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设计，我们通常是通过每千瓦多少钱来衡量其性价比的。但是对于光伏逆变器的设计而言，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。因为对于光伏逆变器而言，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逆变器的性能。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

　　在通用逆变器的设计中，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拓扑介绍

　　拓扑结构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，单相输出的拓扑结构。

　　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拓扑结构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。