光伏发电逆变技术发展趋势

逆变技术是在电力电子技术中最主要、最核心的技术，它主要应用于各种逆变电源、变频电源、开关电源、UPS电源、交流稳压电源、电力系统的无功补偿、电力有源滤波器、变频调整器、电动汽车、电气火车、燃料电池静置式发电站等。

随着光伏发电的迅速发展，对光伏发电提出了新的要求，需要大规模的并网发电，与电网连接同步运行。并网逆变器作为光伏发电的核心，对其要求也越来越高。首先，要求逆变器输出的电量和电网电量保持同步，在相位、频率上严格一致，逆变器的功率因数近于1。其次，满足电网电能质量的要求，逆变器应输出失真度小的正弦波。第三，具有对孤岛检测的功能，防止孤岛效应的发生，避免对用电设备 和人身造成伤害。第四，为了保证电网和逆变器安装可靠运行，两者之间的有效隔离及接地技术也非常重要。

（1）结构发展趋势

过去逆变器的结构由工频变压器结构的光伏逆变器转化多转换级带高频变压器的逆变结构，功率密度大大提高， 但也导致了逆变器的电路结构复杂， 可靠性降低。现阶段的光伏并网逆变器普遍采用了 串级型，经过反复研究表明：逆变器采用多串级逆 变结构，融合了串级的设计灵活、高能量输出与集 中型低成本的优点，是今后光伏并网逆变结构的一 种发展趋势。

（2）控制策略发展趋势

光伏并网发电系统中的逆变器需要对电流和功 率进行控制，逆变器输出电流主要采用各种优化的 PWM 控制策略。对光伏阵列工作点跟踪控制主要有：恒电压控制策略和 MPPT 光伏阵列功率点控制策略。

现代控制理论中许多先进算法也被应用到光伏 逆变系统的控制中，如人工神经网络、自适应、滑 模变结构、模糊控制等。将来光伏并网系统的综合 控制成为其研究发展的新趋势。基于瞬时无功理论 的无功与谐波电流补偿控制，使得光伏并网系统既 可以向电网提供有功功率，又可以实现电网无功和 谐波电流补偿。 这对逆变器跟踪电网控制的实时性、 动态特性要求更高。

逆变器对于孤岛效应的控制，孤岛效应的检测一般分成被动式与主动式。常常采用主动检测法如脉冲电流注入法 、输出功率变化检测法、主动频率偏移法和滑模频率偏移法等。随着光伏并网发电系 统进一步的广泛应用，当多个逆变器同时并网时，不同逆变器输出的变化非常大。将来多逆变器的并网通信、协同控制已成为其孤岛效应检测与控制发展趋势。

高压、大容量逆变器的关键技术

目前，我国小型、低压用户直接并网的光伏逆变器有了较成熟的产品，对于高压大功率并网逆变器的研究正处于研制阶段。本文介绍了一种采用高电压、 MW 级大容量并网的方式，并达到了高压并网要求的技术。

该逆变器采用九电平变基准叠加 PWM 与矢量 控制相结合的控制方法来控制 IGBT 开关，通过三相 IGBT 功率模块及优化的网络拓扑结构将直流逆 变成完美无谐波的正弦电压、电流波形，并采用数 学模糊集合基础上的频率偏移主动式反孤岛控制，与电网智能化软连接并网运行。
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1、开关拓扑电路逆变器技术原理

九电平 IGBT 开关拓扑电路逆变器采用的拓扑电路是变基准叠加技术的九电平完美无谐波开关网络拓扑电路，如图2所示。


（1）结构及原理描述：如图 2 所示，变基准叠加技术的九电平完美无 谐波开关网络拓扑电路，由三个单相的开关网络拓 扑电路组成， U 相开关网络拓扑电路由 6 个二极管 D1-D6、D 10 个绝缘栅双极三极管 IGBT1-IGBT10、电 阻 R1、 R2 和电容 C1、 C2 构成。同理，开关网络拓 扑电路的 V 相和 W 相的所有元器件与 U 相的开关 网络拓扑电路完全相同。

电路中 IGBT1、 IGBT5、 IGBT4、 IGBT8 用作 PWM 控制， IGBT2 、 IGBT3 、 IGBT6 、 IGBT7 用作电平叠 加， 与其相对应的 D3、D4、D5、D6 均为箝位二极管。

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IGBT 开关工作原理是：如图 2 所示，当 U 相 的开关 IGBT3、 IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相 的 IGBT2、IGBT7、IGBT8 导通时，在 V 相的 IGBT1 上施加 PWM 信号时，就会产生如图 3 所示的九电 平信号。如图 2 所示，当 U 相的 IGBT3、IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相的 IGBT2、 IGBT7 导通时， 在 V 相的 IGBT1 上施加脉冲宽度调制 PWM信号时，就会产生如 4 所示的四电平信号。 根据上述原理，配合不同的开关状态，可以产生出 -4E~4E 九个电平信号。在每一个电平台阶上， 可根据不同脉宽的 PWM 信号，模拟出本段的波形， 从而能够形成比较完美的正弦波。

