太陽光發(fā)電站用逆變器技術

1前言

太陽光發(fā)電是新世紀中極有發(fā)展前景的一種可再生能源發(fā)電方式，由于它利用太陽能，無可動部件，屬于分散型供電模式，預計在新世紀中將會以年增長率超過20％的速度發(fā)展。在新世紀中，除了大型太陽光發(fā)電站而外，最引人注目的將是家庭用太陽光發(fā)電站。日本首先在1999年提出，并計劃到2010年累計將要安裝總容量5000MW家庭用太陽光發(fā)電站。美國在1997年6月宣布“百萬屋頂太陽光發(fā)電計劃”，預計在2010年以前將在325個城市的1百萬個建筑物的屋頂上安裝總容量3000MW的太陽光發(fā)電站。歐盟也同樣在1997年宣布“百萬屋頂太陽光發(fā)電計劃”。由于家庭用太陽光發(fā)電站直接與低壓配電網(wǎng)聯(lián)接，不需要裝蓄電池和充放電裝置，逆變器成為其中主要的配套設備。同時，家庭用太陽光發(fā)電站的市場和家用電器一樣，是廣大的家庭用戶，要求不斷地降低價格和成本。因此對逆變器的價格和成本將提出更嚴格的要求。例如：日本在2000年對3kW～5kW容量的逆變器的價格要求為20萬日元/kW，2010年逆變器價格要求降到15萬日元/kW。根據(jù)現(xiàn)行外匯價格，相當于13833元～10375元人民幣/kW。同時要求逆變器除通常的功能而外，還要具有追蹤太陽電池最佳工作點的功能，輸出功率因數(shù)補償功能和外接電網(wǎng)出現(xiàn)事故時的保護功能。

作者在1992年編寫過“太陽光發(fā)電站用逆變器”一文，曾對通用的太陽光發(fā)電站用逆變器作過比較詳細的介紹。本文專門對家庭用太陽光發(fā)電站用逆變器作比較詳細的介紹，并介紹用于其他太陽光發(fā)電站的逆變器的組合和配置情況。

2太陽光發(fā)電站用逆變器的主要指標

太陽光發(fā)電站用逆變器的主要技術經(jīng)濟指標有：

（1）可靠性高，要求工作壽命20～25年；

（2）效率高，功率在1kW～5kW，效率≥90％；10

kW以上，效率≥95％；

（3）輸入為直流電壓220V，（190V～250V），變化

范圍最大的達到100V～350V；

（4）輸出為交流電壓220V，（單相三線制為2×

230V，三相由三個單相逆變器組成），頻率為50Hz±0.5Hz，波形失真度嚴格的為≤5％，不嚴格的≤10％；

（5）從空載到滿載的反應時間小于1s；

（6）要求重量輕，體積小，價格適當，維修量少。

3太陽光發(fā)電站用逆變器的主電路

太陽電池一般是電壓源，因此逆變器的主電路采用電壓型。在與外電網(wǎng)相聯(lián)時，為電壓型電流控制方式。在外電網(wǎng)停電時，獨立運行為電壓型電壓控制方式。

圖1是太陽光發(fā)電站用逆變器三種形式的主電路。圖1（a）是工頻變壓器形式主電路，采用工頻變壓器使輸入與輸出絕緣，主電路和控制電路簡單。為了追求效率，減少空載損耗，工頻變壓器的工作磁通密度選得比較低，因此重量大，約占逆變器的總重量的50％左右，逆變器外形尺寸大，是最早的一種主電路形式。圖1（b）是高頻變壓器形式主電路，采用高頻變壓器使輸入與輸出絕緣，體積小，重量輕。主電路分為高頻逆變和工頻逆變兩部分，比較復雜。是20世紀90年代比較流行的主電路方式。圖1（c）是無變壓器形式主電路，不采用變壓器進行輸入與輸出絕緣，只要采取適當措施，同樣可保證主電路和控制電路運行的安全性，體積最小，重量最輕，而且效率最高，成本也較低。主電路包括升壓部分和采用高頻SPWM的逆變部分，比工頻變壓器形式主電路要復雜一些，但是適應輸入直流電壓范圍寬，有利于與太陽電池進行匹配。盡管由于天氣等因素使太陽電池輸出電壓發(fā)生變化，但是有了升壓部分，可以保證逆變部分輸入電壓比較穩(wěn)定。將成為今后主要的主電路流行方式。

為了使無變壓器形式主電路安全運行必須采取一定的技術措施：首先要使太陽電池對地電壓保持穩(wěn)定；其次，當太陽電池接地時，要能檢測出接地電流，以便及時對主電路進行切斷保護。

