太阳光发电站用逆变器技术

太阳光发电站用逆变器技术

1前言

太阳光发电是新世纪中极有发展前景的一种可再生能源发电方式，由于它利用太阳能，无可动部件，属于分散型供电模式，预计在新世纪中将会以年增长率超过20％的速度发展。在新世纪中，除了大型太阳光发电站而外，最引人注目的将是家庭用太阳光发电站。日本首先在1999年提出，并计划到2010年累计将要安装总容量5000MW家庭用太阳光发电站。美国在1997年6月宣布“百万屋顶太阳光发电计划”，预计在2010年以前将在325个城市的1百万个建筑物的屋顶上安装总容量3000MW的太阳光发电站。欧盟也同样在1997年宣布“百万屋顶太阳光发电计划”。由于家庭用太阳光发电站直接与低压配电网联接，不需要装蓄电池和充放电装置，逆变器成为其中主要的配套设备。同时，家庭用太阳光发电站的市场和家用电器一样，是广大的家庭用户，要求不断地降低价格和成本。因此对逆变器的价格和成本将提出更严格的要求。例如：日本在2000年对3kW～5kW容量的逆变器的价格要求为20万日元/kW，2010年逆变器价格要求降到15万日元/kW。根据现行外汇价格，相当于13833元～10375元人民币/kW。同时要求逆变器除通常的功能而外，还要具有追踪太阳电池最佳工作点的功能，输出功率因数补偿功能和外接电网出现事故时的保护功能。

作者在1992年编写过“太阳光发电站用逆变器”一文，曾对通用的太阳光发电站用逆变器作过比较详细的介绍。本文专门对家庭用太阳光发电站用逆变器作比较详细的介绍，并介绍用于其他太阳光发电站的逆变器的组合和配置情况。

2太阳光发电站用逆变器的主要指标

太阳光发电站用逆变器的主要技术经济指标有：

（1）可靠性高，要求工作寿命20～25年；

（2）效率高，功率在1kW～5kW，效率≥90％；10

kW以上，效率≥95％；

（3）输入为直流电压220V，（190V～250V），变化

范围最大的达到100V～350V；

（4）输出为交流电压220V，（单相三线制为2×

230V，三相由三个单相逆变器组成），频率为50Hz±0.5Hz，波形失真度严格的为≤5％，不严格的≤10％；

（5）从空载到满载的反应时间小于1s；

（6）要求重量轻，体积小，价格适当，维修量少。

3太阳光发电站用逆变器的主电路

太阳电池一般是电压源，因此逆变器的主电路采用电压型。在与外电网相联时，为电压型电流控制方式。在外电网停电时，独立运行为电压型电压控制方式。

图1是太阳光发电站用逆变器三种形式的主电路。图1（a）是工频变压器形式主电路，采用工频变压器使输入与输出绝缘，主电路和控制电路简单。为了追求效率，减少空载损耗，工频变压器的工作磁通密度选得比较低，因此重量大，约占逆变器的总重量的50％左右，逆变器外形尺寸大，是最早的一种主电路形式。图1（b）是高频变压器形式主电路，采用高频变压器使输入与输出绝缘，体积小，重量轻。主电路分为高频逆变和工频逆变两部分，比较复杂。是20世纪90年代比较流行的主电路方式。图1（c）是无变压器形式主电路，不采用变压器进行输入与输出绝缘，只要采取适当措施，同样可保证主电路和控制电路运行的安全性，体积最小，重量最轻，而且效率最高，成本也较低。主电路包括升压部分和采用高频SPWM的逆变部分，比工频变压器形式主电路要复杂一些，但是适应输入直流电压范围宽，有利于与太阳电池进行匹配。尽管由于天气等因素使太阳电池输出电压发生变化，但是有了升压部分，可以保证逆变部分输入电压比较稳定。将成为今后主要的主电路流行方式。

为了使无变压器形式主电路安全运行必须采取一定的技术措施：首先要使太阳电池对地电压保持稳定；其次，当太阳电池接地时，要能检测出接地电流，以便及时对主电路进行切断保护。

