光伏逆变器设计的最新趋势

1.高功率光伏逆变器拓扑结构及控制技术
光伏逆变器发展的一个重要趋势是功率更高，现在，峰值发电量超过100kW的太阳能光伏发电厂越来越普遍，而较小规模的发电系统也存在这种趋势：平均功率从5kW提高到10kW。升压＋H-桥拓扑如图1所示，是光伏逆变器极为常用的拓扑之一，是一种两级非隔离拓扑。其第一级是升压级，用于把模块的可变输出电压(例如100V～500V)升高到更大的中间电压，后者必须大于实际峰值电压(如230V，或>325V)。该升压级还有一个重要作用，就是为了实现效率最大化，太阳能电池模块必须产生尽可能大的功率，而太阳能电池组件的功率曲线可通过输出电流乘以输出电压数值获得。功率特性中有一个最大点，被称为“最大功率点”或MPP，而这精确位置会随着模块的类型、温度和日照阴影等因素而变化。

利用名为“最大功率点跟踪”或MPPT的软件技术，辅以定制化算法，逆变器的输入级便可跟踪这个最大功率点。逆变器的第二级把恒定的中间电压转换为50Hz的交流电压，再馈入供电网。这个输出与供电网的相位及频率同步。这一级由于与供电网连接，即便在故障状态下也必须达到一定的安全标准。除此之外，还有一个与低压指令(Low Voltage Directive)相关的VDE0126-1-1新草案，该提案要求光伏逆变器在电能质量下降的情况下也应有源支持主供电网，以尽量降低更具普遍性的停电风险。在现有法规限制之下，是可以设计一个在停电时能够实时关断逆变器，以实现自我保护。不过当光伏逆变器变得普及并在总发电量中占有可观的份额时，如果一遇上停电便直接关断连接的光伏逆变器的话，是可能造成更大规模的主电网停电的，因为逆变器便会一个接一个关断，并迅速减少电网中的电能。因此，新的指令草案旨在提高主干配电网的稳定性和电能质量，而代价仅是使逆变器的输出级稍微复杂一点。

光伏逆变器必须可靠，以尽量减小维护和停机检修的成本。这些逆变器还必须具有高效，以尽量增大发电量。为此，在光伏逆变器设计中还需付出相当的努力，以尽可能地提高效率。

有很多方法能够提高升压逆变器的效率，由于升压逆变器可在连续传导模式或边界传导模式(CCM或BCM)下 工作，这就衍生出不同的优化方案。在CCM模式中，损耗的一大主因是升压二极管的反向恢复电流；在这种情况下，一般使用碳化硅二极管或飞兆半导体的Stealth二极管来解决。光伏逆变器常采用的是BCM模式，尽管对这类功率级通常应选择CCM模式，但采用BCM模式的原因在于BCM模式中二极管的正向电压要低得多。而且，BCM模式也具有高的EMI滤波器和升压电感纹波电流。这时，良好的高频电感设计是一解决方案。

采用两个交错式升压级来取代一个升压级是一种新方法，这样一来，流经每个电感和每个开关的电流便能够减半。另外，采用交错式技术，一级上的纹波电流可抵偿另一级的纹波电流，因而可在很宽工作输入范围上去除输入纹波电流，如FAN9612交错式BCMPFC一类的控制完全能够轻松满足光伏逆变器升压级的要求。

逆变器中的升压开关有两个选择：IGBT或MOSFET。对于需要600V以上额定开关电压的输入级，常会采用1200V的IGBT快速开关，如FGL40N120AND。对于额定电压只需600V/650V的输入级，则选用MOSFET。

输出H-桥级的设计都采用600V/650V的MOSFET，但因为新的草案规范要求输出级以四象限工作， MOSFET虽然内置有体二极管，但相比IGBT中采用的组合封装二极管，其开关性能很差。新型的场截止IGBT能够以10V/ns的速度转换电压，较之以往的产品导通损耗大大改善。这种集成式二极管具有出色的软恢复性能，有助于降低500A/μs以上的高di/dt造成的EMI。对于16kHz～25kHz开关，应采用IGBT，例如飞兆半导体的FGH60N60UFD。

2.宽输入电压范围光伏逆变器拓扑结构及特点

光伏逆变器设计的另一个趋势是扩大输入电压范围，这会导致相同功率级下输入电流的减小，或相同输入电流下功率级的提高。输入电压比较高时，需要使用额定电压更高(1200V范围内)的IGBT，从而产生更大的损耗。解决这一问题的一个方法是采用三电平逆变器，如图2所示。

采用两个串联的电解电容可把高输入电压一分为二，将中间点与零线(neutralline)连接，这时就可以再采用600V开关。三电平逆变器可在三个电平间进行转换：+Vbus、0V和–Vbus。此方案除了比1200V开关结构的解决方案更有效之外，三电平逆变器还有一个优势，就是输出电感大为减小。三电平逆变器主要有两个显著特点：

①由多个电平台阶合成的输出电压正弦波形，在相同开关频率条件下，与传统二电平逆变器相比，谐波含量大大减少，改善了输出电压波形；

②开关管的电压额定值只为直流母线上电压的一半，使低压开关器件可以应用于高压变换器中。

但是，三电平逆变器的缺点是控制策略较复杂和出现中点电压不平衡的问题，其中，中点电压不平衡是三电平逆变器的一个致命弱点。显然，若逆变器直流母线上并联两电容的中点电压在运行时不稳定，它将引起输出的三电平电压变化，不仅使输出电压波形畸变，谐波增加，而且使三相输出电流不对称，失去三电平逆变器的优势。然而，对于中点电压不平衡问题，目前尚未有根本的解决方法。其中有代表性的方法一是利用改进硬件电路实现中点电压平衡的方法；二是通过改变开关时序或控制矢量电压持续时间的方法实现电压平衡。但都存在电路复杂、控制效果不理想的问题。