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1、张 兴,光伏并网逆变器及其关键技术研究,高等电力电子技术光伏发电及其电力电子技术2,汇报提纲,光伏并网逆变器,1,并网规范,2,局部最大功率点问题,3,展望,4,0,集中型光伏并网逆变器产品现状,微型逆变器,光伏并网逆变器,2,非隔离型光伏并网逆变器,3,大功率光伏并网逆变器,1,1,4,微型逆变器,1.1,微型逆变器,20世纪90年代初，美国和欧洲就有几家公司开始研究此装置。第一台Micro-Inverter是由德国的ZSW公司于1992年研制的，其功率只有50W，采用的是高频开关频率（500kHz）和隔离变压器。1994年，ZSW公司用同样的技术研制出100W的Micro-Inverter
2、。然而，由于这种小功率并网逆变器由于成本过高以及电磁干扰等一系列问题，导致产品无法进入市场。在19941996年期间，欧洲的另外3个公司也开始研制AC module并网逆变器，它们分别是：Mastervolt(荷兰),Alpha Real（瑞士）,OKE-Servics（荷兰）。在1997年，美国的AES公司研制出第一台投放市场的MI产品。如今这些公司研制的MI产品在市场上占了很大份额，产品也较成熟。,国内山忆新能源生产的SolarPond 240HF功率为250W，最大效率可以达到96% 。 国外的Enphase公司生产的S280功率等级为235W-365W，最高效率可以达到96.8%。,1
3、.1,微型逆变器,1.1,Enphase Energy公司一直是这个行业的领先者。Enphase Microinverters系统是第一个商业运行的MI系统,代表了目前最先进的MI系统技术。,微型逆变器,1.1,Enlighten网站,EMU通信网关,Micro-inverter,目前Enphase已经宣称达到96.8%的效率，这样的效率已经基本可以和普通的逆变器相媲美!,微型逆变器,1.1,据可查阅的文献，目前微型逆变器的拓扑已达50多种,微型逆变器,1.1,澳大利亚学者Peter Wolf把微型逆变器的拓扑按照直流母线的类别分为三类：,微型逆变器,直流母线结构,2,伪直流母线结构,3,无直
4、流母线结构,1,1.1,微型逆变器,1.1,直流母线结构,微型逆变器,1.1,伪直流母线结构,微型逆变器,1.1,无直流母线结构,微型逆变器,1.1,三类结构基本特点,以Enphase以及英伟力公司产品为代表的单级式微逆结构如图1所示，系采用反激变换器输出两倍输出电压频率脉动直流电再经晶闸管工频反转桥换向并网。为实现功率解耦，其在输入端采用多颗电解电容并联，存在失效隐患。,单级式准谐振反激变换器,微型逆变器,1.1,Enphase产品电路结构,Enphase公司宣称，其微逆S280转换效率高达96.7%,微型逆变器,1.1,为了消除电解电容，有学者提出在逆变器输入端增加一个功率解耦电路，将功率
5、脉动转移到解耦电路，但效率非常低，只有70%。 美国SolarBridge公司应用Illinois大学香槟分校Krein教授提出的三端口逆变器方案，将脉动功率转移至变压器附加的第三方纹波绕组，100W样机仅需不到10F薄膜电容，但大量开关尤其是双向开关引入，使得电路及其控制过于复杂。,微型逆变器,1.1,推挽式电压型高频链微型逆变器,两级式单相逆变器应对功率平衡问题具有先天优势，其可以实现输入功率与输出功率解耦。图中所示为典型的两级式微型逆变器：推挽式电压型高频链微型逆变器。,微型逆变器,1.1,前级采用推挽升压电路，适用于低压大电流的场合，正好满足微型光伏发电系统的要求； 后级采用单相全桥逆
6、变电路，采用SPWM控制，再通过滤波电感得到220V、50Hz交流输出接电网； 推挽结构比较适合独立光伏组件并网的要求，就目前为止是比较常用也是比较有效的拓扑。 此电路的最大缺点是变压器绕组利用率低，工频桥臂要增加阻断二极管（阻断与直流侧交换无功），另外，功率开关管耐压应力为输入电压的两倍，会出现偏磁现象，且推挽变换器的效率不太高。,微型逆变器,1.1,H5拓扑是由德国SMA有限公司提出且已在中国申请了技术专利。,德国SMA公司专利H5拓扑,SMA公司的 Sunny Mini Central系列并网逆变器采用H5拓扑结构，其最高效率达到98.1%，欧洲效率达到97.7%。,非隔离型光伏并网逆变