由于无变压器形式主电路没有变压器对输入与输出绝缘，因此逆变器的输入太阳电池的正负极不能直接接地，输出的单相三线制中性点接地，而太阳电池面积大，对地有等效电容存在（正极等效电容和负极等效电容）。电容将在工作中出现充放电电流。其中低频部分，有可能使供电电路中的漏电开关误动作而造成停电。其中高频部分将通过配线对其它用电设备造成电磁干扰，而影响其它用电设备正常工作。对这种对地电容电流必须在主电路加电感L1与电容C1组成的滤波器进行抑制，特别是抑制高频部分。而工频部分，可以通过控制逆变器开关方式来消除。当然在太阳电池与主电路之间，还应当加共模滤波器，防止对太阳电池的电磁干扰。

为了防止太阳电池接地造成主电路损坏，一般都要检测太阳电池正极和负极的接地电流（通过零相互感器），如果不平衡电流超过规定值，说明太阳电池有可能接地，接地保护立即动作，切断主电路输出，停止工作。

图1太阳光发电站用逆变器主电路

(a)工频变压器形式(b)高频变压器形式(c)无变压器形式

4太阳光发电站用逆变器的控制电路

太阳电池发出的电能，通过逆变器向用户输出，主要是控制输出功率，因此一般把逆变器的主电路和控制电路组合部分称为功率控制器。现在的太阳光发电站用逆变器的控制电路除了功率控制而外，还包括追踪太阳电池最佳工作点的控制，功率因数补偿和升压控制。其控制电路方框图见图2。控制功能说明如下：

图 2 太 阳 光 发 电 站 用 逆 变 器 控 制 电 路 方 框 图

太阳电池最佳工作点追踪控制是根据太阳光发电站发电量计算结果，求出当时条件下的发电量最大值，给出直流电压进行控制的指令值，使其趋近于太阳电池最佳工作点的电压值。然后再控制逆变器的电流指令值，对输出电流，也就是输送给用户的发电量进行控制。

功率因数控制是用外电网的正弦波电流作为反馈信号，通过电流控制和SPWM调制，使输出电流的功率因数cosφ接近于1。

升压控制由升压部分输出电压进行反馈，通过PWM调制，使输给逆变器的电压达到规定数值。

5太阳光发电站用逆变器的组合和配置

为了提高太阳光发电站用逆变器的效率，以前主开关器件多采用MOSFET多个并联，以降低导通损耗。后来采用IGBT，现在用第四代IGBT在900V，60A时导通压降Vce(sat)≤2V，比第二代产品降低0?3V，芯片尺寸比第二代半产品小65％。东芝公司用这种IGBT作为主开关器件组成的无变压器形式主电路太阳光发电站用逆变器，容量为3?5kW，从50％到100％额定负载时效率大于93％。用三个这种单相逆变器，可以组成三相10kW逆变器。单相逆变器还有7kW和20kW等多种规格。用三个7kW逆变器可以组成三相20kW逆变器。用五个20kW逆变器可以组成单相或多相100kW逆变器。

由于家庭用太阳光发电站和小型蓄电池充电用太阳光发电装置的发展，已经出现由太阳电池和逆变器组合在一起的集成变换模块（IMC）最小容量100W。也有和太阳电池矩阵每一行组合在一起的逆变器，最小容量1kW。这种集成变换模块中的逆变器，主开关器件和有关控制部分采用第四代IGBT为核心的智能化功率模块（IPM）。这两种配置方法都没有直流母线，既减少设备投资又降低损耗，是最近开发的成果。

对中型太阳光发电站还是象以前那样，由10kW～50kW的单个逆变器进行变换。对超过50kW的大型太阳光发电站，由几个10kW～25kW逆变器组成多相或多重电路进行变换。这两种配置方法都有直流母线。主开关器件都采用第四代IGBT，而不再采用GTR和SCR。现在最大容量的屋顶太阳光发电站已达1000kW，由多个20kW～25kW逆变器进行变换。据介绍，国外正策划在沙漠中建造超大型太阳光发电站（VLS—PV），容量将超过10MW，其逆变器必须考虑效率和制造成本等因素，进行合理的配置。