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Talk about the construction principle of photovoltaic inverter 單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 作者：吳磊 摘要：國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈完整，相關(guān)公司的數(shù)量也非常之多，產(chǎn)品的同質(zhì)化非常嚴重，想要在光伏這片紅海中取勝，除了價格戰(zhàn)之外各大廠家也需要提高自家產(chǎn)品的性能和產(chǎn)品穩(wěn)定性來面對日益激烈的市場。 一、背景 當前，碳中和已成為全球可持續(xù)發(fā)展的理念共識。我國在“雙碳”戰(zhàn)略的指引下，近年來可再生能源實現(xiàn)突破式發(fā)展，步入高質(zhì)量發(fā)展新階段，其中尤其以光伏發(fā)電增長勢頭迅猛。2023年光伏新增裝機創(chuàng)下新高，根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，截至2023年12月底，全國太陽能發(fā)電累計裝機容量達6.1億千瓦。正式超越水電，成為全國第二大能源。同時，光伏新增裝機容量達到216.88GW，同比增長148%，也創(chuàng)下歷史新高，如圖1所示。 
圖1 2023年光伏累計裝機 二、光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 光伏發(fā)電系統(tǒng) （photovoltaic generation system），簡稱光伏（PV），是指利用光伏電池的光生伏特效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量來源于取之不盡、用之不竭的太陽能，是一種清潔、安全和可再生的能源。光伏發(fā)電過程不污染環(huán)境，不破壞生態(tài)。一般光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池、逆變器、并網(wǎng)箱、支架、交直流線纜等組成。
圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng) 而逆變器（ inverter）作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中核心的電力轉(zhuǎn)換功能模塊，它可以將光伏電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為市電頻率一致的交流電反饋回市電系統(tǒng)或供交流設(shè)備使用。 光伏逆變器的種類有并/離網(wǎng)型;單相和三相，根據(jù)隔離的要求分為工頻隔離/高頻隔離/非隔離，根據(jù)功率大小又分微型逆變器；組串式逆變器；集中式逆變器等，不同類型的逆變器電路架構(gòu)也不一樣，接下來我們以組串式單相并網(wǎng)逆變器來介紹。 三、光伏逆變器MPPT原理解析 太陽能光伏電池組的輸出功率受到多種因素的影響，包括光照強度、溫度和陰影等，光伏電池組的 IV 特性曲線顯示了在不同條件下的電流和電壓之間的關(guān)系，由于其輸出曲線是非線性的，其中有一個特定的點稱為最大功率點 （MPP），如圖3所示。在該點上，電池組將輸出最大的功率,為了使光伏電池一直工作在最大功率點上我們使用了 MPPT 最大功率點追蹤（ Maximum Power Point Tracking）技術(shù)。
圖3 光伏MPPT最大功率點追蹤 MPPT 技術(shù)是光伏逆變器中提高發(fā)電效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過實時調(diào)整光伏組件的工作電壓，MPPT 技術(shù)可以使光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同的光照強度和溫度條件下始終保持在最大功率點附近運行，從而有效地提高了發(fā)電效率。據(jù)統(tǒng)計，采用 MPPT 技術(shù)的光伏逆變器相比傳統(tǒng)逆變器，發(fā)電效率可提高 10%。 那我們該如何來實現(xiàn)MPPT呢？我們可以通過對當前光伏電池輸出電壓U與電流I 的檢測，得到當前光伏電池的輸出功率，然后與前一時刻光伏電池的輸出功率相比，取兩者中較大的值；在下一周期，再檢測U 、I 進行比較，取較大的值，如此循環(huán)，便可實現(xiàn) MPPT 控制了，這種控制方法也叫觀察擾動法。 如果光伏電池電壓高于逆變器母線要求的電壓，逆變器將直接工作，MPPT電壓將繼續(xù)跟蹤到最大點。但達到最低母線電壓要求后，將不能再繼續(xù)降低電壓了，如圖4所示，達不到最大效率點，MPPT的范圍就很窄，大大的降低了發(fā)電的效率。
圖4 逆變器工作下的MPPT追蹤 所以我們必須要想辦法來彌補這個缺點來提高MPPT的工作范圍，在光伏電池低于逆變所需求的母線電壓時我們通過升壓電路提高母線輸出電壓，我們增加了Boost電路來解決此問題，將母線電壓固定在逆變所需的電壓，MPPT有無Boost電路的對比，如圖5所示，可以看到加入了Boost電路大大的增加了MPPT的范圍。