7、器,1.2,原理：该拓扑中，S1、S3在电网电流的正负半周各自导通，S4、S5在电网正半周期以开关频率调制，而S2、S5在电网负半周期以开关频率调制。,H6拓扑是由美国弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）未来能源电子中心（the Future Energy Electronics Center FEEC）提出的。,VT FEEC H6拓扑,原理：正半周期，S6一直导通，S1、S4和续流二极管D1交替工作；负半周期，S5一直导通，S2、S3和续流二极管D2交替工作。H6拓扑上下四个管子S1S4工作在高频，中间两个管子S5、S6工作在工频，续流回路简单，共模电流小，效率较高。,最高效率达
8、到98.3% 欧洲效率达到98.1%,非隔离型光伏并网逆变器,1.2,HERIC拓扑是由德国研究机构Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems（Fraunhofer ISE）所开发，并已经由德国Sunways公司申请专利。,Sunways专利HERIC拓扑,原理：正半周期，S5始终关断而S6始终导通，S1和S4以开关频率调制。S1和S4关断时，电流经S6和续流二极管D2续流。负半周期，S6始终关断而S5始终导通，S2和S3以开关频率调制。S2和S3关断时，电流经S5和续流二极管D1续流。 这种拓扑利用独有的续流路径来减小开关和导通损耗，能够更加有
9、效地处理无功功率，使效率提升到98%以上。,非隔离型光伏并网逆变器,1.2,HB-ZVR 拓扑是丹麦奥尔堡大学能源技术研究所T. Kerekes 和 R. Teodorescu提出的。,丹麦奥尔堡大学HB-ZVR拓扑,原理：正半周期，S1、S4和S5交替导通。S1、S4导通时，S5关断；S5导通时，电流经S5和整流桥续流。同样原理，负半周期，S2、S3和S5交替导通。该拓扑在整个工频周期内共模电压保持恒定，因此共模电流可以得到有效抑制。,非隔离型光伏并网逆变器,1.2,南京航空航天大学提出了一种新的H5拓扑。该拓扑在全桥电路的基础上加入两支可控开关管和分压电容构成双向箝位支路，并配合开关时序可
10、以实现续流阶段时续流回路电位处于二分之一的电池电压，从而消除非隔离并网逆变器的漏电流；并保证了功率传输阶段输出电流仅流经3支开关管，有效降低了导通损耗。,南京航天航空大学改进H5拓扑,非隔离型光伏并网逆变器,1.2,混合桥臂拓扑,S5始终导通，当正弦调制波大于三角载波时，S1、S4导通，此时共模电压为0.5VPV。当正弦调制波小于三角载波时，S1、S4关断，电流经D1和S5续流，同理由于开关器件关断阻抗很高,阻断了寄生电容的放电，所以共模电压仍为0.5VPV。 在正半周期，若稳态时VPV不变，则共模电压恒定。,S6始终导通，S2、S3由正弦调制波和三角载波的比较来控制其导通和关断，共模电压分析
11、与正半周期类似。,非隔离型光伏并网逆变器,1.2,在电网电流正半周期,在电网电流负半周期,合肥工业大学提出了一种混合桥臂拓扑,非隔离型光伏并网逆变器,1.2,NPC1-I 型三电平中功率并网逆变器,非隔离型光伏并网逆变器,1.2,NPC2-T 型三电平中功率并网逆变器,非隔离型光伏并网逆变器,1.2,两种三电平拓扑的比较,非隔离型光伏并网逆变器,1.2,NPC-I型逆变器由于单个器件无法承受母线电压，因此如果在开启或关断时管子动作时间控制不精细，可能会造出器件过压损毁的情形；因此在控制策略上存在难度。 NPC-T型结构由于采用上下单管的结构，因此在控制复杂度上小于NPC-I型，也导致同样器件条
12、件下功率等级缩小一倍的情况。 一般来说，小于16kHz的频率时，NPC-I型的效率要小于NPC-T型。,两种三电平拓扑的比较,总 结,大功率光伏并网逆变器,基于开关管直接并联的大功率逆变器拓扑,开关管的开关特性差异带来开关管的均流问题！,1.3,基于均流电抗器开关管并联的大功率逆变器拓扑,均流电抗器带来体积增大和损耗问题！,大功率光伏并网逆变器,1.3,基于逆变桥并联的大功率逆变器拓扑,利用滤波电感均流，结构紧凑！,大功率光伏并网逆变器,1.3,基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑,大功率光伏并网逆变器,1.3,基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑直流母线的切换控制,大功率光伏并网逆变器,1.
