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光伏逆变器拓扑结构及设计思路

作者:时间:2010-11-20来源:网络收藏

  1 引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/180223.htm

  对于传统电力电子装置的,我们通常是通过每千瓦多少钱来衡量其性价比的。但是对于光伏而言,对最大功率的追求仅仅是处于第二位的,欧洲效率的最大化才是最重要的。因为对于光伏而言,不仅最大输出功率的增加可以转化为经济效益,欧洲效率的提高同样可以,而且更加明显[1]。欧洲效率的定义不同于我们通常所说的平均效率或者最高效率。它充分考虑了太阳光强度的变化,更加准确地描述了光伏的性能。欧洲效率是由不同负载情况下的效率按照不同比重累加得到的,其中半载的效率占其最大组成部分(见图1)。

  


  图1 欧洲效率计算比重

  因此为了提高光伏逆变器的欧洲效率,仅仅降低额定负载时的损耗是不够的,必须同时提高不同负载情况下的效率。欧洲效率是一个新的参数,主要是针对光伏逆变器提出来的。由于太阳光在不同时间,强度是不一样的,所以光伏逆变器其实并不会一直工作在额定功率下,更多的是工作在轻负载的时候。所以衡量光伏逆变器的效率,不能完全以额定功率下的效率来衡量。所以欧洲人就想出来了一个新的参数–欧洲效率来衡量。欧洲效率的计算方法如表1。

  

  欧洲效率的改善所带来的经济效益也很容易通过计算得到。例如以一个额定功率3kw的光伏逆变器为例,根据现在市场上的成本估算,光伏发电每千瓦安装成本大约需要4000欧元[2],那也就意味着光伏逆变器每提高欧效1%就可以节省120欧元(光伏发电现在的成本大概在每千瓦4000欧元,或者说每瓦4欧元,包括太阳能电池和光伏逆变器,对于一个3kw的发电装置,如果逆变器效率提高了1%,也就是说多发了30w,那么成本就可以节省4×30=120欧元)。提高光伏逆变器的欧洲效率带来的经济效益是显而易见的,“不惜成本”追求更高的欧效也成为现在光伏逆变器发展的趋势。

  2 功率器件的选型

  在通用逆变器的中,综合考虑性价比因素,igbt是最多被使用的器件。因为igbt导通压降的非线性特性使得igbt的导通压降并不会随着电流的增加而显著增加。从而保证了逆变器在最大负载情况下,仍然可以保持较低的损耗和较高的效率。但是对于光伏逆变器而言,igbt的这个特性反而成为了缺点。因为欧洲效率主要和逆变器不同轻载情况下效率的有关。在轻载时,igbt的导通压降并不会显著下降,这反而降低了逆变器的欧洲效率。相反,mosfet的导通压降是线性的,在轻载情况下具有更低的导通压降,而且考虑到它非常卓越的动态特性和高频工作能力,mosfet成为了光伏逆变器的首选。另外考虑到提高欧效后的巨大经济回报,最新的比较昂贵的器件,如sic二极管,也正在越来越多的被应用在光伏逆变器的设计中,sic肖特基二极管可以显著降低开关管的导通损耗,降低电磁干扰。

  3 光伏逆变器的设计目标

  对于无变压器式光伏逆变器,它的主要设计目标为:

  (1) 对太阳能电池输入电压进行最大功率点跟踪,从而得到最大的输入功率;

  (2) 追求光伏逆变器最大欧效;

  (3) 低的电磁干扰。

  为了得到最大输入功率,电路必须具备根据不同太阳光条件自动调节输入电压的功能,最大功率点一般在开环电压的70%左右,当然这和具体使用的光伏电池的特性也有关。典型的电路是通过一个boost电路来实现。然后再通过逆变器把直流电逆变为可并网的正弦交流电。

