2、九電平開(kāi)關(guān)操作及并網(wǎng)運行主控制器原理


圖 5 為九電平開(kāi)關(guān)操作及并網(wǎng)運行主控制器原 理框圖，其特點(diǎn)為：通過(guò)檢測開(kāi)關(guān)狀態(tài)提高 IGBT 開(kāi)關(guān)的可靠性和易操作性，并實(shí)時(shí)檢測比較九電平 IGBT 開(kāi)關(guān)輸出端與電網(wǎng)端的電流、電壓、頻率、波 形等相關(guān)信息，完成智能化軟啟動(dòng)并網(wǎng)運行及反孤島運行的功能。
[page]
該主控制器包括主控制微控制器及輔助電路、 輔助控制微控制器及輔助電路、控制面板微控制器 及輔助電路、IGBT 開(kāi)關(guān)檢測電路、雙端口隨機存取 存儲器和模擬信號偏置電路。

主控制微控制器與輔助控制微控制器之間采用雙端口隨機存取存儲器連接，完成傳遞 IGBT 開(kāi)關(guān) 檢測數據及軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的數據， 相互傳遞通訊信息， 完成優(yōu)化控制功能。

IGBT 開(kāi)關(guān)檢測電路與主控制微控制器和輔助控制微控制器連接，使主控制微控制器及輔助控制微控制器實(shí)時(shí)準確的檢測所有 IGBT 開(kāi)關(guān)的切換狀態(tài)及關(guān)斷狀態(tài)，為主控制微控制器及輔助控制微控制器提供可靠的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息，使主控制微控制器及輔助控制微控制器可準確無(wú)誤的向九電平 IGBT 開(kāi)關(guān)拓撲電路發(fā)出觸發(fā)信號，同時(shí)避免了開(kāi)關(guān)切換 時(shí)的狀態(tài)混疊現象，保證 IGBT 開(kāi)關(guān)有序的切換。模擬信號偏置電路與主控制微控制器和輔助控制微控制器連接，為主控制微控制器和輔助控制微控制器提供被控電網(wǎng)的電壓及電流參數。

主控制微控制器及輔助電路包括主控制微控制 器芯片，用于接收由 PT、 CT 轉化后的信號而自動(dòng) 檢測直流系統及電網(wǎng)的參數并動(dòng)態(tài)的建立其數學(xué)模 型，計算直流系統運行的所有參數并輸出相應的指令，控制輸出給電網(wǎng)的電壓為期望的九電平波形， 電流為完美無(wú)諧波的正弦波形，使逆變器與電網(wǎng)系 統功率因數趨于 1.0。

同時(shí)，主控制微控制器（MCU）和輔助控制微控制器（MCU）還與智能化軟啟動(dòng)連接及反孤島運行控制部分相連，實(shí)時(shí)采集處理軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)兩側的電流、電壓、頻率變量完成智能化軟啟動(dòng)并網(wǎng)運行及主動(dòng)反孤島式運行的功能。

3、智能化軟起動(dòng)連接及反孤島運行控制部分

晶閘管開(kāi)關(guān)對逆變器輸出側和電網(wǎng)側電壓幅 值、大小、相位及頻率實(shí)時(shí)采集，不斷進(jìn)行比較，當其達到允許誤差值范圍時(shí)，由控制器發(fā)出觸發(fā)信 號，控制相應可控硅的門(mén)極。因為電壓幅值、相位 及頻率均為空間矢量，當進(jìn)行比較時(shí)需要在三維空 間內進(jìn)行，將其轉化成模糊集合更趨近于實(shí)際工程 情況，故此處使用數學(xué)模糊集合的概念對空間矢量 進(jìn)行替換，完成軟起動(dòng)功能。

本逆變器采用人工智能主動(dòng)式頻率負偏移方法。通過(guò)軟硬件將電路周期性地檢測出相鄰兩次電 網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻，計算出電網(wǎng)電壓的頻率 f，然 后在此頻率 f 的基礎上引入偏移量△ f，最后將頻率 （ f±△ f）作為輸出并網(wǎng)電流的給定頻率，并且在電 網(wǎng)電壓每次過(guò)零時(shí)使輸出并網(wǎng)電流復位。當電網(wǎng)出現故障時(shí)，光伏陣列經(jīng)逆變器的輸出的電流、電壓 發(fā)生畸變，且出現輸出頻率錯位變化。形成了給定 逆變器輸出的電流、電壓、頻率的正反饋，并超過(guò)頻率保護的上、下限值，從而是逆變器有效的檢測出系統故障。利用模糊數學(xué)的方法將已知的數據進(jìn)行狀態(tài)估計和處理，并實(shí)時(shí)與逆變器輸出的電壓、電流、頻率進(jìn)行比較，以達到與電網(wǎng)的主動(dòng)式反孤島運行，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)的智能化軟啟動(dòng)連接，以及逆變器相應的IGBT開(kāi)關(guān)的優(yōu)化控制操作運行。

