新型逆变器优化光伏系统设计

 

关键字：太阳能逆变器

 逆变器 光伏系统 

　　近年来光伏发电在各国的普及和应用取得可观的进展。作为电能转换的关键环节，电力
电子变换器对于光伏系统的整体性能与可靠性占有举足轻重的地位。本文在简要回顾了太阳
能市场近年来的发展之后，着重分析了逆变器

">太阳能逆变器的设计需要并由此阐述了功

率半导体器件与电路拓扑方面的优选原则。
　　随着对绿色能源不断增长的需求，

 太阳能发电近年来的迅猛发展引起了各方面的广泛

关注。

2009 年度以美国为例，太阳能工业总产值在整体经济低迷的形势下仍增长了百分之

三十六，并吸引了高达

14 亿美元的风险投资。据有关方面的可靠报导，在未来三年里，全

世界对光伏发电系统的年需求将保持百分之三十的速度递增。这样的高增长率预测是基于以
下几个因素：目前过剩的生产能力已经将光伏系统的平均制造成本削减了百分之二十五；
光伏系统的安装价格在持续下降；世界范围内各国与地区的政府补贴。中国太阳能资源非常
丰富，近期来国家的补贴扶持政策陆续推出。如其中最具影响的金太阳工程

――提出对光伏

并网项目和无电地区离网光伏发电项目分别给予

50%及 70%的财政补贴。可以相信，中国

太阳能产业现在处于一个高速发展的时期。
　　电力电子的设计对于太阳能发电系统的整体效能具有举足轻重的地位。最高的转换效率
永远是系统设计工程师考虑的首要因素。由于光电转换板的效率很低，通常不超过百分之二
十，因此太阳能逆变器的转换效率对于减小太阳能板总面积和系统总体积就至关重要。除此
之外，在电能转换过程的功率损耗直接导致了半导体晶圆的温度升高，所以要通过散热器
有效耗散这部分损耗能量。器件工作时的温升和热应力是影响可靠性的重要参数，换言之，
减少功率变换损耗不仅节约了能源，还提高了系统可靠性，缩减了系统体积和成本。本文将
阐述以提高能效为目标的太阳能逆变器设计原则，并介绍市场上应运而生的各种新器件，
新电路和最新控制技术。
　　电路拓扑
　　要把太阳能转换板输出的

“粗电”（波动的直流电压）变成恒定可靠的正弦波交流市电，

实现方式通常分为两种构架：单级变换和两级变换，也称为无直流斩波和有直流斩波式。直
流

-直流斩波器能够保持逆变器输入侧电压的恒定和可调，从而实现电压和功率控制之间的

解耦。有些时候也利于电力半导体器件的选取和系统成本优化。但是，毋庸置疑，这一级额
外的变换装置很可能对系统效率带来负面影响，所以越来越多的厂商在开发或评估单级变
换的架构，即使这样会面临更复杂的逆变器控制和潜在的更高器件耐量要求。在新的拓扑结
构中，

HERIC？ 和多电平结构吸引了业界更多的关注而且有望成为主流的拓扑形式，特别

是在和电网相联的情况下。
　　
　　图

 1： HERIC 拓扑结构

　　
　　图

 2 ：三电平钳位二极管拓扑。

　　如图

1 所示，HERIC 逆变器的结构是在传统的单相逆变全桥基础上新增加了一对二极

管串联开关反并联作为输出。新增电路中的开关器件以工频周波速度开关，对于器件速度没
有特殊需求。在应用了适当的相位控制之后，这种电路能够更加有效地处理无功功率，从而
提高整个系统的效率。应当指出，这种拓扑结构现在仍然处于

Sunways 所获专利的有效期之

内，因而在欧洲的应用相对于亚洲和北美要广泛。