光伏并网系统逆变器拓扑结构的研究综述

李耀曦

摘 要：针对逆变器在光伏并网系统存在需提高效率和降低成本的问题，本文对光伏逆变器拓扑结构进行了介绍。分析了两种换向逆变器的结构特征，归纳了不同光伏逆变器的优缺点。同时展望了光伏逆变器的未来，为未来光伏逆变器的发展提供帮助。

關键词：光伏系统；光伏逆变器；拓扑结构；无变压器逆变器

可再生能源越来越被认为是满足当前和未来能源需求的必要条件。太阳能由于其清洁和无限的特点，被作为可再生能源中最好的选择。为了更好地利用太阳能，学者们将太阳能通过光伏电池模块转换为电能，并对电网和直流负载进行供电。但是光伏发电系统中光伏组件的成本制约了光伏发电的发展，通常组件成本占系统总成本的30%到50%之间，因此研究低成本的组件成为了关注的问题。

在光伏并网系统中，光伏模块的直流电源需要转换为具有合适电压幅度，频率和相位的交流电源，以连接到公用电网。在这种情况下，需要一种称为逆变器的DC-AC转换器。因此，逆变器是光伏组件中最重要的组件，其成本的变化在计算光伏并网系统的总成本时，显得越来越突出。

本文介绍了线路换向逆变器和自动换向逆变器，如图2和图3所示。线路换向逆变器，原理是电流的换向（从直流到交流的转换）由电力线控制，当电网出现故障，光伏并网系统就不能向电力线供电。在换向的过程中，需要使用功率开关设备，如换向晶闸管。器件的导通的是由器件的栅极端子控制的，而关断是由设备的附加电路来控制执行的。自换向逆变器，原理是电流的换向是从一个开关装置转换到另一个开关装置。在换向过程中，同样需要用到功率开关设备，如绝缘栅双极晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。MOSFET通常用于功率低于10 kW和频率在20～800kHz的转换操作中，IGBT通常用于功率超过100 kW，但是频率限制在20 kHz以内，不能作为高频开关使用。其器件的导通与关断都是有栅极端子处的点位进行控制。

自换相逆变器在输出端使用脉冲宽度调制（PWM）开关技术产生AC波形。主要优势在于其既可以控制逆变器的电压输出波形和电流输出波形，也可以调节或校正功率因数并抑制输出电流波形中的谐波，对电网具有很高的抗扰动的能力。

根据自换向逆变器直流输入侧是电压源还是电流源，其可分电压型逆变器（Voltage Source Inverter，VSI）或电流型逆变器（Current Source Inverter，CSI）。

在电压型逆变器中，输入侧是直流电压源，输入电压保持同极性，通过逆变器的潮流方向由输入端直流的直流电压源的极性决定，在输出侧，可以获得恒定幅度和可变宽度的交流电压波形。为了限制从逆变器到电网的电流产生的谐波，在电压型逆变器中会串联电感，而在输入直流端并联大电容。VSI的特点是：1）输入时阻抗很小的直流电压源2）输入电压保持恒定，在其直流输入侧端子盒电容器并联连接，且电容是小型、廉价，高效的能量存储器3）输出电压的幅值不依赖负载，而输出电流的波形和幅度受负载阻抗的影响。

在电流型逆变器中，输入侧是直流电流源，输入电流保持同极性，因此通过逆变器的潮流方向由输入电压的极性决定，在输出侧，可以获得恒定幅度和可变宽度的交流电流波形。电流型逆变器的输入直流侧通常与相对大的电感串联连接，用于保持电流连续性。电压型逆变器可以在电压控制模式和电流控制模式下运行，而具有电流控制模式的电压型逆变器更适用于光伏并网系统。CSI的特点1）输入是具有高阻抗的直流电压源产生的可变电流2）输入电流恒定但可调节。CSI的输入直流侧与电感器串联连接，但是电感器体积大，价格昂贵且损耗大3）输出电流的幅度不依赖于负载。而输出电压的波形和幅度受负载阻抗的影响。

对于电压型逆变器，根据控制方式的不同，可分为电压控制模式和电流控制模式。两种模式都是自整流电压源逆变器，但是前者是交流电压控制，并且短路故障电流很高，而后者是交流电流控制，短路故障电流很低，小于额定电流。当光伏并网系统没有连接到电网时，需采用电压控制模式，当连接到电网时，两种模式都能用应用。在光伏并网系统中，使用较为广泛的模式是电流控制模式，因为这种模式下，不仅可以通过其简单的电路获得高功率因数，而且还能再电网发生扰动是抑制瞬态电流。

成本和效率是光伏并网逆变器技术在公用事业中能够广泛应用的需要考虑重要问题。因此通过对逆变器的结构研究来降低成本，提高效率是目前的主要研究方向。

参考文献：

[1]张佳祺，秦岭，王亚芳，等.独立光伏逆变器研究进展[J].电源技术，2016（7）：1532-1535.

[2]林志鸿，李少纲.光伏逆变器的研究现状综述[J].电气开关， 2017，55（5）：10-13.