逆变器——优化光伏发电的装置

    一、太阳能对逆变器的要求

    通过太阳能光伏技术将太阳辐射转换成电能是现在市面上最有效也是最具发展潜力的可再生能源技术。现在，普通太阳能光伏系统都是由许多紧密相连的太阳能电池板组成。这些电池板先分组串联，再将不同的串联电池组并联起来形成电池阵列。

    目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ等），很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用成熟的市场模式，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。

    太阳能逆变器是一种功率电子电路，能把太阳能电池板的直流电压转换为交流电压来驱动家用电器、照明及电机工具等交流负载，是整个太阳能发电系统的关键组件。逆变器有两个基本功能：一方面是为完成DC/AC转换的电流连接到电网，另一方面是找出最佳的操作点以优化太阳能光伏系统的效率。

    对于特定的太阳光辐射、温度及电池类型，太阳能光伏系统都相应有唯一的最佳电压及电流，从而使光伏系统产生最大的能量。因此，在太阳能应用中对逆变器必须满足以下基本要求：

    1.要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

    2.要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。

    3.要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有重要作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在10V～16V之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。

    4.在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的要求，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免与公共电网的电力污染，也要求逆变器输出正弦波电流。

    二、太阳能逆变器的原理及架构

    通常把交流电能变换成直流电能的过程称之为整流，相控整流是最常见的交-直流变换过程；而把直流电能变换成交流电能的过程称之为逆变，它是整流的逆过程。在逆变电路中，按照负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。如果把该电路的交流侧接到交流电源上，把直流电能经过直-交流变换，逆变成与交流电源同频率的交流电返送到电网上去，称作有源逆变。相应的装置称为有源逆变器，控制角大于90°的相控整流器为常见的有源逆变器。而把直流电能变换为交流电能，直接向非电源负载供电的电路，称之为无源逆变电路，又称为变频器。

    逆变器类型有他励逆变器、自励逆变器、脉宽调制（PWM）型逆变器。其中他励逆变器需要外部交流电压源，给晶闸管提供整流电压。他励逆变器主要应用在大功率并网情况下；对于功率低于1MW 的光伏发电系统，主要采用自励逆变器方式。自励逆变器不需要外部交流电压源，整流电压由逆变器的一部分储能元件（比如电容）来提供或者通过增加待关断整流阀（像MOSFET 或IGBT）的电阻值来实现。输出电压被脉冲调制的自励逆变器被称为脉冲逆变器。这种逆变器通过增加周期内脉冲的切换次数，来降低电压、电流的谐波含量；谐波含量与脉冲切换次数呈正比。目前，并网逆变器的输出控制模式主要有两种：电压型控制模式和电流型控制模式。电压型控制模式的原理是以输出电压作为受控量，系统输出和电网电压同频同相的电压信号，整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源；电流型控制模式的原理则是以输出电感电流作为受控目标，系统输出和电网电压同频同相的电流信号，整个系统相当于一个内阻较大的受控电流源。

    目前，太阳能逆变器已有多种拓扑结构，最常见的是用于单相的半桥、全桥和Heric(Sunways专利)逆变器，以及用于三相的六脉冲桥和中点钳位（NPC）逆变器。太阳能逆变器的典型架构一般采用四个开关的全桥拓扑，如图1所示。

图1 全桥拓扑示意图

    在图1中， Q1 和Q3被指定为高压侧IGBT，Q2 和Q4 则是低压侧 IGBT。该逆变器用于在其目标市场的频率和电压条件下，产生单相位正弦电压波形。有些逆变器用于连接净计量效益电网的住宅安装，这就是其中一个目标应用市场，此项应用要求逆变器提供低谐波交流正弦电压，让力可注入电网中。

    实质上，为保持谐波分量低和功率损耗最小，逆变器的高压端IGBT采用脉宽调制(PWM)，低压端IGBT则以60Hz频率变换电流方向。通过让高压端IGBT使用20kHz或20kHz以上的PWM频率和50/60Hz调制方案，输出电感L1和L2在实例中可以做得很小，并且照样能对谐波分量进行高效滤波。与快速和标准速度的平面器件相比，开关速度为20kHz的超快速沟道型IGBT可以提供最低的总导通损耗和开关功率损耗。同样，对于低压端开关电路，工作在60Hz的标准速度IGBT可以提供最低的功率损耗。

    这个设计中的开关技术具有如下优势：通过允许高压端和低压端IGBT独立优化实现很高的效率；高压端、同封装的软恢复二极管没有续流时间，从而消除了不必要的开关损耗；低压端IGBT的开关频率只有60Hz，因此导通损耗是这些IGBT的主要因素；没有交叉导通，因为任何时间点的开关都发生在对角的两个器件上(Q1和Q4或Q2和Q3)；不存在总线直通的可能性，因为桥的同一边上的IGBT永远不可能以互补方式开关；跨接低压端IGBT的同封装、超快速、软恢复二极管经过优化可以使续流和反向恢复期间的损耗达到最小。

    三、IGBT抑或MOSFET

    在太阳能转换过程中，有各种先进的功率器件可以使用，比如MOSFET、双极结晶体管(BJT)和IGBT。为取得最佳的转换效率和性能，为太阳能逆变器选择正确的功率晶体管极具挑战性，而且非常耗时。

    多年来的研究表明，IGBT可以比其它功率器件提供更多的优势，其中包括更强的电流处理能力、用电压(而不是电流)方便地实现栅极控制，以及在封装内集成超快速恢复二极管实现更快的关断时间。 IGBT是一种少数载流子器件，它的关断时间取决于少数载流子重新组合的速度，因此，随着最近工艺技术和器件结构的改进，它的开关特性已得到显著增强。