（2）与传统技术进行比较的优势本逆变器采用了上述结构与传统技术相比，具有以下几点优势：1）利用低电压、小功率的 IGBT 开关的组合实 现了大功率高电压逆变器的开关网络拓扑电路。 2）逆变器输出电压波形为九电平完美无谐波， 其THD 各项指标均满足 IEEE 要求。 3）电路易于控制，用 PWM 控制去完成系统的 无功功率分布，进而达到使系统功率因数趋于1。 4）与传统的多重化结构比较：若输出九电平波 形，多重化电路需要 16 个 IGBT 开关。本逆变器拓 扑电路采用叠加技术，每相只需 10 个 IGBT 开关。

2、九电平开关操作及并网运行主控制器原理


图 5 为九电平开关操作及并网运行主控制器原 理框图，其特点为：通过检测开关状态提高 IGBT 开关的可靠性和易操作性，并实时检测比较九电平 IGBT 开关输出端与电网端的电流、电压、频率、波 形等相关信息，完成智能化软启动并网运行及反孤岛运行的功能。
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该主控制器包括主控制微控制器及辅助电路、 辅助控制微控制器及辅助电路、控制面板微控制器 及辅助电路、IGBT 开关检测电路、双端口随机存取 存储器和模拟信号偏置电路。

主控制微控制器与辅助控制微控制器之间采用双端口随机存取存储器连接，完成传递 IGBT 开关 检测数据及软启动开关的数据， 相互传递通讯信息， 完成优化控制功能。

IGBT 开关检测电路与主控制微控制器和辅助控制微控制器连接，使主控制微控制器及辅助控制微控制器实时准确的检测所有 IGBT 开关的切换状态及关断状态，为主控制微控制器及辅助控制微控制器提供可靠的开关状态信息，使主控制微控制器及辅助控制微控制器可准确无误的向九电平 IGBT 开关拓扑电路发出触发信号，同时避免了开关切换 时的状态混叠现象，保证 IGBT 开关有序的切换。模拟信号偏置电路与主控制微控制器和辅助控制微控制器连接，为主控制微控制器和辅助控制微控制器提供被控电网的电压及电流参数。

主控制微控制器及辅助电路包括主控制微控制 器芯片，用于接收由 PT、 CT 转化后的信号而自动 检测直流系统及电网的参数并动态的建立其数学模 型，计算直流系统运行的所有参数并输出相应的指令，控制输出给电网的电压为期望的九电平波形， 电流为完美无谐波的正弦波形，使逆变器与电网系 统功率因数趋于 1.0。

同时，主控制微控制器（MCU）和辅助控制微控制器（MCU）还与智能化软启动连接及反孤岛运行控制部分相连，实时采集处理软启动开关两侧的电流、电压、频率变量完成智能化软启动并网运行及主动反孤岛式运行的功能。

3、智能化软起动连接及反孤岛运行控制部分

晶闸管开关对逆变器输出侧和电网侧电压幅 值、大小、相位及频率实时采集，不断进行比较，当其达到允许误差值范围时，由控制器发出触发信 号，控制相应可控硅的门极。因为电压幅值、相位 及频率均为空间矢量，当进行比较时需要在三维空 间内进行，将其转化成模糊集合更趋近于实际工程 情况，故此处使用数学模糊集合的概念对空间矢量 进行替换，完成软起动功能。

本逆变器采用人工智能主动式频率负偏移方法。通过软硬件将电路周期性地检测出相邻两次电 网电压过零点的时刻，计算出电网电压的频率 f，然 后在此频率 f 的基础上引入偏移量△ f，最后将频率 （ f±△ f）作为输出并网电流的给定频率，并且在电 网电压每次过零时使输出并网电流复位。当电网出现故障时，光伏阵列经逆变器的输出的电流、电压 发生畸变，且出现输出频率错位变化。形成了给定 逆变器输出的电流、电压、频率的正反馈，并超过频率保护的上、下限值，从而是逆变器有效的检测出系统故障。利用模糊数学的方法将已知的数据进行状态估计和处理，并实时与逆变器输出的电压、电流、频率进行比较，以达到与电网的主动式反孤岛运行，并网开关的智能化软启动连接，以及逆变器相应的IGBT开关的优化控制操作运行。

以上介绍的逆变器采用变基准叠加技术的九电平完美无谐波开关网络拓扑电路，使逆变出的电流波形满足IEEE标准要求，尽可能的减少谐波污染。 逆变器的主控制器可通过实时检测开关状态，有效避免开关的混叠，提高IGBT开关的可靠性和易操作性。