  4 单相无变压器式光伏逆变器介绍

  的选择和光伏逆变器额定输出功率有关。对于4kw以下的光伏逆变器,通常选用直流母线不超过500v,单相输出的

  这个功能(见图2)可以通过以下的原理图实现(见图3)。

  

  图2 单相无变压器式光伏逆变器功能图

  

  图3 单相无变压器式光伏逆变器原理图

  boost电路通过对输入电压的调整实现最大功率点跟踪。h桥逆变器把直流电逆变为正弦交流电注入电网。上半桥的igbt作为极性控制器,工作在50hz,从而降低总损耗和逆变器的输出电磁干扰。下半桥的igbt或者mosfet进行pwm高频切换,为了尽量减小boost电感和输出滤波器的大小,切换频率要求尽量高一些,如16khz。

  4.1 单相无变压器式光伏逆变器的优点

  我们推荐使用功率模块来设计光伏逆变器,因为把图3拓扑上的所有器件集成到一个模块里面可以提供以下优点:

  (1) 安装简单,可靠;

  (2) 研发设计周期短,可以更快地把产品推向市场;

  (3) 更好的电气性能。

  4.2 对于模块设计,必需要达到的指标

  而对于模块的设计,我们必须保证:

  (1) 直流母线环路低电感设计

  为了实现这个目标,我们必须同时降低模块内部和外部的寄生电感。为了降低模块内部的寄生电感,必须优化模块内部的绑定线,管脚布置以及内部走线。为了降低模块外部寄生电感,我们必须保证在满足安全间距的前提下,boost电路和逆变桥电路的直流母线正负两端尽量靠近。

  (2) 给快速开关管配置专有的驱动管脚

  开关管在开关过程中,绑定线的寄生电感会造成驱动电压的降低。从而导致开关损耗的增加,甚至开关波形的震荡。在模块内部,通过给每个开关管配置专有的驱动管脚(直接从芯片上引出),这样就可以保证在驱动环路中不会有大电流流过,从而保证驱动回路的稳定可靠。这种解决方案目前只有功率模块可以实现,单管igbt还做不到。

  图4显示了vincotech公司最新推出的光伏逆变器专用模块flowsol-bi(p896-e01),它集成了上面所说的优点。

  

  图4 flowsol-bi boost电路和全桥逆变电路

  4.3 技术参数

  (1) boost电路由mosfet(600v/45mω)和sic二极管组成;

  (2) 旁路二极管主要是当输入超过额定负载时,旁路boost电路,从而改善逆变器整体效率;

  (3) h桥电路上半桥由75a/600v igbt和sic二极管组成,下半桥由mosfet(600v/45mω)组成;

  (4) 集成了温度检测电阻。

  5 单相无变压器光伏逆变器专用模块flowsol0-bi的效率计算

  这里我们主要考虑功率半导体的损耗,其他的无源器件,如boost电感,输出滤波电感的损耗不计算在内。

  基于这个电路的相关参数,仿真结果如下:

  条件

  ●pin=2kw;

  ●fpwm = 16khz;

  ●vpv-nominal = 300v;

  ●vdc = 400v。

  根据图5、6的仿真结果可以看到,模块的效率几乎不随负载的降低而下降。模块总的欧洲效率(boost+inverter)可以达到98.8%。即使加上无源器件的损耗,总的光伏逆变器的效率仍然可以达到98%。图6虚线显示了使用常规功率器件,逆变器的效率变化。可以明显看到,在低负载时,逆变器效率下降很快。

  

  图5 boost电路效率仿真结果 ee=99.6%

  

  图6 flowsol-bi逆变电路效率仿真结果-ee=99.2%标准igbt全桥-ee=97.2% (虚线)

  6 三相无变压器光伏逆变器拓扑结构介绍

  大功率光伏逆变器需要使用更多的光伏电池组和三相逆变输出(见图7),最大直流母线电压会达到1000v。

  

  图7 三相无变压器式光伏逆变器功能图


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