余運(yùn)江，李武華，鄧 焰，臧 曙

(1.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.浙江大學(xué) 電力電子技術(shù)研究所，浙江 杭州 310027）

光伏并網(wǎng)發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的主要形式之一，倍受廣大科研人員的關(guān)注[1].尋求高性能、低造價(jià)的光伏材料和器件減小光伏發(fā)電系統(tǒng)的自身?yè)p耗是其研究熱點(diǎn)之一.在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器作為光伏陣列與電網(wǎng)的接口設(shè)備，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定著整個(gè)系統(tǒng)的效率和成本，是影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素.由于光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)拓?fù)浞N類(lèi)眾多、性能特點(diǎn)各異，其原理分析和性能比較，對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理選擇、提高系統(tǒng)效率和降低生產(chǎn)成本有著極其重要的意義.

1 光伏并網(wǎng)逆變器常用拓?fù)浞桨?/h2>

光伏并網(wǎng)逆變器的具體電路拓?fù)浔姸啵话憧砂凑沼袩o(wú)變壓器分類(lèi)，也可根據(jù)功率變換的級(jí)數(shù)來(lái)進(jìn)行分類(lèi).

1.1 按有無(wú)變壓器分類(lèi)

根據(jù)系統(tǒng)中有無(wú)變壓器，光伏并網(wǎng)逆變器可分為無(wú)變壓器型(Transformerless)、工頻變壓器型(Line-Frequency Transformer，LFT)和高頻變壓器型(High-Frequency Transformer，HFT)三種.圖1是采用工頻變壓器型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變壓器置于工頻電網(wǎng)側(cè)，可有效阻止電流直流分量注入電網(wǎng).高頻變壓器型中的變壓器一般可放置在兩個(gè)地方，如圖2所示.圖2(a)是把高頻變壓器置于DC-AC變換器內(nèi)；圖2(b)是把高頻變壓器置于DC-DC變換器內(nèi)，兩種方式均可實(shí)現(xiàn)隔離功能.

圖1 工頻變壓器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 高頻變壓器型的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

工頻變壓器(LFT)與高頻變壓器(HFT)相比，體積大、重量重、價(jià)格上也無(wú)優(yōu)勢(shì)，因此，在有變壓器拓?fù)浞桨傅倪x擇中，一般傾向于采用HFT來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓和隔離的功能.為了盡可能地提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的效率和降低成本，在直流母線(xiàn)電壓足夠高時(shí)，也可采用不隔離的無(wú)變壓器型拓?fù)浞桨?

由于輸入與輸出之間無(wú)電氣隔離，無(wú)變壓器型拓?fù)洚a(chǎn)生的對(duì)地漏電流成為一個(gè)需要解決的技術(shù)難題[2-5].光伏模塊存在一個(gè)隨外部環(huán)境變化而變化且范圍很大的對(duì)地寄生電容，其容值在0.1～10 nF之間[6]，所以由許多光伏模塊串并聯(lián)構(gòu)成的光伏陣列對(duì)地寄生電容變得更大，從而可能導(dǎo)致相當(dāng)大的對(duì)地漏電流.較大的對(duì)地漏電流一方面會(huì)嚴(yán)重影響變流器的工作模式；另一方面也會(huì)給人身安全帶來(lái)威脅.

1.2 按功率變換級(jí)數(shù)分類(lèi)

按照功率變換的級(jí)數(shù)分類(lèi)，并網(wǎng)逆變器一般可分為單級(jí)式(Single-Stage Inverter)和多級(jí)式(Multiple-Stage Inverter)兩種拓?fù)浞桨?，如圖3所示.

圖3 按功率變換級(jí)數(shù)分類(lèi)的逆變器拓?fù)浞桨?/p>

圖3(a)所示為單級(jí)式逆變器的結(jié)構(gòu)框圖，它僅用一級(jí)能量變換就可以完成電壓調(diào)整和并網(wǎng)逆變功能，具有電路簡(jiǎn)單、元器件少、可靠性高和高效低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以在滿(mǎn)足系統(tǒng)性能要求的前提下，單級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會(huì)是首選[7].圖3(b)給出了三種多級(jí)式變流器(Multiple-Stage Inverter)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：DCDC-AC、DC-AC-DC-AC和DC-AC-AC.它們需要多于一級(jí)的能量轉(zhuǎn)換，其中前幾級(jí)中通常具備升降壓或電氣隔離的功能，最后一級(jí)實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)的轉(zhuǎn)換.DC-DC-AC為目前常用的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其前級(jí)為DC-DC變換器，用于實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整和MPPT功能；后級(jí)為DC-AC逆變器，用于實(shí)現(xiàn)輸出電流正弦化并網(wǎng)、孤島效應(yīng)檢測(cè)和預(yù)防等功能.該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了每一級(jí)的控制方法，使得每一級(jí)可以專(zhuān)注于各自控制方法的質(zhì)量和效率.

