|
Talk about the construction principle of photovoltaic inverter 單位：浙江巨磁智能技術有限公司 作者：吳磊 摘要：國內光伏產業經過多年發展，產業鏈完整，相關公司的數量也非常之多，產品的同質化非常嚴重，想要在光伏這片紅海中取勝，除了價格戰之外各大廠家也需要提高自家產品的性能和產品穩定性來面對日益激烈的市場。 一、背景 當前，碳中和已成為全球可持續發展的理念共識。我國在“雙碳”戰略的指引下，近年來可再生能源實現突破式發展，步入高質量發展新階段，其中尤其以光伏發電增長勢頭迅猛。2023年光伏新增裝機創下新高，根據國家能源局數據，截至2023年12月底，全國太陽能發電累計裝機容量達6.1億千瓦。正式超越水電，成為全國第二大能源。同時，光伏新增裝機容量達到216.88GW，同比增長148%，也創下歷史新高，如圖1所示。 
圖1 2023年光伏累計裝機 二、光伏發電系統的組成 光伏發電系統 （photovoltaic generation system），簡稱光伏（PV），是指利用光伏電池的光生伏特效應，將太陽輻射能直接轉換成電能的發電系統，如圖2所示。光伏發電系統的能量來源于取之不盡、用之不竭的太陽能，是一種清潔、安全和可再生的能源。光伏發電過程不污染環境，不破壞生態。一般光伏發電系統是由光伏電池、逆變器、并網箱、支架、交直流線纜等組成。
圖2 光伏發電系統 而逆變器（ inverter）作為光伏發電系統中核心的電力轉換功能模塊，它可以將光伏電池產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。 光伏逆變器的種類有并/離網型;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，不同類型的逆變器電路架構也不一樣，接下來我們以組串式單相并網逆變器來介紹。 三、光伏逆變器MPPT原理解析 太陽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 特性曲線顯示了在不同條件下的電流和電壓之間的關系，由于其輸出曲線是非線性的，其中有一個特定的點稱為最大功率點 （MPP），如圖3所示。在該點上，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上我們使用了 MPPT 最大功率點追蹤（ Maximum Power Point Tracking）技術。
圖3 光伏MPPT最大功率點追蹤 MPPT 技術是光伏逆變器中提高發電效率的關鍵技術之一。通過實時調整光伏組件的工作電壓，MPPT 技術可以使光伏發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附近運行，從而有效地提高了發電效率。據統計，采用 MPPT 技術的光伏逆變器相比傳統逆變器，發電效率可提高 10%。 那我們該如何來實現MPPT呢？我們可以通過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 進行比較，取較大的值，如此循環，便可實現 MPPT 控制了，這種控制方法也叫觀察擾動法。 如果光伏電池電壓高于逆變器母線要求的電壓，逆變器將直接工作，MPPT電壓將繼續跟蹤到最大點。但達到最低母線電壓要求后，將不能再繼續降低電壓了，如圖4所示，達不到最大效率點，MPPT的范圍就很窄，大大的降低了發電的效率。
圖4 逆變器工作下的MPPT追蹤 所以我們必須要想辦法來彌補這個缺點來提高MPPT的工作范圍，在光伏電池低于逆變所需求的母線電壓時我們通過升壓電路提高母線輸出電壓，我們增加了Boost電路來解決此問題，將母線電壓固定在逆變所需的電壓，MPPT有無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boost電路的對比 如圖6所示，BOOST電路系統框圖，我們可以通過PWM技術來控制開關管Q實現升壓，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的大小來實現輸出功率控制，輸出穩定的母線電壓也使得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電壓、頻率一致的交流電，為了實現這一轉換我們利用逆變來技術實現。我們常見的單相光伏逆變器電路拓撲由4顆開關管以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說縮小了一半。調制波的正半周期內S3全程關斷，S4全程導通，此時給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全程關斷，S2導通，此時給S3和S4輸入互補的SPWM，電壓輸出-Udc~0。 雙極性SPWM調制開關管S1和S4的驅動信號相同，S2和S3的驅動信號相同，且S1/S4的驅動信號和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控制技術中各有其優缺點。 單極性SPWM的優點包括： 1．單極性SPWM是一種簡單的調制方式，只需要使用一個單極性信號就可以完成調制，因此更容易實現和調節。 2．單極性SPWM可以降低電路中的干擾噪聲，同時安裝成本更低。 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： 1．單極性SPWM中的脈沖源會帶來額外的負載，并且還可能導致線圈震動，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的優點包括： 1．雙極性PWM調制的輸出波形更加復雜，可以通過改變脈沖的寬度和極性來精確控制輸出電壓，因此可以更好地逼近正弦波。 2．雙極性PWM調制可以通過改變極性來減小輸出電壓的波動，提高輸出電壓的質量。 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控制技術中的應用各有優勢和局限，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 可以采用霍爾類型的電流傳感器進行安裝，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、高線性的輸出特性，系列頻率帶寬高達200KHz，額定電流范圍10-300A。產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、變頻器等工業產品應用。
圖10 光伏系統電流拓撲圖 六、總結 光伏逆變器是太陽能光伏發電系統中的核心設備，其主要作用是將太陽能電池板輸出的直流電轉換為交流電，供家庭、商業或工業使用。光伏逆變器通過復雜的構造和獨特的工作原理，將太陽能光伏發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。隨著電力電子技術的發展，光伏逆變器將變得更加高效、智能和可靠，為光伏發電的廣泛應用和可持續發展提供強有力的支持。 |
