光伏分布式发电中的逆变系统设计

　　摘要：随着人们逐渐发现化石能源的不可再生性和随着使用化石能源带来的温室效应，人们越来越注重新能源的开发和利用，其中比较有实用性、代表性的就是光伏发电--更具体的称之为太阳能光伏发电。随着太阳能光伏发电产业的推广和普及，对于并网逆变器的需求也越来越大。本文主要通过介绍光伏发电的现状和前景、原理，介绍小型、家用的光伏发电逆变系统的设计过程。

　　1 光伏发电的现状和发展

　　2013 年的国内外市场显示，中国光伏产业目前正遭受欧美“双反”与国内产能严重过剩的双重考验。人们不禁担心，中国的光伏产业的春天是否已经一去不复返了。实际上，这仅仅是光伏产业的产能过剩，并不能因此看衰整个光伏产业。

　　2013 年光伏需求将会同比增长7%,达31GW.中国将首次超过德国变成光伏市场。而亚洲也将变成需求旺盛的大陆。中日印三国需求将占到需求的36%.2013 年又将成为另外一个转型之年，光伏业将适应后欧洲市场的疲软。目前，光伏产业的总体趋势在走下坡路，而其中电站开发环节的趋势是上升的，2013 年必将迎来光伏发电电站建设的一个春天。

　　当前我国政策鼓励方向是分布式光伏发电。分布式光伏发电是指区别于集中式光伏发电的建设方法，一般建在用户侧，所生产电力主要自用。具有容量小、电压等级低、接近负荷、对电网影响小等特点，可以应用在工业厂房、公共建筑以及居民屋顶上。分布式光伏发电充分利用了太阳能广泛存在的特点，并且避免了集中建设的场地限制因素，具有建设灵活的特点。

　　2 光伏发电的基本原理

　　2.1 光伏发电的类别

　　光伏发电一般按照与电力系统的关系分类，可以分为独立光伏发电和并网光伏发电。独立光伏发电不与电力系统连接在一起，独立于整个系统，发出的直流、交流电直接供给负载。而并网光伏发电则像发电站一样，可以向电网输送有功、无功的电能。

　　2.2 独立光伏发电的基本原理

　　独立光伏发电系统由太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器组件、控制器和负载（直流负载和交流负载）组成。因为太阳能电池产生的电能为直流，但是由于光照强度实时变化，太阳能电池输出的电压也不稳定，这时也需要蓄电池来起到一个滤波的作用，将太阳能电池产生的电压稳定在蓄电池的电压值上，在另外一种意义上，用蓄电池也有储能的作用，可以将过剩的电能储存起来供在光照强度较低的时候使用。如果是直流负载就可以直接接在蓄电池上工作，如果是交流负载，那么需要经过逆变器的DC-AC 变换，将直流电变成交流电，供给交流负载。

　　2.3 并网光伏发电的基本原理

　　独立光伏发电系统由太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器组件、控制器和负载组成。因为需要将光伏发出来的电回馈给电网，这就需要将直流电转换为电网要求的220V、50HZ 的交流电，并且在相同相位的情况下并网，像电网供电。

　　

　　无论是独立光伏发电系统还是并网光伏发电系统，逆变系统对于交流负载和并网发电都是必不可少的，接下来我们主要就光伏分布发电中的逆变系统的相关设计进行研究。

　　3 光伏发电逆变系统设计

　　3.1 光伏发电逆变系统的组成

　　光伏发电系统主要由太阳能电池、主回路、控制电路和负载组成。主回路主要包括DC/DC 电路、DC/AC 电路、滤波器组件。下面主要对于主回路部分的设计做介绍，其中包括主回路的拓扑结构进行分析，介绍一下全桥逆变电路的工作原理以及逆变器模块的选型，以及相关保护的设计。

　　3.2 光伏发电逆变系统的拓扑结构

　　通常单相电压型逆变器主要分为推挽式、半桥和全桥逆变电路三种。这三种方式根据其不同的特点应用于不同的场合。

　　推挽式逆变电路的电路结构比较简单，如图3-1 所示。其上电路只需要两个晶闸管，基极驱动电路不需要隔离，驱动电路比较简单，但是晶闸管需要承受2 倍的线路峰值电压，所以适合于低输入电压的场合应用。

　　

　　同时变压器存在偏磁现象，初级绕组有中心抽头，流过的电流有效值和铜耗较大，初级绕阻两部分应紧密藕合，绕制工艺复杂。因为推挽式逆变电路对于晶闸管的耐压要求比较高，不适合作为光伏发电的逆变系统主回路。

　　相比于推挽式逆变电路，单相半桥式逆变电路中所使用的晶闸管的耐压要求就相对较低，不会有线电压峰值2 倍这么多，不会超过线电压峰值。其逆变出来的波形也相对推挽式比较接近于正弦波，所以滤波的要求也相对较低。由于晶闸管的饱和压降减小到了，所以不是重要的影响因素之一。但是由于半桥式逆变电路的结构决定其集电极电流在晶闸管导通时会增加一倍，使得在晶闸管选型的过程中，要考虑大电流、承受高压的情况，就难免会因为其价格昂贵，所以不适合作为光伏发电的逆变系统主回路。

　　全桥式逆变电路就是介于推挽式和半桥式之间，兼顾其各自优点的一种逆变电路。其既有推挽式电路的电流性质，也有半桥式电路的电压性质，其结构详见图3-3 所示。全桥式电路可以使得晶闸管期间达到输出功率，而且其逆变出来的波形更加接近于正弦波。所以，这次这次光伏发电的逆变系统主回路选用了全桥式逆变电路。