2 單級(jí)式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)渥迦鐖D4所示，根據(jù)逆變器輸入電壓和輸出電壓的比較，可以分為Buck逆變器、Boost逆變器和Buck-Boost逆變器三種類(lèi)型.

圖4(a)所示是一個(gè)Buck-Boost逆變器.該拓?fù)湓陔娋W(wǎng)電壓的正半周功率開(kāi)關(guān)管Sp1高頻工作，Sp2保持常通狀態(tài)；在電網(wǎng)電壓的負(fù)半周功率開(kāi)關(guān)管Sn1高頻工作，Sn2保持常通狀態(tài).由于其同時(shí)工作的功率開(kāi)關(guān)管數(shù)目較少，所以該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有開(kāi)關(guān)損耗低、EMI弱、冷卻需求不高等優(yōu)點(diǎn)[8].

圖4 單級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)渥?/p>

圖4(b)由Zeta和Cuk拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)派生而來(lái)[9].在電網(wǎng)電壓的正半周期，開(kāi)關(guān)管S2、S4保持常通狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管S1處于高頻工作，變流器以Buck-Boost方式工作；在電網(wǎng)電壓的負(fù)半周期，開(kāi)關(guān)S1、S3保持常通狀態(tài)，開(kāi)關(guān)S2處于高頻工作，變流器以Boost方式工作.由于在電網(wǎng)電壓正、負(fù)半周期內(nèi)變流器工作方式的不同，這就需要較為復(fù)雜的控制策略去抑止直流分量注入電網(wǎng).該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是同時(shí)高頻工作的開(kāi)關(guān)器件少、損耗低.

圖4(c)也是一個(gè)基于Buck-Boost的單級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)?，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電網(wǎng)電壓負(fù)半周期利用了耦合繞組的反激原理.因受其耦合繞組的限制，它僅適用于小容量的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，另外，它還存在著開(kāi)關(guān)管損耗高、控制復(fù)雜的缺點(diǎn)[10].

圖4(d)為一個(gè)四開(kāi)關(guān)非隔離型半橋Buck-Boost逆變器，其將輸入端的光伏電源分成兩部分，分別為兩組Buck-Boost電路供電，兩個(gè)Buck-Boost電路交替工作，每次工作半個(gè)電網(wǎng)電壓周期.它消除了在電網(wǎng)正、負(fù)半周期內(nèi)工作不對(duì)稱(chēng)的缺點(diǎn).另外，在每半個(gè)周期內(nèi)高頻工作的開(kāi)關(guān)管只有兩個(gè)，從而具有開(kāi)關(guān)損耗低、EMI弱和可靠性高等優(yōu)點(diǎn).但是，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在著光伏模塊利用率低與由直流濾波電容造成的體積增大等不足[11].

圖4(e)是一個(gè)隔離型反激拓?fù)淠孀兤鹘Y(jié)構(gòu)，在圖4(d)所示逆變器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成，它僅用三個(gè)功率開(kāi)關(guān)管和一個(gè)隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)了逆變器的Buck-Boost變換[12].該拓?fù)潆m然利用變壓器實(shí)現(xiàn)了PV陣列與電網(wǎng)的電氣隔離，但系統(tǒng)損耗也為此有所增加.另外，因受反激變壓器初級(jí)繞組電感量的限制，該拓?fù)鋬H適用于容量小于500 W的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng).

圖4(f)是一個(gè)四開(kāi)關(guān)隔離型雙向Buck-Boost逆變器，它由兩個(gè)雙向反激變換器并聯(lián)組成.兩個(gè)交流濾波電容取代了與PV陣列并聯(lián)的電解電容來(lái)存儲(chǔ)電能.當(dāng)PV陣列產(chǎn)生的電能大于往電網(wǎng)輸送的電能時(shí)，兩電容(C1、C2)吸收電能；當(dāng)PV陣列產(chǎn)生的電能不能滿(mǎn)足負(fù)載需求時(shí)，兩個(gè)電容(C1、C2)釋放電能.這種拓?fù)淅脙蓚€(gè)反激變壓器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電氣隔離，且可承受PV陣列有比較大的電壓波動(dòng)，但兩個(gè)反激變壓器也增加了生產(chǎn)成本[13].

