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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：國內光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈完整，相關(guān)公司的數量也非常之多，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(jià)格戰之外各大廠(chǎng)家也需要提高自家產(chǎn)品的性能和產(chǎn)品穩定性來(lái)面對日益激烈的市場(chǎng)。 一、背景 當前，碳中和已成為全球可持續發(fā)展的理念共識。我國在“雙碳”戰略的指引下，近年來(lái)可再生能源實(shí)現突破式發(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(cháng)勢頭迅猛。2023年光伏新增裝機創(chuàng )下新高，根據國家能源局數據，截至2023年12月底，全國太陽(yáng)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(shí)，光伏新增裝機容量達到216.88GW，同比增長(cháng)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)電系統的組成 光伏發(fā)電系統 （photovoltaic generation system），簡(jiǎn)稱(chēng)光伏（PV），是指利用光伏電池的光生伏特效應，將太陽(yáng)輻射能直接轉換成電能的發(fā)電系統，如圖2所示。光伏發(fā)電系統的能量來(lái)源于取之不盡、用之不竭的太陽(yáng)能，是一種清潔、安全和可再生的能源。光伏發(fā)電過(guò)程不污染環(huán)境，不破壞生態(tài)。一般光伏發(fā)電系統是由光伏電池、逆變器、并網(wǎng)箱、支架、交直流線(xiàn)纜等組成。
圖2 光伏發(fā)電系統 而逆變器（ inverter）作為光伏發(fā)電系統中核心的電力轉換功能模塊，它可以將光伏電池產(chǎn)生的直流電轉換為市電頻率一致的交流電反饋回市電系統或供交流設備使用。 光伏逆變器的種類(lèi)有并/離網(wǎng)型;單相和三相，根據隔離的要求分為工頻隔離/高頻隔離/非隔離，根據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(lèi)型的逆變器電路架構也不一樣，接下來(lái)我們以組串式單相并網(wǎng)逆變器來(lái)介紹。 三、光伏逆變器MPPT原理解析 太陽(yáng)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(xiàn)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(xiàn)是非線(xiàn)性的，其中有一個(gè)特定的點(diǎn)稱(chēng)為最大功率點(diǎn) （MPP），如圖3所示。在該點(diǎn)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(diǎn)上我們使用了 MPPT 最大功率點(diǎn)追蹤（ Maximum Power Point Tracking）技術(shù)。
圖3 光伏MPPT最大功率點(diǎn)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(guò)實(shí)時(shí)調整光伏組件的工作電壓，MPPT 技術(shù)可以使光伏發(fā)電系統在不同的光照強度和溫度條件下始終保持在最大功率點(diǎn)附近運行，從而有效地提高了發(fā)電效率。據統計，采用 MPPT 技術(shù)的光伏逆變器相比傳統逆變器，發(fā)電效率可提高 10%。 那我們該如何來(lái)實(shí)現MPPT呢？我們可以通過(guò)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(shí)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(jìn)行比較，取較大的值，如此循環(huán)，便可實(shí)現 MPPT 控制了，這種控制方法也叫觀(guān)察擾動(dòng)法。 如果光伏電池電壓高于逆變器母線(xiàn)要求的電壓，逆變器將直接工作，MPPT電壓將繼續跟蹤到最大點(diǎn)。但達到最低母線(xiàn)電壓要求后，將不能再繼續降低電壓了，如圖4所示，達不到最大效率點(diǎn)，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(lái)彌補這個(gè)缺點(diǎn)來(lái)提高M(jìn)PPT的工作范圍，在光伏電池低于逆變所需求的母線(xiàn)電壓時(shí)我們通過(guò)升壓電路提高母線(xiàn)輸出電壓，我們增加了Boost電路來(lái)解決此問(wèn)題，將母線(xiàn)電壓固定在逆變所需的電壓，MPPT有無(wú)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(wú)boost電路的對比 如圖6所示，BOOST電路系統框圖，我們可以通過(guò)PWM技術(shù)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管Q實(shí)現升壓，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(lái)實(shí)現輸出功率控制，輸出穩定的母線(xiàn)電壓也使得DC/AC逆變輸出的電壓電流波形更加的穩定。
圖6 BOOST電路系統框圖 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換為和電網(wǎng)電壓、頻率一致的交流電，為了實(shí)現這一轉換我們利用逆變來(lái)技術(shù)實(shí)現。我們常見(jiàn)的單相光伏逆變器電路拓撲由4顆開(kāi)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(guò)SPWM（正弦脈寬調制）控制得到正弦波輸出。
圖7單相光伏逆變器電路拓撲 正弦脈寬調制法（SPWM）是將每一正弦周期內的多個(gè)脈沖作自然或規則的寬度調制，使其依次調制出相當于正弦函數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調制波的正半周期輸出是+Udc，在調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(lái)說(shuō)縮小了一半。調制波的正半周期內S3全程關(guān)斷，S4全程導通，此時(shí)給S1和S2輸入互補的PWM，電壓輸出0~+Udc 。 調制波的負半周期內 S1全程關(guān)斷，S2導通，此時(shí)給S3和S4輸入互補的SPWM，電壓輸出-Udc~0。 雙極性SPWM調制開(kāi)關(guān)管S1和S4的驅動(dòng)信號相同，S2和S3的驅動(dòng)信號相同，且S1/S4的驅動(dòng)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(diǎn)。 單極性SPWM的優(yōu)點(diǎn)包括： 1．單極性SPWM是一種簡(jiǎn)單的調制方式，只需要使用一個(gè)單極性信號就可以完成調制，因此更容易實(shí)現和調節。 2．單極性SPWM可以降低電路中的干擾噪聲，同時(shí)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(diǎn)： 1．單極性SPWM中的脈沖源會(huì )帶來(lái)額外的負載，并且還可能導致線(xiàn)圈震動(dòng)，降低系統穩定性。 2．單極性SPWM中輸出電壓的紋波比較大，影響電路的穩定性。 3．單極性SPWM只能實(shí)現單項變流，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(shí)現雙向變流，輸出電壓的平均值為0，更適用于大部分變流應用。 雙極性SPWM的優(yōu)點(diǎn)包括： 1．雙極性PWM調制的輸出波形更加復雜，可以通過(guò)改變脈沖的寬度和極性來(lái)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調制可以通過(guò)改變極性來(lái)減小輸出電壓的波動(dòng)，提高輸出電壓的質(zhì)量。 3．雙極性PWM調制可以在一定程度上提高系統的利用率，使得輸出電壓能夠更接近于電源電壓。 雙極性SPWM的缺點(diǎn)包括： 1．與單極性SPWM相比，雙極性PWM調制的控制電路相對復雜，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)中的應用各有優(yōu)勢和局限，選擇哪種方式取決于具體的應用需求和系統設計考慮。 五、光伏逆變器中的解決方案 可以采用霍爾類(lèi)型的電流傳感器進(jìn)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(shí)一次側與二次側完全絕緣。在-40~+105℃全溫區下具有高精度、高線(xiàn)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)品應用。
圖10 光伏系統電流拓撲圖 六、總結 光伏逆變器是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中的核心設備，其主要作用是將太陽(yáng)能電池板輸出的直流電轉換為交流電，供家庭、商業(yè)或工業(yè)使用。光伏逆變器通過(guò)復雜的構造和獨特的工作原理，將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中的直流電高效地轉換為交流電，為各種用電設備提供穩定的電力供應。隨著(zhù)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)電的廣泛應用和可持續發(fā)展提供強有力的支持。 |
