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(yīng)用于各種逆變電源、變頻電源、開關(guān)電源、UPS電源、交流穩(wěn)壓電源、電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償、電力有源濾波器、變頻調(diào)整器、電動(dòng)汽車、電氣火車、燃料電池靜置式發(fā)電站等。
隨著光伏發(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(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電，與電網(wǎng)連接同步運(yùn)行。并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電的核心，對其要求也越來越高。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(yán)格一致，逆變器的功率因數(shù)近于1。其次，滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求，逆變器應(yīng)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(yīng)的發(fā)生，避免對用電設(shè)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(yùn)行，兩者之間的有效隔離及接地技術(shù)也非常重要。
（1）結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢
過去逆變器的結(jié)構(gòu)由工頻變壓器結(jié)構(gòu)的光伏逆變器轉(zhuǎn)化多轉(zhuǎn)換級帶高頻變壓器的逆變結(jié)構(gòu)，功率密度大大提高， 但也導(dǎo)致了逆變器的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 可靠性降低?，F(xiàn)階段的光伏并網(wǎng)逆變器普遍采用了 串級型，經(jīng)過反復(fù)研究表明：逆變器采用多串級逆 變結(jié)構(gòu)，融合了串級的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(tǒng)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(xiàn)代控制理論中許多先進(jìn)算法也被應(yīng)用到光伏 逆變系統(tǒng)的控制中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、滑 模變結(jié)構(gòu)、模糊控制等。將來光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的綜合 控制成為其研究發(fā)展的新趨勢?；谒矔r(shí)無功理論 的無功與諧波電流補(bǔ)償控制，使得光伏并網(wǎng)系統(tǒng)既 可以向電網(wǎng)提供有功功率，又可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)無功和 諧波電流補(bǔ)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(yīng)的控制，孤島效應(yīng)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。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系 統(tǒng)進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用，當(dāng)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。將來多逆變器的并網(wǎng)通信、協(xié)同控制已成為其孤島效應(yīng)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(dá)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(zhǔn)疊加 PWM 與矢量 控制相結(jié)合的控制方法來控制 IGBT 開關(guān)，通過三相 IGBT 功率模塊及優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將直流逆 變成完美無諧波的正弦電壓、電流波形，并采用數(shù) 學(xué)模糊集合基礎(chǔ)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(yùn)行。
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1、開關(guān)拓?fù)潆娐纺孀兤骷夹g(shù)原理
九電平 IGBT 開關(guān)拓?fù)潆娐纺孀兤鞑捎玫耐負(fù)潆娐肥亲兓鶞?zhǔn)疊加技術(shù)的九電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，如圖2所示。
圖1：開關(guān)拓?fù)潆娐纺孀兤骷夹g(shù)原理
圖2：九電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?/div>
（1）結(jié)構(gòu)及原理描述：如圖 2 所示，變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的九電平完美無 諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，由三個(gè)單相的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓 撲電路組成， U 相開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐酚?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(gòu)成。同理，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓 撲電路的 V 相和 W 相的所有元器件與 U 相的開關(guān) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐吠耆嗤?br />
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(yīng)的 D3、D4、D5、D6 均為箝位二極管。
圖3：九電平信號
