基于一种新型逆变器优化光伏系统详解

1万 · 2013-8-24 22:11

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。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[size=14.399999618530273px]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。
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。有些时候也利于电力半导体器件的选取和系统成本优化。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。

1万 · 2013-8-24 22:13

如图1所示，HERIC[size=14.399999618530273px]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。
三电平二极管钳位逆变器是近来受到特别关注的一种新型太阳能逆变电路拓扑，它已被成功地使用在高电压的集中式太阳能发电应用中。图2所示的三相三电平电路的每个桥臂由4只带反并联二极管的开关串联而成，另外每相有一个二极管相臂跨接在主开关之间，且其中点和直流母线的中性点直接连通。这个二极管相臂起电压钳位的作用以保证电路工作时，每个主开关器件所受最大电压应力为母线电压的一半。由于这种特殊的拓扑结构，三电平输出具有低次谐波小(交流输出更接近正弦)，电磁噪声水平低，所需开关器件的电压耐量低和级数可扩展等优点。在太阳能并网发电时，尤其适用于三相大功率高电压的场合。体现在三个方面：首先，实践证明，高压半导体开关器件的价格高于相同电流耐量一半电压耐量的低压器件的两倍，从而三电平电路的器件成本更低;其次，输出电压的谐波小，所需的滤波器磁性元件尺寸大为减小，从而降低了滤波设备成本;最后，由于开管数量的增多，即使在脉宽调制方式下，三电平的部分主开关可以在低频下开关，就可以采用相对经济的开关器件。
电力电子器件的常用种类和选型原则
用于广义的太阳能逆变器的功率半导体器件主要有MOSFE是一种金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。IGBT，Super Junction MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。与此相对的IGBT则开关速度较慢，但具有较高的电流密度，从而价格便宜并适用于大电流的应用场合。超结MOSFET介于两者之间，是一种性能价格折中的产品，在实际设计中被广为应用。为了帮助设计人员量化的分析效率和器件成本之间的关系，表一罗列了三种半导体开关器件的功率损耗和价格因素，为了便于比较，各参数均以MOSFET情况作归一化处理。

表1 常用开关器件的性能与价格对照表 (所有数字以MOSFET情况归一化)

1万 · 2013-8-24 22:14

单相全桥混合器件模块与三电平混合器件模块
图3所示的混合单相全桥功率模块是专用于太阳能单相逆变的产品。配合以单极型调制方法，每个桥臂的两只开关管分别工作在完全相异开关频率范围。以图示为例，上管总是在工频切换通断状态，而下管总是在脉宽调制频率下动作。根据这种工作特点，上管总是选用相对便宜的门极沟道型 IGBT以优化通态损耗，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。而下管可选择非穿通型(NPT) IGBT以减少开关损耗。这种拓扑结构不但保障了最高系统转换效率还降低了整个逆变设备的成本。图4给出了不同器件搭配的转换效率曲线以印证这种太阳能功率模块的优越性。可以发现，这种混合器件配置在不同负载下能实现98%以上的转换效率。

图3 ：混合器件太阳能逆变模块。

图4 ：不同器件搭配的逆变器效率对比。
在美高森美的三电平逆变模块中，也引入了混合器件的机制。其主旨在于充分利用两端器件开关频率远高于中间相邻两器件。因而APTCV60 系列三电平模块使用两头超结MOSFET中间Trench IGBT的结构进一步提高效率。
结论
提高转换效率和降低成本是太阳能[size=14.399999618530273px]逆变器设计的长期课题，也是工程设计人员面临的最大挑战。本文以如何设计优化的新一代太阳能功率变换系统出发，讨论了集中式太阳能逆变器的设计原则，典型拓扑结构和开关器件的选型方法。阐述了设计工程师如何运用器件，电路与系统各个层次上的新技术优化逆变器系统设计的方案。实践证明，美高森美的多个相关新产品能够从多个方面优化系统性能，为太阳能[size=14.399999618530273px]逆变器市场提供了高效，可靠，经济的系统解决方案。

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