13、3,基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑集中式并联控制,大功率光伏并网逆变器,1.3,基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑分布式并联控制,大功率光伏并网逆变器,1.3,基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑低功率时的优化运行,大功率光伏并网逆变器,1.3,基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑并联运行的零序环流,大功率光伏并网逆变器,1.3,基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑零序环流的控制,大功率光伏并网逆变器,1.3,2017年大功率逆变器出货量将达到23.7GW （全球总计约58GW） 大部分市场500kW逆变器仍然为主流产品； 在大型地面电站中，大于1MW的系统会预计以27%的速度快速增长
14、。,数据来源：IHS 2013年7月,集中式大功率光伏逆变器的市场前景,1.4 集中式光伏逆变器产品现状,采用大功率逆变器,极端化,组串式,集中式,微逆组件级产品,集散式（优化器）组件级产品,集散式（DMPP）类集中式,DMPPT,1.4,1.4 集中式光伏逆变器产品现状,集中式逆变器产品现状,产品形式上有：单机型、模组并联单MPPT型、模组并联多MPPT型、集散式光伏发电系统。 主电路拓扑结构上有：两电平型、T型三电平型、I型三电平型等； 直流开路电压等级上有：1000V型和1500V型； 功率越来越大，最大已达4.5MW； 冷却方式：风冷、液冷、热管等； 效率上最大已经达到99.1%（最大
15、效率）。,1.4 集中式光伏逆变器产品现状,1、单机型两电平拓扑,可靠性高； 开关管用量少。,滤波器相对较大； 损耗较大。,单台机器仅有一个功率单元，主电路拓扑为两电平逆变桥,1.4 集中式光伏逆变器产品现状,1、单机型两电平拓扑,阳光电源：SG500MX/SG1000MX；,SMA：SC500CP XT/SC630CP XT系列；,ABB：PVS800系列；,KACO：Powador系列；,这类产品单机功率最大已超过1MW，在效率方面可以达到98.7%、98.8%（最大效率）左右。,阳光电源：SG1000MX,1.4 集中式光伏逆变器产品现状,1、单机型三电平拓扑,滤波器相对较小； 损耗相对
16、较小；,可靠性较两电平低； 开关管用量多； 控制上较两电平复杂。,单台机器仅有一个功率单元，主电路拓扑为三电平逆变桥。,1.4 集中式光伏逆变器产品现状,1、单机型三电平拓扑,阳光电源：SG500MX/SG630MX-睿版（T型三电平，最大效率可达99% ）,TMEIC：SOLAR WARE系列,阳光电源：SG500MX-睿版,1.4 集中式光伏逆变器产品现状,2、模组化并联单MPPT型,根据输入动态投切功率单元，轻载效率高； 冗余性好。,MPPT路数少； 需处理环流问题； 多台子单元使得整机成本高。,单台机器由多个子单元并联组成，交、直流侧均直接并联在一起。,1.4 集中式光伏逆变器产品现状,2、模组化并联单MPPT型,Ingeteam：SUN PowerMax X 系列， 功率等级：3001164kVA， 产品最大效率可达99.1%；,Ingeteam： PowerMax X Series 805TL U X420 Outdoor,1.4 集中式光伏逆变器产品现状,正泰：CP