IGBT 開關(guān)工作原理是：如圖 2 所示，當(dāng) U 相 的開關(guān) IGBT3、 IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相 的 IGBT2、IGBT7、IGBT8 導(dǎo)通時(shí)，在 V 相的 IGBT1 上施加 PWM 信號時(shí)，就會產(chǎn)生如圖 3 所示的九電 平信號。如圖 2 所示，當(dāng) U 相的 IGBT3、IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相的 IGBT2、 IGBT7 導(dǎo)通時(shí)， 在 V 相的 IGBT1 上施加脈沖寬度調(diào)制 PWM信號時(shí)，就會產(chǎn)生如 4 所示的四電平信號。 根據(jù)上述原理，配合不同的開關(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(jù)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(tǒng)技術(shù)進(jìn)行比較的優(yōu)勢本逆變器采用了上述結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)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 開關(guān)的組合實(shí) 現(xiàn)了大功率高電壓逆變器的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐贰?2）逆變器輸出電壓波形為九電平完美無諧波， 其THD 各項(xiàng)指標(biāo)均滿足 IEEE 要求。 3）電路易于控制，用 PWM 控制去完成系統(tǒng)的 無功功率分布，進(jìn)而達(dá)到使系統(tǒng)功率因數(shù)趨于1。 4）與傳統(tǒng)的多重化結(jié)構(gòu)比較：若輸出九電平波 形，多重化電路需要 16 個(gè) IGBT 開關(guān)。本逆變器拓 撲電路采用疊加技術(shù)，每相只需 10 個(gè) IGBT 開關(guān)。
2、九電平開關(guān)操作及并網(wǎng)運(yùn)行主控制器原理
圖5：主控制器原理框圖
圖 5 為九電平開關(guān)操作及并網(wǎng)運(yùn)行主控制器原 理框圖，其特點(diǎn)為：通過檢測開關(guān)狀態(tài)提高 IGBT 開關(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(yùn)行及反孤島運(yùn)行的功能。
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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 開關(guān)檢測電路、雙端口隨機(jī)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(jī)存取存儲器連接，完成傳遞 IGBT 開關(guān) 檢測數(shù)據(jù)及軟啟動(dòng)開關(guān)的數(shù)據(jù)， 相互傳遞通訊信息， 完成優(yōu)化控制功能。
IGBT 開關(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(zhǔn)確的檢測所有 IGBT 開關(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(zhǔn)確無誤的向九電平 IGBT 開關(guān)拓?fù)潆娐钒l(fā)出觸發(fā)信號，同時(shí)避免了開關(guān)切換 時(shí)的狀態(tài)混疊現(xiàn)象，保證 IGBT 開關(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(shù)。
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(zhuǎn)化后的信號而自動(dòng) 檢測直流系統(tǒng)及電網(wǎng)的參數(shù)并動(dòng)態(tài)的建立其數(shù)學(xué)模 型，計(jì)算直流系統(tǒng)運(yùn)行的所有參數(shù)并輸出相應(yīng)的指令，控制輸出給電網(wǎng)的電壓為期望的九電平波形， 電流為完美無諧波的正弦波形，使逆變器與電網(wǎng)系 統(tǒng)功率因數(shù)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(yùn)行控制部分相連，實(shí)時(shí)采集處理軟啟動(dòng)開關(guān)兩側(cè)的電流、電壓、頻率變量完成智能化軟啟動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)行及主動(dòng)反孤島式運(yùn)行的功能。
3、智能化軟起動(dòng)連接及反孤島運(yùn)行控制部分
晶閘管開關(guān)對逆變器輸出側(cè)和電網(wǎng)側(cè)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(dāng)其達(dá)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(yīng)可控硅的門極。因?yàn)殡妷悍?、相?及頻率均為空間矢量，當(dāng)進(jìn)行比較時(shí)需要在三維空 間內(nèi)進(jìn)行，將其轉(zhuǎn)化成模糊集合更趨近于實(shí)際工程 情況，故此處使用數(shù)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(fù)偏移方法。通過軟硬件將電路周期性地檢測出相鄰兩次電 網(wǎng)電壓過零點(diǎn)的時(shí)刻，計(jì)算出電網(wǎng)電壓的頻率 f，然 后在此頻率 f 的基礎(chǔ)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)電壓每次過零時(shí)使輸出并網(wǎng)電流復(fù)位。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)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(xiàn)輸出頻率錯(cuò)位變化。形成了給定 逆變器輸出的電流、電壓、頻率的正反饋，并超過頻率保護(hù)的上、下限值，從而是逆變器有效的檢測出系統(tǒng)故障。利用模糊數(shù)學(xué)的方法將已知的數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)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(dá)到與電網(wǎng)的主動(dòng)式反孤島運(yùn)行，并網(wǎng)開關(guān)的智能化軟啟動(dòng)連接，以及逆變器相應(yīng)的IGBT開關(guān)的優(yōu)化控制操作運(yùn)行。
以上介紹的逆變器采用變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的九電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，使逆變出的電流波形滿足IEEE標(biāo)準(zhǔn)要求，盡可能的減少諧波污染。 逆變器的主控制器可通過實(shí)時(shí)檢測開關(guān)狀態(tài)，有效避免開關(guān)的混疊，提高IGBT開關(guān)的可靠性和易操作性。
如何正確地為光伏逆變器應(yīng)用選擇IGBT
如今市場上先進(jìn)功率元件的種類數(shù)不勝數(shù)，工程人員要為一項(xiàng)應(yīng)用選擇到合適的功率元件，的確是一項(xiàng)艱巨的工作。以太陽能逆變器應(yīng)用來說， 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?fù)浼斑x用合適的IGBT，將使太陽能應(yīng)用的功耗降至最低。
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太陽能逆變器是一種功率電子電路，能把太陽能電池板的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓來驅(qū)動(dòng)家用電器、照明及電機(jī)工具等交流負(fù)載。如圖6所示，太陽能逆變器的典型架構(gòu)一般采用四個(gè)開關(guān)的全橋拓?fù)洹?br />