圖4(g)是一個(gè)六開(kāi)關(guān)隔離型Buck-Boost逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[14].它由兩組Buck-Boost斬波電路組成一個(gè)四開(kāi)關(guān)橋，附加開(kāi)關(guān)S5與S6保證每半個(gè)周期的同步切換.該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中裝設(shè)的高頻變壓器在起到電氣隔離作用的同時(shí)，也確保在PV陣列輸出電壓變化范圍較大時(shí)，逆變產(chǎn)生較好的輸出波形.

綜上分析，單級(jí)式Buck-Boost逆變器與傳統(tǒng)工頻逆變器相比，省去了工頻變壓器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低.但由于其升壓是通過(guò)電感儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)，從而造成其升壓的程度有限，僅適用于小功率的場(chǎng)合.在高性能、大功率、直流電壓波動(dòng)范圍較大的場(chǎng)合，多級(jí)式逆變器較為適用.

3 多級(jí)式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 DC-DC-AC拓?fù)渥?/h3>

多級(jí)式DC-DC-AC逆變器的拓?fù)渥迦鐖D5所示.

圖5 DC-DC-AC拓?fù)渥?/p>

圖5(a)為一個(gè)兩級(jí)式非隔離電壓源型Boost逆變器，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)Boost型DC／DC變換器和一個(gè)電壓型全橋逆變器構(gòu)成.前級(jí)Boost變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)PV陣列進(jìn)行升壓，保證直流電壓的紋波在系統(tǒng)允許的范圍之內(nèi)，后級(jí)逆變器利用PWM技術(shù)產(chǎn)生交流電并與電網(wǎng)并聯(lián)工作.該拓?fù)洳捎贸墒祀娐?，?jiǎn)單可靠；前后兩級(jí)可以獨(dú)立控制，控制環(huán)節(jié)易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；但電路輸出沒(méi)有電氣隔離，在有隔離要求的場(chǎng)合不宜使用.

圖5(b)為一個(gè)Buck-Boost型逆變器拓?fù)?，考慮到安全原因，其對(duì)PV陣列輸出的直流電壓要求僅為100 V[15].這種非隔離型拓?fù)潆m然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其直流電壓變化允許范圍小，電壓轉(zhuǎn)換率有限.在光伏陣列產(chǎn)生的直流輸入電壓非常低的情況下，帶有高頻變壓器的隔離型拓?fù)淠軌蛱岣咂涔β实燃?jí)，如圖5(c)就是它的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，在電網(wǎng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)之間采用反激變壓器進(jìn)行電氣隔離.文獻(xiàn)[16]和[17]提出了一種帶隔離的高功率解耦反激型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5(d)所示，該拓?fù)涫紫仍贐uck-Boost電路中實(shí)現(xiàn)對(duì)PV陣列的MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制，并將轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)電能存儲(chǔ)在中間電容(Cs)上；然后，將Cs存儲(chǔ)的能量進(jìn)行反激變換，并存儲(chǔ)在反激變壓器的勵(lì)磁電感中；最后，將存儲(chǔ)在勵(lì)磁電感中的能量傳送至變壓器的副邊，并在開(kāi)關(guān)管SAC1和SAC2的控制下，經(jīng)LC濾波后注入到電網(wǎng).這樣，中間電容被用作能量的緩存器，其兩端的電壓由兩部分組成，一部分是直流電壓，另一部分是兩倍負(fù)載頻率的交流電壓.這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是用小中間電容取代大電解電容，延長(zhǎng)了逆變器的使用壽命.

3.2 DC-AC-DC-AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

高升壓比的多級(jí)式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是由高頻DC-AC-DC變流器和高頻(或工頻)逆變器兩大部分組成.高頻DC-AC-DC變流器可將PV陣列輸出的直流電壓變換成可調(diào)的直流電壓；逆變器可將該直流電轉(zhuǎn)換成預(yù)期的交流電壓.圖6(a)為一種傳統(tǒng)的DCAC-DC-AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)渫ㄟ^(guò)前級(jí)逆變器、高頻升壓變壓器、整流器和直流濾波器，使其后級(jí)逆變器的輸入得到了一個(gè)可控的直流電壓.由于該拓?fù)淝昂蠹?jí)的開(kāi)關(guān)管工作頻率都很高，從而導(dǎo)致?lián)p耗較大、成本也很高.

