李耀曦

摘 要：針對逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)存在需提高效率和降低成本的問題，本文對光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。分析了兩種換向逆變器的結(jié)構(gòu)特征，歸納了不同光伏逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)展望了光伏逆變器的未來，為未來光伏逆變器的發(fā)展提供幫助。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；光伏逆變器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；無變壓器逆變器

可再生能源越來越被認(rèn)為是滿足當(dāng)前和未來能源需求的必要條件。太陽能由于其清潔和無限的特點(diǎn)，被作為可再生能源中最好的選擇。為了更好地利用太陽能，學(xué)者們將太陽能通過光伏電池模塊轉(zhuǎn)換為電能，并對電網(wǎng)和直流負(fù)載進(jìn)行供電。但是光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件的成本制約了光伏發(fā)電的發(fā)展，通常組件成本占系統(tǒng)總成本的30%到50%之間，因此研究低成本的組件成為了關(guān)注的問題。

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏模塊的直流電源需要轉(zhuǎn)換為具有合適電壓幅度，頻率和相位的交流電源，以連接到公用電網(wǎng)。在這種情況下，需要一種稱為逆變器的DC-AC轉(zhuǎn)換器。因此，逆變器是光伏組件中最重要的組件，其成本的變化在計(jì)算光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的總成本時(shí)，顯得越來越突出。

本文介紹了線路換向逆變器和自動換向逆變器，如圖2和圖3所示。線路換向逆變器，原理是電流的換向（從直流到交流的轉(zhuǎn)換）由電力線控制，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)就不能向電力線供電。在換向的過程中，需要使用功率開關(guān)設(shè)備，如換向晶閘管。器件的導(dǎo)通的是由器件的柵極端子控制的，而關(guān)斷是由設(shè)備的附加電路來控制執(zhí)行的。自換向逆變器，原理是電流的換向是從一個(gè)開關(guān)裝置轉(zhuǎn)換到另一個(gè)開關(guān)裝置。在換向過程中，同樣需要用到功率開關(guān)設(shè)備，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。MOSFET通常用于功率低于10 kW和頻率在20～800kHz的轉(zhuǎn)換操作中，IGBT通常用于功率超過100 kW，但是頻率限制在20 kHz以內(nèi)，不能作為高頻開關(guān)使用。其器件的導(dǎo)通與關(guān)斷都是有柵極端子處的點(diǎn)位進(jìn)行控制。

自換相逆變器在輸出端使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）開關(guān)技術(shù)產(chǎn)生AC波形。主要優(yōu)勢在于其既可以控制逆變器的電壓輸出波形和電流輸出波形，也可以調(diào)節(jié)或校正功率因數(shù)并抑制輸出電流波形中的諧波，對電網(wǎng)具有很高的抗擾動的能力。

根據(jù)自換向逆變器直流輸入側(cè)是電壓源還是電流源，其可分電壓型逆變器（Voltage Source Inverter，VSI）或電流型逆變器（Current Source Inverter，CSI）。

在電壓型逆變器中，輸入側(cè)是直流電壓源，輸入電壓保持同極性，通過逆變器的潮流方向由輸入端直流的直流電壓源的極性決定，在輸出側(cè)，可以獲得恒定幅度和可變寬度的交流電壓波形。為了限制從逆變器到電網(wǎng)的電流產(chǎn)生的諧波，在電壓型逆變器中會串聯(lián)電感，而在輸入直流端并聯(lián)大電容。VSI的特點(diǎn)是：1）輸入時(shí)阻抗很小的直流電壓源2）輸入電壓保持恒定，在其直流輸入側(cè)端子盒電容器并聯(lián)連接，且電容是小型、廉價(jià)，高效的能量存儲器3）輸出電壓的幅值不依賴負(fù)載，而輸出電流的波形和幅度受負(fù)載阻抗的影響。

在電流型逆變器中，輸入側(cè)是直流電流源，輸入電流保持同極性，因此通過逆變器的潮流方向由輸入電壓的極性決定，在輸出側(cè)，可以獲得恒定幅度和可變寬度的交流電流波形。電流型逆變器的輸入直流側(cè)通常與相對大的電感串聯(lián)連接，用于保持電流連續(xù)性。電壓型逆變器可以在電壓控制模式和電流控制模式下運(yùn)行，而具有電流控制模式的電壓型逆變器更適用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。CSI的特點(diǎn)1）輸入是具有高阻抗的直流電壓源產(chǎn)生的可變電流2）輸入電流恒定但可調(diào)節(jié)。CSI的輸入直流側(cè)與電感器串聯(lián)連接，但是電感器體積大，價(jià)格昂貴且損耗大3）輸出電流的幅度不依賴于負(fù)載。而輸出電壓的波形和幅度受負(fù)載阻抗的影響。

對于電壓型逆變器，根據(jù)控制方式的不同，可分為電壓控制模式和電流控制模式。兩種模式都是自整流電壓源逆變器，但是前者是交流電壓控制，并且短路故障電流很高，而后者是交流電流控制，短路故障電流很低，小于額定電流。當(dāng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)沒有連接到電網(wǎng)時(shí)，需采用電壓控制模式，當(dāng)連接到電網(wǎng)時(shí)，兩種模式都能用應(yīng)用。在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，使用較為廣泛的模式是電流控制模式，因?yàn)檫@種模式下，不僅可以通過其簡單的電路獲得高功率因數(shù)，而且還能再電網(wǎng)發(fā)生擾動是抑制瞬態(tài)電流。

成本和效率是光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)在公用事業(yè)中能夠廣泛應(yīng)用的需要考慮重要問題。因此通過對逆變器的結(jié)構(gòu)研究來降低成本，提高效率是目前的主要研究方向。

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