以上介紹的逆變器采用變基準疊加技術(shù)的九電平完美無(wú)諧波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )拓撲電路，使逆變出的電流波形滿(mǎn)足IEEE標準要求，盡可能的減少諧波污染。 逆變器的主控制器可通過(guò)實(shí)時(shí)檢測開(kāi)關(guān)狀態(tài)，有效避免開(kāi)關(guān)的混疊，提高IGBT開(kāi)關(guān)的可靠性和易操作性。

如何正確地為光伏逆變器應用選擇IGBT

如今市場(chǎng)上先進(jìn)功率元件的種類(lèi)數不勝數，工程人員要為一項應用選擇到合適的功率元件，的確是一項艱巨的工作。以太陽(yáng)能逆變器應用來(lái)說(shuō)， IGBT能比其他功率元件提供更多的效益，其中包括高載流能力、以電壓而非電流進(jìn)行控制，并能使逆并聯(lián)二極管與IGBT配合。如果利用全橋逆變器拓撲及選用合適的IGBT，將使太陽(yáng)能應用的功耗降至最低。
[page]
太陽(yáng)能逆變器是一種功率電子電路，能把太陽(yáng)能電池板的直流電壓轉換為交流電壓來(lái)驅動(dòng)家用電器、照明及電機工具等交流負載。如圖6所示，太陽(yáng)能逆變器的典型架構一般采用四個(gè)開(kāi)關(guān)的全橋拓撲。


在圖6中，Q1和Q3被指定為高壓側IGBT，Q2和Q4則是低壓側IGBT。該逆變器用于在其目標市場(chǎng)的頻率和電壓條件下，產(chǎn)生單相位正弦電壓波形。有些逆變器用于連接凈計量效益電網(wǎng)的住宅安裝，這就是其中一個(gè)目標應用市場(chǎng)，此項應用要求逆變器提供低諧波交流正弦電壓，讓電力可注入電網(wǎng)中。

為滿(mǎn)足這個(gè)要求，IGBT可在20kHz或以上頻率的情況下，對50Hz或60Hz的頻率進(jìn)行脈寬調制，因此輸出電感器L1和L2便可以保持合理的小巧體積，并能有效抑制諧波。此外，由于其轉換頻率高出人類(lèi)的正常聽(tīng)覺(jué)頻譜，因此該設計也可盡量減少逆變器產(chǎn)生的可聽(tīng)噪聲。

脈寬調制這些IGBT的最佳方法是什么？怎樣才能把功耗降到最低呢？方法之一是僅對高壓側IGBT進(jìn)行脈寬調制，對應的低壓側IGBT以50Hz或60Hz換相。圖7所示為一個(gè)典型的柵壓信號。當Q1正進(jìn)行脈寬調制時(shí)，Q4維持正半周期操作。Q2和Q3在正半周期保持關(guān)斷。到了負半周期，當Q3進(jìn)行脈寬調制時(shí)，Q2保持開(kāi)啟狀態(tài)。Q1和Q4會(huì )在負半周期關(guān)斷。圖7也顯示了通過(guò)輸出濾波電容器C1的AC正弦電壓波形。

圖7：IGBT提供的柵極驅動(dòng)信號及經(jīng)過(guò)輸出濾波電容器C1的AC正弦電壓波形

此變換技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)電流不會(huì )在高壓側反并二極管上自由流動(dòng)，因此可把不必要的損耗低至最低。(2)低壓側IGBT只會(huì )在50Hz或60Hz工頻進(jìn)行切換，主要是導通損耗。(3)由于同一相上的IGBT絕對不會(huì )以互補的方式進(jìn)行轉換，所以不可能出現總線(xiàn)短路擊穿情況。(4)可優(yōu)化低壓側IGBT的反并聯(lián)二極管，以盡量減低續流和反向恢復導致的損耗。
[page]
IGBT技術(shù)

IGBT基本上是具備金屬門(mén)氧化物門(mén)結構的雙極型晶體管(BJT)。這種設計讓IGBT的柵極可以像MOSFET一樣，以電壓代替電流來(lái)控制開(kāi)關(guān)。作為一種BJT，IGBT的電流處理能力比MOSFET更高。同時(shí)，IGBT亦如BJT一樣是一種少數載體元件。這意味著(zhù)IGBT關(guān)閉的速度是由少數載體復合的速度快慢來(lái)決定。此外，IGBT的關(guān)閉時(shí)間與它的集極-射極飽和電壓(Vce(on))成反比(如圖8所示)。