圖6(b)為一種電壓源型Boost逆變器，它的前級(jí)由PWM控制，在前級(jí)與后級(jí)之間得到一串被稱(chēng)為偽直流環(huán)節(jié)的直流脈沖序列.根據(jù)沖量原理，這些直流脈沖序列所對(duì)應(yīng)的是正弦或者半正弦波形.與圖6(a)相比，圖6(b)省去了直流濾波電路，整流后直接通過(guò)后級(jí)逆變電路可得到高質(zhì)量的交流輸出，并且其逆變電路的功率器件工作在工頻，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗.最后交流輸出需要利用低通濾波器來(lái)減小THD，以提高交流輸出的波形質(zhì)量，但其體積有所增大[18].

圖6(a)、(b)所示的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的后級(jí)為電壓源型逆變器，而圖6(c)的后級(jí)為一個(gè)電流源型逆變器，其前級(jí)開(kāi)關(guān)管高頻斬波在電感上得到正半波，后級(jí)使用很低的開(kāi)關(guān)頻率將電感電流調(diào)整為正弦輸出，輸出端省去了交流濾波器，中間省去了電解電容[19].該拓?fù)浔幻绹?guó)通用電氣公司在10 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中商業(yè)化推廣.

以上對(duì)多級(jí)式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析結(jié)果表明，為了增強(qiáng)承受PV陣列輸出電壓波動(dòng)的能力、擴(kuò)大容量，多級(jí)式逆變器一般包含兩級(jí)或者更多級(jí)，通常需要在前級(jí)裝設(shè)一個(gè)高頻變壓器，提高升壓的比例，實(shí)現(xiàn)必要的隔離；后級(jí)是一個(gè)低開(kāi)關(guān)頻率的逆變器，以減少整體的開(kāi)關(guān)損耗.與單級(jí)式逆變器相比，它使用的開(kāi)關(guān)器件數(shù)增多，從而導(dǎo)致其開(kāi)關(guān)損耗也略有加大.

圖6 DC-AC-DC-AC拓?fù)渥?/p>

4 并網(wǎng)逆變器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

光伏并網(wǎng)逆變器是連接光伏陣列和電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，它主要承擔(dān)著光伏陣列的MPPT控制與向電網(wǎng)注入單位功率因數(shù)的正弦交流電能兩大任務(wù).針對(duì)其在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用，并網(wǎng)逆變器必須具備效率和安全可靠性高、壽命長(zhǎng)且成本低的特點(diǎn).因此，未來(lái)的光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：

(1) 簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).采用模塊化設(shè)計(jì)、減少功率開(kāi)關(guān)管數(shù)量、減少中間環(huán)節(jié)(如儲(chǔ)能環(huán)節(jié)等)的使用、簡(jiǎn)化濾波裝置等措施，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本、縮小體積、減輕重量、提高效率和功率密度.

(2) 擴(kuò)大允許輸入的直流電壓范圍.PV陣列產(chǎn)生的直流電壓波動(dòng)大、幅值低，這就要求逆變器在此情況下能夠輸出高質(zhì)量且適用于并網(wǎng)的交流電.在直流側(cè)電壓波動(dòng)大時(shí)，Buck-boost逆變器配合先進(jìn)的控制方式，可以實(shí)現(xiàn)最大限度地把電能饋入電網(wǎng)，并且不影響輸出交流電的品質(zhì).

(3) 輸出較高的電能質(zhì)量，如較小的THD值、單位功率因數(shù)、與電網(wǎng)電壓同步等.

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)可再生能源開(kāi)發(fā)、利用重視程度的加大，光伏并網(wǎng)發(fā)電的發(fā)展前景良好.在此背景下，本文對(duì)太陽(yáng)能變換系統(tǒng)中的光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路性能進(jìn)行了梳理、分析和總結(jié).并給出了并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的未來(lái)可能發(fā)展趨勢(shì)，為未來(lái)并網(wǎng)逆變器選取提供了借鑒和參考.

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