太陽光發電站用逆變器技術

1前言

太陽光發電是新世紀中極有發展前景的一種可再生能源發電方式，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％的速度發展。在新世紀中，除了大型太陽光發電站而外，最引人注目的將是家庭用太陽光發電站。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家庭用太陽光發電站。美國在1997年6月宣布“百萬屋頂太陽光發電計劃”，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的太陽光發電站。歐盟也同樣在1997年宣布“百萬屋頂太陽光發電計劃”。由于家庭用太陽光發電站直接與低壓配電網聯接，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。根據現行外匯價格，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，輸出功率因數補償功能和外接電網出現事故時的保護功能。

作者在1992年編寫過“太陽光發電站用逆變器”一文，曾對通用的太陽光發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電站的逆變器的組合和配置情況。

2太陽光發電站用逆變器的主要指標

太陽光發電站用逆變器的主要技術經濟指標有：

（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。在與外電網相聯時，為電壓型電流控制方式。在外電網停電時，獨立運行為電壓型電壓控制方式。

圖1是太陽光發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太陽光發電站用逆變器的控制電路

太陽電池發出的電能，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在的太陽光發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，功率因數補償和升壓控制。其控制電路方框圖見圖2?？刂乒δ苷f明如下：

圖 2 太 陽 光 發 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太陽光發電站發電量計算結果，求出當時條件下的發電量最大值，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電量進行控制。

功率因數控制是用外電網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定數值。

5太陽光發電站用逆變器的組合和配置

為了提高太陽光發電站用逆變器的效率，以前主開關器件多采用MOSFET多個并聯，以降低導通損耗。后來采用IGBT，現在用第四代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電站和小型蓄電池充電用太陽光發電裝置的發展，已經出現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，是最近開發的成果。

對中型太陽光發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在最大容量的屋頂太陽光發電站已達1000kW，由多個20kW～25kW逆變器進行變換。據介紹，國外正策劃在沙漠中建造超大型太陽光發電站（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。