圖8：IGBT的關(guān)閉時(shí)間與它的集極-射極飽和電壓(Vce(on))成反比

以圖8為例，若IGBT擁有相同的體積和技術(shù)，一個(gè)超速I(mǎi)GBT比一個(gè)標準速度的IGBT擁有更高的Vce(on)。然而，超速I(mǎi)GBT的關(guān)閉速度卻比標準IGBT快得多。圖8反映的這種關(guān)系，是通過(guò)控制IGBT的少數載體復合率的使用周期以影響關(guān)閉時(shí)間來(lái)實(shí)現的。
 

圖9：不同速度和技術(shù)的IGBT參數對比

圖9顯示了四個(gè)擁有相同尺寸的IGBT的參數值。前三個(gè)IGBT采用同樣的平面式技術(shù)，但使用不同的壽命復合控制計量。從表中可見(jiàn)，標準速度的IGBT具有最低Vce(on)，但與快速和超速平面式IGBT相比，標準速度的IGBT下降時(shí)間最慢。第四個(gè)IGBT是經(jīng)優(yōu)化的槽柵IGBT，能夠為太陽(yáng)能逆變器這類(lèi)高頻率切換應用提供低導通和開(kāi)關(guān)損耗。請注意，槽柵IGBT的Vce(on)和總切換損耗(Ets)比超速平面式IGBT低。
[page]
高壓側IGBT

前文討論了高壓側IGBT在20kHz或以上頻率進(jìn)行切換。假設設計一個(gè)擁有230V交流輸出的1.5kW太陽(yáng)能逆變器，上圖中哪種IGBT具有最低的功耗呢？圖10顯示了IGBT在20kHz進(jìn)行切換的功耗分析，由此可見(jiàn)超速平面式IGBT比其它兩種平面式IGBT具有更低的總功耗。
 

圖10：IGBT在20kHz進(jìn)行切換的功耗分析

在20kHz下，開(kāi)關(guān)損耗明顯成為總功耗的重要部分。同時(shí)，標準速度IGBT的導通損耗雖然最低，但其開(kāi)關(guān)損耗卻最大，并不適合充當高壓側IGBT。

最新的600V槽柵IGBT專(zhuān)為20kHz的切換進(jìn)行了優(yōu)化。如圖11所示，這種IGBT比以往的平面式IGBT提供較低的總功耗。因此，為了讓太陽(yáng)能逆變器的設計能夠達到最高效率，槽柵IGBT是高壓側IGBT的首選元件。
 

圖11：標準速度IGBT在50Hz或60Hz下?lián)碛凶畹偷膶〒p耗

低壓側IGBT

低壓側IGBT同樣有同一問(wèn)題。究竟哪一種IGBT才能提供最低的功耗？由于這些IGBT只會(huì )進(jìn)行50Hz或60Hz切換，如圖11所示，標準速度IGBT可提供最低的功耗。雖然標準IGBT會(huì )帶來(lái)一些開(kāi)關(guān)損耗，但數值并不足以影響IGBT的總功耗。事實(shí)上，最新的槽柵IGBT仍然擁有較高的功耗，因為這一代的槽柵IGBT專(zhuān)門(mén)針對高頻率應用而設計，以平衡開(kāi)關(guān)和導通損耗為目標。因此，對低壓側IGBT來(lái)說(shuō)，標準速度平面式IGBT仍然是必然選擇。

這種太陽(yáng)能逆變器應用的全橋拓利用正弦脈寬調制技術(shù)，在高于20kHz情況下，為高壓側IGBT進(jìn)行轉換。支線(xiàn)的低壓側IGBT決于輸出頻率要求，在50Hz或60Hz進(jìn)行轉換。若挑選最新的600V槽柵IGBT，其總功耗將會(huì )在20kHz下達到最低。在低壓側IGBT方面，標準速度平面式IGBT是最佳選擇。標準速度IGBT在50Hz或60Hz下?lián)碛凶畹偷膶〒p耗，其開(kāi)關(guān)損耗對整體功耗來(lái)說(shuō)微不足道。因此，工程師只要正確選擇IGBT組合，就能將太陽(yáng)能逆變器應用的功耗降至最低。

相關(guān)閱讀：
如何做好IGBT應用設計
http://zzmyjiv.cn/power-art/80020864
液晶屏技術(shù)新里程：詳解IGZO顯示技術(shù)
http://zzmyjiv.cn/opto-art/80020908
實(shí)例講解：基于LTM4620的電源穩壓器設計
http://zzmyjiv.cn/power-art/80020876