由于無變壓器形式主電路沒有變壓器對輸入與輸出絕緣，因此逆變器的輸入太陽電池的正負極不能直接接地，輸出的單相三線制中性點接地，而太陽電池面積大，對地有等效電容存在（正極等效電容和負極等效電容）。電容將在工作中出現(xiàn)充放電電流。其中低頻部分，有可能使供電電路中的漏電開關誤動作而造成停電。其中高頻部分將通過配線對其它用電設備造成電磁干擾，而影響其它用電設備正常工作。對這種對地電容電流必須在主電路加電感L1與電容C1組成的濾波器進行抑制，特別是抑制高頻部分。而工頻部分，可以通過控制逆變器開關方式來消除。當然在太陽電池與主電路之間，還應當加共模濾波器，防止對太陽電池的電磁干擾。

為了防止太陽電池接地造成主電路損壞，一般都要檢測太陽電池正極和負極的接地電流（通過零相互感器），如果不平衡電流超過規(guī)定值，說明太陽電池有可能接地，接地保護立即動作，切斷主電路輸出，停止工作。

圖1太陽光發(fā)電站用逆變器主電路

(a)工頻變壓器形式(b)高頻變壓器形式(c)無變壓器形式

4太陽光發(fā)電站用逆變器的控制電路

太陽電池發(fā)出的電能，通過逆變器向用戶輸出，主要是控制輸出功率，因此一般把逆變器的主電路和控制電路組合部分稱為功率控制器?，F(xiàn)在的太陽光發(fā)電站用逆變器的控制電路除了功率控制而外，還包括追蹤太陽電池最佳工作點的控制，功率因數(shù)補償和升壓控制。其控制電路方框圖見圖2。控制功能說明如下：

圖 2 太 陽 光 發(fā) 電 站 用 逆 變 器 控 制 電 路 方 框 圖

太陽電池最佳工作點追蹤控制是根據(jù)太陽光發(fā)電站發(fā)電量計算結果，求出當時條件下的發(fā)電量最大值，給出直流電壓進行控制的指令值，使其趨近于太陽電池最佳工作點的電壓值。然后再控制逆變器的電流指令值，對輸出電流，也就是輸送給用戶的發(fā)電量進行控制。

功率因數(shù)控制是用外電網(wǎng)的正弦波電流作為反饋信號，通過電流控制和SPWM調制，使輸出電流的功率因數(shù)cosφ接近于1。

升壓控制由升壓部分輸出電壓進行反饋，通過PWM調制，使輸給逆變器的電壓達到規(guī)定數(shù)值。

5太陽光發(fā)電站用逆變器的組合和配置

為了提高太陽光發(fā)電站用逆變器的效率，以前主開關器件多采用MOSFET多個并聯(lián)，以降低導通損耗。后來采用IGBT，現(xiàn)在用第四代IGBT在900V，60A時導通壓降Vce(sat)≤2V，比第二代產品降低0?3V，芯片尺寸比第二代半產品小65％。東芝公司用這種IGBT作為主開關器件組成的無變壓器形式主電路太陽光發(fā)電站用逆變器，容量為3?5kW，從50％到100％額定負載時效率大于93％。用三個這種單相逆變器，可以組成三相10kW逆變器。單相逆變器還有7kW和20kW等多種規(guī)格。用三個7kW逆變器可以組成三相20kW逆變器。用五個20kW逆變器可以組成單相或多相100kW逆變器。

由于家庭用太陽光發(fā)電站和小型蓄電池充電用太陽光發(fā)電裝置的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)由太陽電池和逆變器組合在一起的集成變換模塊（IMC）最小容量100W。也有和太陽電池矩陣每一行組合在一起的逆變器，最小容量1kW。這種集成變換模塊中的逆變器，主開關器件和有關控制部分采用第四代IGBT為核心的智能化功率模塊（IPM）。這兩種配置方法都沒有直流母線，既減少設備投資又降低損耗，是最近開發(fā)的成果。

對中型太陽光發(fā)電站還是象以前那樣，由10kW～50kW的單個逆變器進行變換。對超過50kW的大型太陽光發(fā)電站，由幾個10kW～25kW逆變器組成多相或多重電路進行變換。這兩種配置方法都有直流母線。主開關器件都采用第四代IGBT，而不再采用GTR和SCR?，F(xiàn)在最大容量的屋頂太陽光發(fā)電站已達1000kW，由多個20kW～25kW逆變器進行變換。據(jù)介紹，國外正策劃在沙漠中建造超大型太陽光發(fā)電站（VLS—PV），容量將超過10MW，其逆變器必須考慮效率和制造成本等因素，進行合理的配置。