圖6：太陽能逆變器的典型架構(gòu)
在圖6中，Q1和Q3被指定為高壓側(cè)IGBT，Q2和Q4則是低壓側(cè)IGBT。該逆變器用于在其目標(biāo)市場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(jì)量效益電網(wǎng)的住宅安裝，這就是其中一個(gè)目標(biāo)應(yīng)用市場，此項(xiàng)應(yīng)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(diào)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(zhuǎn)換頻率高出人類的正常聽覺頻譜，因此該設(shè)計(jì)也可盡量減少逆變器產(chǎn)生的可聽噪聲。
脈寬調(diào)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(cè)IGBT進(jìn)行脈寬調(diào)制，對應(yīng)的低壓側(cè)IGBT以50Hz或60Hz換相。圖7所示為一個(gè)典型的柵壓信號。當(dāng)Q1正進(jìn)行脈寬調(diào)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(fù)半周期，當(dāng)Q3進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，Q2保持開啟狀態(tài)。Q1和Q4會在負(fù)半周期關(guān)斷。圖7也顯示了通過輸出濾波電容器C1的AC正弦電壓波形。
圖7：IGBT提供的柵極驅(qū)動(dòng)信號及經(jīng)過輸出濾波電容器C1的AC正弦電壓波形
此變換技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)電流不會在高壓側(cè)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(cè)IGBT只會在50Hz或60Hz工頻進(jìn)行切換，主要是導(dǎo)通損耗。(3)由于同一相上的IGBT絕對不會以互補(bǔ)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以不可能出現(xiàn)總線短路擊穿情況。(4)可優(yōu)化低壓側(cè)IGBT的反并聯(lián)二極管，以盡量減低續(xù)流和反向恢復(fù)導(dǎo)致的損耗。
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IGBT技術(shù)
IGBT基本上是具備金屬門氧化物門結(jié)構(gòu)的雙極型晶體管(BJT)。這種設(shè)計(jì)讓IGBT的柵極可以像MOSFET一樣，以電壓代替電流來控制開關(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(shù)載體元件。這意味著IGBT關(guān)閉的速度是由少數(shù)載體復(fù)合的速度快慢來決定。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IGBT比一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)速度的IGBT擁有更高的Vce(on)。然而，超速IGBT的關(guān)閉速度卻比標(biāo)準(zhǔn)IGBT快得多。圖8反映的這種關(guān)系，是通過控制IGBT的少數(shù)載體復(fù)合率的使用周期以影響關(guān)閉時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。
圖9：不同速度和技術(shù)的IGBT參數(shù)對比
圖9顯示了四個(gè)擁有相同尺寸的IGBT的參數(shù)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(fù)合控制計(jì)量。從表中可見，標(biāo)準(zhǔn)速度的IGBT具有最低Vce(on)，但與快速和超速平面式IGBT相比，標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)樘柲苣孀兤鬟@類高頻率切換應(yīng)用提供低導(dǎo)通和開關(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。
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高壓側(cè)IGBT
前文討論了高壓側(cè)IGBT在20kHz或以上頻率進(jìn)行切換。假設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)擁有230V交流輸出的1.5kW太陽能逆變器，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，開關(guān)損耗明顯成為總功耗的重要部分。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT的導(dǎo)通損耗雖然最低，但其開關(guān)損耗卻最大，并不適合充當(dāng)高壓側(cè)IGBT。
最新的600V槽柵IGBT專為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，為了讓太陽能逆變器的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到最高效率，槽柵IGBT是高壓側(cè)IGBT的首選元件。
圖11：標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT在50Hz或60Hz下?lián)碛凶畹偷膶?dǎo)通損耗
低壓側(cè)IGBT
低壓側(cè)IGBT同樣有同一問題。究竟哪一種IGBT才能提供最低的功耗？由于這些IGBT只會進(jìn)行50Hz或60Hz切換，如圖11所示，標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT可提供最低的功耗。雖然標(biāo)準(zhǔn)IGBT會帶來一些開關(guān)損耗，但數(shù)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?yàn)檫@一代的槽柵IGBT專門針對高頻率應(yīng)用而設(shè)計(jì)，以平衡開關(guān)和導(dǎo)通損耗為目標(biāo)。因此，對低壓側(cè)IGBT來說，標(biāo)準(zhǔn)速度平面式IGBT仍然是必然選擇。
這種太陽能逆變器應(yīng)用的全橋拓利用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，在高于20kHz情況下，為高壓側(cè)IGBT進(jìn)行轉(zhuǎn)換。支線的低壓側(cè)IGBT決于輸出頻率要求，在50Hz或60Hz進(jìn)行轉(zhuǎn)換。若挑選最新的600V槽柵IGBT，其總功耗將會在20kHz下達(dá)到最低。在低壓側(cè)IGBT方面，標(biāo)準(zhǔn)速度平面式IGBT是最佳選擇。標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT在50Hz或60Hz下?lián)碛凶畹偷膶?dǎo)通損耗，其開關(guān)損耗對整體功耗來說微不足道。因此，工程師只要正確選擇IGBT組合，就能將太陽能逆變器應(yīng)用的功耗降至最低。
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