如何正确地为光伏逆变器应用选择IGBT

如今市场上先进功率元件的种类数不胜数，工程人员要为一项应用选择到合适的功率元件，的确是一项艰巨的工作。以太阳能逆变器应用来说， IGBT能比其他功率元件提供更多的效益，其中包括高载流能力、以电压而非电流进行控制，并能使逆并联二极管与IGBT配合。如果利用全桥逆变器拓扑及选用合适的IGBT，将使太阳能应用的功耗降至最低。
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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。如图6所示，太阳能逆变器的典型架构一般采用四个开关的全桥拓扑。


在图6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，让电力可注入电网中。

为满足这个要求，IGBT可在20kHz或以上频率的情况下，对50Hz或60Hz的频率进行脉宽调制，因此输出电感器L1和L2便可以保持合理的小巧体积，并能有效抑制谐波。此外，由于其转换频率高出人类的正常听觉频谱，因此该设计也可尽量减少逆变器产生的可听噪声。

脉宽调制这些IGBT的最佳方法是什么？怎样才能把功耗降到最低呢？方法之一是仅对高压侧IGBT进行脉宽调制，对应的低压侧IGBT以50Hz或60Hz换相。图7所示为一个典型的栅压信号。当Q1正进行脉宽调制时，Q4维持正半周期操作。Q2和Q3在正半周期保持关断。到了负半周期，当Q3进行脉宽调制时，Q2保持开启状态。Q1和Q4会在负半周期关断。图7也显示了通过输出滤波电容器C1的AC正弦电压波形。

图7：IGBT提供的栅极驱动信号及经过输出滤波电容器C1的AC正弦电压波形

此变换技术具有以下优点：(1)电流不会在高压侧反并二极管上自由流动，因此可把不必要的损耗低至最低。(2)低压侧IGBT只会在50Hz或60Hz工频进行切换，主要是导通损耗。(3)由于同一相上的IGBT绝对不会以互补的方式进行转换，所以不可能出现总线短路击穿情况。(4)可优化低压侧IGBT的反并联二极管，以尽量减低续流和反向恢复导致的损耗。
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IGBT技术

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8所示)。

图8：IGBT的关闭时间与它的集极-射极饱和电压(Vce(on))成反比

以图8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8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。
 

图9：不同速度和技术的IGBT参数对比

图9显示了四个拥有相同尺寸的IGBT的参数值。前三个IGBT采用同样的平面式技术，但使用不同的寿命复合控制计量。从表中可见，标准速度的IGBT具有最低Vce(on)，但与快速和超速平面式IGBT相比，标准速度的IGBT下降时间最慢。第四个IGBT是经优化的槽栅IGBT，能够为太阳能逆变器这类高频率切换应用提供低导通和开关损耗。请注意，槽栅IGBT的Vce(on)和总切换损耗(Ets)比超速平面式IGBT低。
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高压侧IGBT

前文讨论了高压侧IGBT在20kHz或以上频率进行切换。假设设计一个拥有230V交流输出的1.5kW太阳能逆变器，上图中哪种IGBT具有最低的功耗呢？图10显示了IGBT在20kHz进行切换的功耗分析，由此可见超速平面式IGBT比其它两种平面式IGBT具有更低的总功耗。
 

图10：IGBT在20kHz进行切换的功耗分析

在20kHz下，开关损耗明显成为总功耗的重要部分。同时，标准速度IGBT的导通损耗虽然最低，但其开关损耗却最大，并不适合充当高压侧IGBT。

最新的600V槽栅IGBT专为20kHz的切换进行了优化。如图11所示，这种IGBT比以往的平面式IGBT提供较低的总功耗。因此，为了让太阳能逆变器的设计能够达到最高效率，槽栅IGBT是高压侧IGBT的首选元件。
 

图11：标准速度IGBT在50Hz或60Hz下拥有最低的导通损耗

低压侧IGBT

低压侧IGBT同样有同一问题。究竟哪一种IGBT才能提供最低的功耗？由于这些IGBT只会进行50Hz或60Hz切换，如图11所示，标准速度IGBT可提供最低的功耗。虽然标准IGBT会带来一些开关损耗，但数值并不足以影响IGBT的总功耗。事实上，最新的槽栅IGBT仍然拥有较高的功耗，因为这一代的槽栅IGBT专门针对高频率应用而设计，以平衡开关和导通损耗为目标。因此，对低压侧IGBT来说，标准速度平面式IGBT仍然是必然选择。

这种太阳能逆变器应用的全桥拓利用正弦脉宽调制技术，在高于20kHz情况下，为高压侧IGBT进行转换。支线的低压侧IGBT决于输出频率要求，在50Hz或60Hz进行转换。若挑选最新的600V槽栅IGBT，其总功耗将会在20kHz下达到最低。在低压侧IGBT方面，标准速度平面式IGBT是最佳选择。标准速度IGBT在50Hz或60Hz下拥有最低的导通损耗，其开关损耗对整体功耗来说微不足道。因此，工程师只要正确选择IGBT组合，就能将太阳能逆变器应用的功耗降至最低。

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