浅谈光伏逆变器的构造原理

Talk about the construction principle of photovoltaic inverter

单位：浙江巨磁智能技术有限公司  作者：吴磊

摘要：国内光伏产业经过多年发展，产业链完整，相关公司的数量也非常之多，产品的同质化非常严重，想要在光伏这片红海中取胜，除了价格战之外各大厂家也需要提高自家产品的性能和产品稳定性来面对日益激烈的市场。

一、背景

当前，碳中和已成为全球可持续发展的理念共识。我国在“双碳”战略的指引下，近年来可再生能源实现突破式发展，步入高质量发展新阶段，其中尤其以光伏发电增长势头迅猛。2023年光伏新增装机创下新高，根据国家能源局数据，截至2023年12月底，全国太阳能发电累计装机容量达6.1亿千瓦。正式超越水电，成为全国第二大能源。同时，光伏新增装机容量达到216.88GW，同比增长148%，也创下历史新高，如图1所示。


图1 2023年光伏累计装机

二、光伏发电系统的组成

光伏发电系统 （photovoltaic generation system），简称光伏（PV），是指利用光伏电池的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统，如图2所示。光伏发电系统的能量来源于取之不尽、用之不竭的太阳能，是一种清洁、安全和可再生的能源。光伏发电过程不污染环境，不破坏生态。一般光伏发电系统是由光伏电池、逆变器、并网箱、支架、交直流线缆等组成。


图2 光伏发电系统

而逆变器（ inverter）作为光伏发电系统中核心的电力转换功能模块，它可以将光伏电池产生的直流电转换为市电频率一致的交流电反馈回市电系统或供交流设备使用。   光伏逆变器的种类有并/离网型;单相和三相，根据隔离的要求分为工频隔离/高频隔离/非隔离，根据功率大小又分微型逆变器；组串式逆变器；集中式逆变器等，不同类型的逆变器电路架构也不一样，接下来我们以组串式单相并网逆变器来介绍。

三、光伏逆变器MPPT原理解析

太阳能光伏电池组的输出功率受到多种因素的影响，包括光照强度、温度和阴影等，光伏电池组的 IV 特性曲线显示了在不同条件下的电流和电压之间的关系，由于其输出曲线是非线性的，其中有一个特定的点称为最大功率点 （MPP），如图3所示。在该点上，电池组将输出最大的功率,为了使光伏电池一直工作在最大功率点上我们使用了 MPPT 最大功率点追踪（ Maximum Power Point Tracking）技术。


图3 光伏MPPT最大功率点追踪

MPPT 技术是光伏逆变器中提高发电效率的关键技术之一。通过实时调整光伏组件的工作电压，MPPT 技术可以使光伏发电系统在不同的光照强度和温度条件下始终保持在最大功率点附近运行，从而有效地提高了发电效率。据统计，采用 MPPT 技术的光伏逆变器相比传统逆变器，发电效率可提高 10%。

那我们该如何来实现MPPT呢？我们可以通过对当前光伏电池输出电压U与电流I 的检测，得到当前光伏电池的输出功率，然后与前一时刻光伏电池的输出功率相比，取两者中较大的值；在下一周期，再检测U 、I 进行比较，取较大的值，如此循环，便可实现 MPPT 控制了，这种控制方法也叫观察扰动法。

如果光伏电池电压高于逆变器母线要求的电压，逆变器将直接工作，MPPT电压将继续跟踪到最大点。但达到最低母线电压要求后，将不能再继续降低电压了，如图4所示，达不到最大效率点，MPPT的范围就很窄，大大的降低了发电的效率。


图4 逆变器工作下的MPPT追踪

所以我们必须要想办法来弥补这个缺点来提高MPPT的工作范围，在光伏电池低于逆变所需求的母线电压时我们通过升压电路提高母线输出电压，我们增加了Boost电路来解决此问题，将母线电压固定在逆变所需的电压，MPPT有无Boost电路的对比，如图5所示，可以看到加入了Boost电路大大的增加了MPPT的范围。


图5 MPPT有无boost电路的对比

如图6所示，BOOST电路系统框图，我们可以通过PWM技术来控制开关管Q实现升压，工程师朋友们知道BOOST电路占空比D=（Vo-Vi）/Vo，其中Vo为输出电压，Vi为输入电压，可以控制其占空比D的大小来实现输出功率控制，输出稳定的母线电压也使得DC/AC逆变输出的电压电流波形更加的稳定。