　　其中VT1-VT4 为晶闸管，VD1-VD4 为四个反向并联的二极管。下面详细介绍一下全桥逆变电路的工作原理。

　　

　　3.3 全桥逆变电路的工作原理

　　首先，VT1 和VT4 是一对同时开关的晶闸管，VT2 和VT3 是另外一对同时开关的晶闸管，VT1、VT4,VT2、VT3各受两路控制电压的控制。首先，VT2、VT3 的控制电压为负值，那么VT2、VT3 关断，处于截止状态。VT1、VT4 的的控制电压为正值，那么VT1、VT4 导通，电流流通路径如图3-4 所示。如果忽略晶闸管自身的压降，那么输出电压就等于Uout=EN2/N1.

　　然后，VT1、VT4 关断，四个功率开关都处于截止状态。

　　

　　第三个时刻，VT1、VT4 的控制电压为负值，那么VT1、VT4 关断，处于截止状态。VT2、VT3 的的控制电压为正值，那么VT2、VT3 导通，电流流通路径如图3-5 所示。如果忽略晶闸管自身的压降，那么输出电压就等于Uout=-EN2/N1.

　　，VT2、VT3 关断，四个功率开关都处于截止状态。

　　这就是一个周期内，晶闸管的开关变化情况。按照这种工作方式，则可以获得交变的电压。

　　

　　3.4 逆变器的设计

　　逆变器组件的设计根据某地的用户载荷分析，用户的用电载荷平均大概为3.2kW.根据某地全年品均月辐照强度5.4KWh/m?/ 天。总共需要的电池板方阵功率计算公式为：

　　Wl :负载的消耗功率F :蓄电池放电效率的修正系数（通常取1.05）Tm :峰值日照时数，其值与辐照强度的值基本相同，这里取3.6h:方阵表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，通常可取0.9~0.95:方阵组合损失和对功率点偏离以及控制器效率的修正系数，通常可取0.9~0.95L :蓄电池的维修保养率（通常取0.8）Ka :包括逆变器等交流回路的损失率（通常取0.7,如逆变器效率高可取0.8）本方案选用230W 的单晶硅电池板，则总共需要8 块，总功率为1.84Kw .

　　由于当地的用电电压为22OV,所以选择输出电压为22OV的离网逆变器，经过用户用电器统计可知，用户的功率约为716W, 考虑到用户负载中有感性负载，在启动过程时有较大的冲击电流，同时考虑系统的临时增加负载的情况，所以逆变器功率应相对选择较大的。在逆变系统中要求系统响应快，可靠性高，保护功能强等。本次设计的逆变电路中蓄电池通过DC/DC 变换提供给逆变器400V 的直流电压，所以单个晶闸管所承受的耐压也为400V,考虑到电压波动和留一定的余量的关系，终将晶闸管的耐压设定在150% 的输入输入电压，那就是600V.

　　逆变器的额定输出功率为3kW,输出电流的峰值为18A,隔离变压器的变压比为1 :1.考虑到留有一定的余量，每个晶闸管的耐流值设定在30A.然后我们就可以进行选型了。

　　，选择了PM200CLA060 型号的三菱公司出品的IPM模块，其耐压600V,耐流200A,符合我这次设计的光伏发电逆变系统对于模块的要求。

　　3.5 逆变器支流侧电容的设计

　　对于分布式光伏发电系统，其直流侧需要增加电容保证直流侧电压稳定，不出现电压突变。那么需要设计出符合以下公式要求的电容。

　　其中P 为太阳能电池的输出功率，按照此项目每块太阳能电池的输出功率80W±3% 计算，那么40 块太阳能电池组成的阵列，其输出功率可达3.2KW.

　　f 为电网的频率，取50Hz.

　　K 为波纹系数，取0.1.

　　U 为直流母线电压，取400V.

　　所以，我们只要选用大于1273.89 的电容即可，我选用2200.由于考虑到直流侧电压为400V,那么选择500V/2200的电解电容。

　　3.6 交流输出滤波电路设计

　　由单相全桥逆变电路逆变出来的电压不是标准的正弦波，而是直流斩波电压。如下图所示。

　　为了使得输出的波形更加接近正弦波，以保证负载和电网获得高质量的电能，滤波电路是影响波形输出的一个重要环节。在滤波电路的设计中重要的就是电感和电容的设计。

　　其中，由于逆变器的输出为220V/3kVA,那么所以Poutmax=3kVA.Uout=220V.

　　设定逆变器效率为96%.波纹电流系数为17%.

　　那么而电容的设计如下：

　　其中K 为谐振频率/ 基波频率，设定为12.

　　f 为基波频率，就是50Hz.那么所以根据设计数据，滤波电容选择40,滤波电感选择2mH.

　　4 总结

　　光伏分布式发电在日常生活中越来越常见，其中在并网和交流负载的使用过程中，逆变器的设计至关重要，本文通过对于逆变器部分的结构和原理的分析，简述了光伏发电中逆变器设计的总体思路。整个光伏发电系统的正常运行还依靠于各个部分，包括太阳能电池、蓄电池、滤波部分、控制部分、并网控制部分的配合。所以在实际的逆变器设计过程中，要充分考虑到其他部分的配合和影响。（作者：孔德政）