光伏 (PV) 应用逆变器简介

本文介绍了光伏应用中使用的逆变器的架构和类型。

逆变器属于一大类静态转换器，其中包括当今许多能够“转换”输入电参数（例如电压和频率）的设备，以产生与负载要求兼容的输出。 

一般来说，逆变器是能够将直流电转换为交流电的设备，在工业自动化应用和电力驱动中非常常见。不同逆变器类型的架构和设计根据每个特定应用而变化，即使它们的主要目的的核心是相同的（DC 到 AC 转换）。 

本文介绍了光伏应用中使用的逆变器的架构和类型。

 

独立和并网逆变器

光伏应用中使用的逆变器历史上分为两大类： 

1. 独立逆变器
2. 并网逆变器

独立逆变器适用于光伏电站未连接到主能源分配网络的应用。逆变器能够为连接的负载提供电能，保证主要电气参数（电压和频率）的稳定。这使它们保持在预定义的限制内，能够承受临时过载情况。在这种情况下，逆变器与电池存储系统相结合，以确保稳定的能源供应。 

另一方面，并​​网逆变器能够与它们所连接的电网同步，因为在这种情况下，电压和频率由主电网“施加”。如果主电网出现故障，这些逆变器必须能够断开连接，以避免主电网出现任何可能的反向供电，这可能会带来严重的危险。 

 

图 1 - 独立系统和并网系统的示例。图片由Biblus提供。  

 

如今，独立逆变器和并网逆变器之间的区别并不那么明显，因为许多太阳能逆变器被设计为在独立或并网条件下工作。事实上，一些配电系统运营商 (DSO) 允许甚至要求特定发电机在电网出现故障时保持运行状态，以便为特定区域或负载供电。这种情况称为“孤岛运行模式”，实际上属于单机应用所描述的情况。 

 

光伏逆变器架构

现在让我们关注光伏逆变器的特定架构。制造商做出了许多不同的设计选择，从而在几种逆变器型号之间产生了巨大差异。了解了这一点，我们将介绍所有光伏逆变器的主要特性和通用组件。 

图 2 显示了非常简单的三相太阳能逆变器架构。

 

图 2 - 三相太阳能逆变器总体架构 

 

逆变器的输入部分由光伏电站的串连接的直流侧表示。输入通道的数量取决于逆变器型号及其功率，但即使这种选择在工厂设计中很重要，也不会影响逆变器的运行。因此，让我们暂时假设所有串在逆变器之前都通过预并联箱耦合，并且逆变器只有两个输入：+ 和 -。 

 

MPPT转换器

在输入侧之后的逆变器上要注意的第一个重要区域是最大功率点跟踪 (MPPT) 转换器。MPPT 转换器是 DC/DC 转换器，其特定目的是最大化 1 由 PV 发电机产生的功率。请注意，此特定设备将输入端的电气参数特性转换为所需的特性（通常会增加或降低输入电压），从而始终保持直流模式。事实上，光伏组件的功率在很大程度上取决于现场的气候条件（主要是辐照度和温度）。 

每个 PV 模块（或组串）都可以通过 IV 曲线（见图 3）来表征，在该曲线中可以确定最大功率条件（Imp、Vmp）。作为标准规则，此曲线可在每个 PV 模块的数据表中找到，并根据标准测试条件 STC：（1000 W/m2，25 °C，IAM 1.5）计算得出。要更好地了解 IAM，请阅读辐射和能量分布在太阳能光伏中的工作原理。

图 3 - 光伏模块的 IV 曲线示例。图片由PVEducation提供。 

 

一旦温度和辐照度与 STC 不同，电压和电流就会发生变化，导致 IV 曲线与 STC 不同。图 4 和图 5 显示了 IV 如何根据温度和辐照度变化。显然最大功率点也会发生变化，所以MPPT算法总是寻找这个点，以求最大功率输出。 

 

图 4 - 不同温度下的 IV 曲线。图片由 PV Education 提供。 

 

图 5 - 不同辐照下的 IV 曲线和功率曲线。图片由 PV Education 提供。 

 

扰动观察法

实现MPPT算法连续搜索最大功率点最常用的方法是“扰动观察”法。基本上，在预定义的频率下，该算法通过改变电压来扰乱工作条件，然后检查新的工作点是否实际上对应于更高的功率。如果是这样，它会通过改变电压以相同的方式继续。如果是增加，它会一直尝试增加。否则，返回到先前的操作点。它是连续的、非常快速的跟踪，并且每个电压变化都非常小（小于 1V）。 

 

逆变转换桥 

接下来，我们找到逆变器的“核心”，即转换桥本身。转换桥有多种类型，因此我不会介绍不同的桥解决方案，而是重点介绍桥的一般工作原理。 

图 2 展示了一个三相逆变器，桥的每个“支路”都有两个开关器件，通常是 MOSFET 或 IGBT——如今，3 个 IGBT 是太阳能逆变器最流行的解决方案。控制逻辑以产生直流到交流转换的方式控制 IGBT 的开关行为。从直流信号产生正弦波形的最常见开关策略是脉宽调制 (PWM)。 

 

逆变器滤波器

逆变器的最后一部分是滤波器部分，旨在补偿前面所有部分产生的谐波成分并清理输出波形。IGBT 的开关是谐波的主要来源。它以比基波更高的频率引入波形。 

 

如何为光伏电站选择合适的太阳能逆变器 

为了将太阳能逆变器与光伏电站耦合，检查它们之间的一些参数是否匹配很重要。

 

光伏组串设计完成后，就可以计算出直流侧的最大开路电压（Voc,MAX）（根据IEC标准）。因此，第一个重要的检查包括验证逆变器可以承受的最大开路电压是否高于光伏场产生的电压： 

V OC，MAXPV < V OC，MAXINV 

第二个重要检查是短路电流匹配。重要的是确保光伏场的最大短路电流低于逆变器允许的最大电流。此规则对每个逆变器输入均有效。 

ISC, MAXPV < IDC, MAXINV 

最后两项重要检查与 MPPT 算法有关。该算法在预定义的电压范围内工作。为了最大限度地提高产量，重要的是检查 MPP 条件下的最大和最小 PV 电压（根据现场的气候条件）保持在 MPPT 电压范围内。如果没有发生这种情况，逆变器仍将工作，但工厂将无法最大限度地提高产量。 

V MPP、MAXP V≤V MPPT、MAXINV 

V MPP, MIN PV ≥ V MPPT, MININV 

 

检查逆变器效率

最后，检查逆变器的整体效率也很重要。现在市场上逆变器的效率都很高，有的厂商标示值在99%左右，而比较常见的值在97%-98%之间。然而，将效率定义为单个峰值并不完全正确。真正的效率取决于负载和温度。因此，在逆变器的数据表中通常会发现以下三个特征： 

1. 峰值效率 
2. 欧元效率 
3. CEC 效率（加州能源委员会） 

峰值效率对应于最大逆变器功率下的效率，通常是数据表中的标称值。Euro 和 CEC 效率根据特定现场条件考虑了逆变器的不同负载条件——欧洲大陆气候（针对 Euro 效率）和美国西南部地区的气候（针对 CEC 效率）。因此，基本上，这两种方法都是根据逆变器在该特定站点在该条件下工作的时间来权衡特定负载条件下逆变器的效率。 

有极好的资源可用于进一步了解Euro 和 CEC 效率的公式。这些计算总逆变器效率的标准方法提供了比规定的峰值效率更实际的值。