    IGBT基本上是具备金属门氧化物门结构的双极型晶体管 (BJT) 。这种设计让IGBT的栅极可以像MOSFET一样，以电压代替电流来控制开关。作为一种BJT，IGBT的电流处理能力比MOSFET更高。同时，IGBT亦如BJT一样是一种少数载体元件。这意味着IGBT关闭的速度是由少数载体复合的速度快慢来决定。此外，IGBT的关闭时间与它的集极-射极饱和电压 (Vce(on)) 成反比(如图2所示)。

图2 关闭时间与Vce(on)成反比

    以图2为例，若IGBT拥有相同的体积和技术，一个超速IGBT比一个标准速度的IGBT拥有更高的Vce(on)。然而，超速IGBT的关闭速度却比标准IGBT快得多。图2反映的这种关系，是通过控制IGBT的少数载体复合率的使用周期以影响关闭时间来实现的。

    一般说，因IGBT的电流更大（是MOSFET的两倍多），所以采用IGBT方案的成本比采用MOSFET的成本低。除成本方面的考虑外，器件性能可由功率损耗表度，而功率损耗可分为：导通和开关两类。作为以少数载流子为基础的器件，在大电流下，IGBT具有更低的导通电压，也就意味着更低的导通损耗。但MOSFET的开关速度更快，所以开关损耗比IGBT低。因此对于要求更低开关频率且更大电流的应用来说，选择IGBT更为适合而且具备更低成本优势。另一方面，MOSFET有能力满足高频、小电流应用，特别是那些开关频率在100kHz以上的能量逆变器模块的需要。虽然从器件成本角度看，MOSFET比IGBT贵，但其处理更高开关频率的能力将简化输出滤波器的磁设计并将显著缩小输出电感体积。

    基于上述原因，更多的制造商因此倾向于在中高水平的能量逆变器中采用IGBT。而据Microsemi公司介绍，该公司生产的MOS8 IGBT在静态和动态测试（最小化的总体功率损耗）方面的优化性能可出色胜任这些应用的要求。另一方面，即便MOSFET的成本是个主要考量，但为实行一个更优方案，也应重新审视采用MOSFET的潜力，诸如Microsemi的MOS7/MOS8 MOSFET所具备的领先特性就非常适合太阳能逆变器的设计。

    四、太阳能逆变器的智能控制

    设计太阳能逆变器时要考虑的两个关键因素是效率和谐波失真。效率可分成两个部分：太阳能的效率和逆变器的效率。逆变器的效率在很大程度上取决于设计使用的外部元件，而不是控制器；而太阳能的效率与控制器如何控制太阳能电池板阵列有关。每个太阳能电池板阵列的最大工作功率在很大程度上取决于阵列的温度和光照。MCU必须控制太阳能电池板阵列的输出负载，以使阵列的工作功率最大。由于这不是一个数学密集型算法，因此可使用低成本MCU来完成任务。

    目前，大多数太阳能逆变器只能从太阳能电池板的某个最佳位置对电池板的整体效率进行优化。这种优化方法严重制约了太阳能发电系统的效率。如果光伏系统在非最佳电压及电流水平下运行，系统的效率就非常低，白白浪费采集太阳能的良机。在光伏系统中，太阳能电池板是由多个串联组并联后形成的。就像节日灯饰一样，假如串联中的任何某个电池发生故障，就会导致整个电池组失效。此外，当有局部阴影或碎砾等遮蔽光伏系统时，这种情况也会发生。

    为了解决上述问题，目前太阳能电池板都集成了旁路二极管，从而使电流可以绕过被遮蔽的失效电池板部份。启动二极管后，它们可将电流重新路由，即改道绕过失效电池串上。这样一来，不仅浪费了受遮蔽电池板的供电潜能，而且会降低整个电池组的总电压。基于选取电池板最佳操作点的原则，逆变器必须决定是应该优化受影响电池串的电压，还是应该优化其他没受影响电池组所产生的能量。在大多数的情况下，逆变器都会选择优化没有影响的电池组，并相应地降低受影响电池组所产生的能量，甚至是完全关闭受影响电池组。所导致的结果是，太阳能光伏系统只要出现10%的遮蔽，便会使太阳能发电量下降一半。产生这一现象的原因主要是现行的光伏系统并不能与极度敏感的太阳能电池架构相匹配。因此，我们需要采用更高智能的技术和产品来开发太阳能。

    为此，美国国家半导体新推出的Solar Magic产品，能够智能管理太阳能光伏(PV)电池板电量，从而使太阳能管理更智能，更高效。一个解决方案就是所谓的“微型逆变器”，即在每块电池板上都加装逆变器。可是，影响光伏系统的关键因素是可靠性、成本和效率。先进的微型优化器技术可大幅改善太阳能发电工业的成本效益和产能。由于具备在太阳能发电的深厚知识、经验以及可靠的核心技术，美国国家半导体的Solar Magic技术可监察并优化每块电池板的发电量，并改善电池板中的电流流向。Solar Magic体现了美国国家半导体在混合信号和电源管理的先进算法领域的领先。通过采用Solar Magic技术，太阳能发电系统可挽回50%以上因输电失配或阴影遮蔽而损失的发电量。微型优化器将智能地管理每块电池板，让它们可以最佳的功率点去运行，即使串联电池组内有个别电池板发生故障也不会影响系统的整体效率。美国国家半导体于2009年推出的全新微型优化器将推动太阳能光伏技术的发展，在再生能源方面扮演举足轻重的角色。<