圖5 MPPT有無boost電路的對比 如圖6所示，BOOST電路系統(tǒng)框圖，我們可以通過PWM技術(shù)來控制開關(guān)管Q實現(xiàn)升壓，工程師朋友們知道BOOST電路占空比D=（Vo-Vi）/Vo，其中Vo為輸出電壓，Vi為輸入電壓，可以控制其占空比D的大小來實現(xiàn)輸出功率控制，輸出穩(wěn)定的母線電壓也使得DC/AC逆變輸出的電壓電流波形更加的穩(wěn)定。
圖6 BOOST電路系統(tǒng)框圖 四、光伏逆變器DC/AC原理解析 光伏逆變器中需要將光伏電池得到的直流電裝轉(zhuǎn)換為和電網(wǎng)電壓、頻率一致的交流電，為了實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換我們利用逆變來技術(shù)實現(xiàn)。我們常見的單相光伏逆變器電路拓撲由4顆開關(guān)管以H的方式連接，這種連接方式也叫H橋，如圖7所示，通過SPWM（正弦脈寬調(diào)制）控制得到正弦波輸出。
圖7單相光伏逆變器電路拓撲 正弦脈寬調(diào)制法（SPWM）是將每一正弦周期內(nèi)的多個脈沖作自然或規(guī)則的寬度調(diào)制，使其依次調(diào)制出相當于正弦函數(shù)值的相位角和面積等效于正弦波的脈沖序列，形成等幅不等寬的正弦化電流輸出。 SPWM又分單極性SPWM和雙極性SPWM，如圖8和圖9所示。
圖8 單極性SPWM
圖9 雙極性SPWM 單極性SPWM調(diào)制波的正半周期輸出是+Udc，在調(diào)制波的負半周期輸出的是-Udc，H橋輸出端的電壓變化是從+Udc到0，再從0到-Udc，變化幅度相對于雙極性來說縮小了一半。調(diào)制波的正半周期內(nèi)S3全程關(guān)斷，S4全程導(dǎo)通，此時給S1和S2輸入互補的PWM，電壓輸出0~+Udc 。 調(diào)制波的負半周期內(nèi) S1全程關(guān)斷，S2導(dǎo)通，此時給S3和S4輸入互補的SPWM，電壓輸出-Udc~0。 雙極性SPWM調(diào)制開關(guān)管S1和S4的驅(qū)動信號相同，S2和S3的驅(qū)動信號相同，且S1/S4的驅(qū)動信號和S2/S3的互補，電壓變化是直接從+Udc變換到-Udc。 單極性SPWM和雙極性SPWM在光伏逆變器SPWM控制技術(shù)中各有其優(yōu)缺點。 單極性SPWM的優(yōu)點包括： 1．單極性SPWM是一種簡單的調(diào)制方式，只需要使用一個單極性信號就可以完成調(diào)制，因此更容易實現(xiàn)和調(diào)節(jié)。 2．單極性SPWM可以降低電路中的干擾噪聲，同時安裝成本更低。 3．單極性SPWM下功率器件的功率損失更小，效率更高。 單極性SPWM存在的缺點： 1．單極性SPWM中的脈沖源會帶來額外的負載，并且還可能導(dǎo)致線圈震動，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。 2．單極性SPWM中輸出電壓的紋波比較大，影響電路的穩(wěn)定性。 3．單極性SPWM只能實現(xiàn)單項變流，輸出電壓的平均值大于0，而雙極性SPWM可以控制電壓的正負，可以實現(xiàn)雙向變流，輸出電壓的平均值為0，更適用于大部分變流應(yīng)用。 雙極性SPWM的優(yōu)點包括： 1．雙極性PWM調(diào)制的輸出波形更加復(fù)雜，可以通過改變脈沖的寬度和極性來精確控制輸出電壓，因此可以更好地逼近正弦波。 2．雙極性PWM調(diào)制可以通過改變極性來減小輸出電壓的波動，提高輸出電壓的質(zhì)量。 3．雙極性PWM調(diào)制可以在一定程度上提高系統(tǒng)的利用率，使得輸出電壓能夠更接近于電源電壓。 雙極性SPWM的缺點包括： 1．與單極性SPWM相比，雙極性PWM調(diào)制的控制電路相對復(fù)雜，成本較高。 2．雙極性SPWM下功率器件的功率損失更大，效率較低。 3．綜上所述，單極性SPWM和雙極性SPWM在光伏逆變器SPWM控制技術(shù)中的應(yīng)用各有優(yōu)勢和局限，選擇哪種方式取決于具體的應(yīng)用需求和系統(tǒng)設(shè)計考慮。 五、光伏逆變器中的解決方案 可以采用霍爾類型的電流傳感器進行安裝，其適用于隔離條件下的交直流、脈沖電流和任何其他波形電流的測量，測量時一次側(cè)與二次側(cè)完全絕緣。在-40~+105℃全溫區(qū)下具有高精度、高線性的輸出特性，系列頻率帶寬高達200KHz，額定電流范圍10-300A。產(chǎn)品設(shè)計安裝方式采用PCB插件，具有可靠的固定引腳，安裝便捷且具有良好的散熱效果。適用于光伏匯流箱、光伏逆變器組串、光伏逆變器逆變電路、變頻器等工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用。
圖10 光伏系統(tǒng)電流拓撲圖 六、總結(jié) 光伏逆變器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其主要作用是將太陽能電池板輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供家庭、商業(yè)或工業(yè)使用。光伏逆變器通過復(fù)雜的構(gòu)造和獨特的工作原理，將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流電高效地轉(zhuǎn)換為交流電，為各種用電設(shè)備提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，光伏逆變器將變得更加高效、智能和可靠，為光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展提供強有力的支持。 |