图6 BOOST电路系统框图

四、光伏逆变器DC/AC原理解析

光伏逆变器中需要将光伏电池得到的直流电装转换为和电网电压、频率一致的交流电，为了实现这一转换我们利用逆变来技术实现。我们常见的单相光伏逆变器电路拓扑由4颗开关管以H的方式连接，这种连接方式也叫H桥，如图7所示，通过SPWM（正弦脉宽调制）控制得到正弦波输出。


图7单相光伏逆变器电路拓扑      

正弦脉宽调制法（SPWM）是将每一正弦周期内的多个脉冲作自然或规则的宽度调制，使其依次调制出相当于正弦函数值的相位角和面积等效于正弦波的脉冲序列，形成等幅不等宽的正弦化电流输出。

SPWM又分单极性SPWM和双极性SPWM，如图8和图9所示。


图8 单极性SPWM


图9 双极性SPWM

单极性SPWM调制波的正半周期输出是+Udc，在调制波的负半周期输出的是-Udc，H桥输出端的电压变化是从+Udc到0，再从0到-Udc，变化幅度相对于双极性来说缩小了一半。调制波的正半周期内S3全程关断，S4全程导通，此时给S1和S2输入互补的PWM，电压输出0~+Udc  。 调制波的负半周期内 S1全程关断，S2导通，此时给S3和S4输入互补的SPWM，电压输出-Udc~0。

双极性SPWM调制开关管S1和S4的驱动信号相同，S2和S3的驱动信号相同，且S1/S4的驱动信号和S2/S3的互补，电压变化是直接从+Udc变换到-Udc。

单极性SPWM和双极性SPWM在光伏逆变器SPWM控制技术中各有其优缺点。

单极性SPWM的优点包括：
1．单极性SPWM是一种简单的调制方式，只需要使用一个单极性信号就可以完成调制，因此更容易实现和调节。
2．单极性SPWM可以降低电路中的干扰噪声，同时安装成本更低。
3．单极性SPWM下功率器件的功率损失更小，效率更高。

单极性SPWM存在的缺点：
1．单极性SPWM中的脉冲源会带来额外的负载，并且还可能导致线圈震动，降低系统稳定性。
2．单极性SPWM中输出电压的纹波比较大，影响电路的稳定性。
3．单极性SPWM只能实现单项变流，输出电压的平均值大于0，而双极性SPWM可以控制电压的正负，可以实现双向变流，输出电压的平均值为0，更适用于大部分变流应用。

双极性SPWM的优点包括：
1．双极性PWM调制的输出波形更加复杂，可以通过改变脉冲的宽度和极性来精确控制输出电压，因此可以更好地逼近正弦波。
2．双极性PWM调制可以通过改变极性来减小输出电压的波动，提高输出电压的质量。
3．双极性PWM调制可以在一定程度上提高系统的利用率，使得输出电压能够更接近于电源电压。

双极性SPWM的缺点包括：
1．与单极性SPWM相比，双极性PWM调制的控制电路相对复杂，成本较高。
2．双极性SPWM下功率器件的功率损失更大，效率较低。
3．综上所述，单极性SPWM和双极性SPWM在光伏逆变器SPWM控制技术中的应用各有优势和局限，选择哪种方式取决于具体的应用需求和系统设计考虑。

五、光伏逆变器中的解决方案

可以采用霍尔类型的电流传感器进行安装，其适用于隔离条件下的交直流、脉冲电流和任何其他波形电流的测量，测量时一次侧与二次侧完全绝缘。在-40~+105℃全温区下具有高精度、高线性的输出特性，系列频率带宽高达200KHz，额定电流范围10-300A。产品设计安装方式采用PCB插件，具有可靠的固定引脚，安装便捷且具有良好的散热效果。适用于光伏汇流箱、光伏逆变器组串、光伏逆变器逆变电路、变频器等工业产品应用。


图10 光伏系统电流拓扑图

六、总结

光伏逆变器是太阳能光伏发电系统中的核心设备，其主要作用是将太阳能电池板输出的直流电转换为交流电，供家庭、商业或工业使用。光伏逆变器通过复杂的构造和独特的工作原理，将太阳能光伏发电系统中的直流电高效地转换为交流电，为各种用电设备提供稳定的电力供应。随着电力电子技术的发展，光伏逆变器将变得更加高效、智能和可靠，为光伏发电的广泛应用和可持续发展提供强有力的支持。