大功率集中式光伏并网逆变器设计要点与难点分析

UL0为正常运行的最低电压限值，一般取0.9倍额定电压。UL1为需要耐受的 电压下限，T1为电压跌落到UL1时需要保持并网的时间，T2为电压跌落到 UL0时需要保持并网的时间。推荐UL1设定为0.2倍额定电压，T1设定为1秒、 T2设定为3秒。
2、光伏并网逆变器的低电压穿越技术研究
---控制器设计
3 弱光情况下的光伏并网问题分析与研究
大功率并网逆变器电路结构
EMC filter
SIN Filter
IGBT Bridge LCL
EMC filter
PV Switch
GRID Switch
逆变器损耗主要包括：
IGBT损耗 + 滤波电抗器损耗 + 散热系统损耗
3 弱光情况下的光伏并网问题分析与研究
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
1.3输出sine滤波设计
输出sine滤波器中电感L的设计优化： a.通过软件仿真设计确定电感最优结构；
a c
H 2a
W
b
b.通过Ansoft 仿真设计，优化电感损耗（多段气隙等方案）； c.实验测试验证并优化设计；
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
---测试结果
实验室MPPT模式测试
CH1:Upv CH:Ia/2
CH1:Uab CH:Ia/2
3 弱光情况下的光伏并网问题分 析与研究
• 弱光情况下的光伏并网问题分析 • 目前解决方案对比 • 一种双滤波器（DF）的滤波技术 • 实验结果
3 弱光情况下的光伏并网问题分析与研究
大功率逆变器低负载率情况下的谐波抑制和效率提升技术
通过热仿真软件优化散热器设计
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
IGBT并联技术
IGBT直接并联：驱动电路为统一芯片，主要关注主电路、驱动电路对称性设计。
driver
Ic
driver
bad
Ic
good
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
IGBT并联技术
IGBT模块及并联：每个模块驱动电路各自独立，各驱动电路延迟较大，直接并联 很难均流，需要通过均流电感实现均流
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
驱动电路设计 a.驱动电阻优化及RBSOA测试 方法：双脉冲测试 用高压探头测试IGBT Vce电压 用罗氏探头测试Ic 用普通探头测试驱动
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
DC-link设计 设计要点：使IGBT与DC CAP之间回路 面积最小，减小主电路分布电感！！
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
1.3输出sine滤波设计
输出sine滤波器设计过程 以LC滤波器为例，主要通过仿真计算，在THDi、滤波电感、滤波电 容之间权衡，取优化值。
大LC=THD小（滤波器体积大）
小LC=THD大（滤波器体积小） 大L小C，电感成本大，系统空载损耗小
小L大C，电感成本小，系统空载损耗大
动态损耗 84 86 88 90 94 96 100 102 106 110 112 116
1
3090
3 弱光情况下的光伏并网问题分析与研究
3.2 基于Double Filter（ＤＦ）的大功率光伏并网逆变技术
--效率对比。
100.00% 99.00% 98.00% 97.00% 96.00% 95.00% 94.00% 93.00% 92.00% 91.00% 90.00% 5%
driver Ic
bad
+
driver
Ic
good
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
1.2BUS电容寿命设计
BUS电容主要为IGBT逆变单元提供能量支撑，常用的有铝电解电容 及薄膜电容两种。 铝电解电容特点：容量大、成本低，寿命短； 薄膜电容特点：容量小、成本高，寿命长； BUS电容的寿命直接影响到逆变器的寿命，非常重要！寿命设计时 主要关注的几点为： 工作电压（正常工作和极限情况下电容电压） 工作电流（流过电容的纹波电流） 工作温度（电容芯温、可通过壳温等换算）
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
1.5系统自检设计
系统自检常常被忽视，完善的自检系统是逆变器可靠运行的前提！ 系统自检包括： IGBT自检 电流、电压传感器自检
Baidu Nhomakorabea
接触器等关键电气件自检
控制系统自检 其它自检等
2 光伏并网逆变器的低电压穿越 （LVRT）技术研究
• 低电压穿越测试标准 • 控制器的设计 • 测试结果
2、光伏并网逆变器的低电压穿越技术研究
---测试标准
中国： 《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》
德国： Medium Voltage Guideline/德国中压设备接 入导则（中高压系统）
2、光伏并网逆变器的低电压穿越技术研究
---国家电网测试标准
1.1U 1.0 UL0 电网故障引起的电压跌落 0.9
0.8 光伏电站必须保持并网运行 0.6
保持并网
0.4
允许脱网
UL1 光伏电站可以从电网切除
0.2
1s
0 -1 0 T1 T2 T
光伏阵列并网点电 压跌落的时候，光 伏逆变器保持并网， 甚至向电网提供一 定的无功功率，支 持电网恢复, 直到 电网恢复正常（标 准规定时间内）， 从而“穿越”这个 低电压时间(区域)
电网故障状态（三相短路、单相对地、两相短路）对逆变器控制器 主要影响分析：
① 锁相环分析
电网故障即使同时存在两相为0时，变压器低压侧也还有电压存在，但幅值不 平衡，相位也不平衡，所以锁相环主要作用是锁住电网电压正序分量矢量；控制器 设计目的也是基于锁住电压正序分量矢量。 a. 电网对称跌落下，锁相环锁相角度不受影响； b. 电网非对称故障（单相对地短路、两相间短路），锁相环需要锁住电压正序分 量矢量。 c. 采用双电流坐标系控制的情况下，正序坐标系使用正序的锁相角度θ+，负序坐 标系使用负序的锁相角度θ-。
IGBT并联技术
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
驱动电路设计 驱动电路设计好坏直接关系到IGBT的可靠工作。驱动电路的设计主要 依据IGBT特性决定。 考虑开关特性的驱动
考虑米勒特性的驱动
有源钳位驱动 驱动电阻选择要点
损耗 ：Eon 、 Eoff ！ 安全 ：RBSOA（安全工作区）！

负载率 5% 10% 15% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
采用DF技术的大功率逆变器效率仿真分析
基于DF技术的500kW逆变器在不同负载率情况下损耗分析 IGBT损耗 工作电流 静态损耗 48 96 144 192 289 385 481 577 674 770 866 962 16 34 54 72 116 162 210 264 322 382 446 516 动态损耗 12 24 36 48 72 96 120 144 168 190 214 338 2 6 8 10 16 22 28 34 40 46 52 60 二极管损耗 静态损耗

电抗器损耗 IGBT总损耗 效率 铁损耗 342 450 558 660 894 1128 1374 1632 1908 2184 2472 220 220 220 220 700 700 700 700 700 700 700 700 铜损耗 31 61 138 244 175 311 486 700 953 1245 1575 1945 97.63% 98.54% 98.78% 98.88% 98.82% 98.93% 98.98% 98.99% 98.98% 98.97% 98.95% 98.85%
1.4控制系统可靠性设计
控制系统设计的可靠性直接关系到整机的可靠性！！ 传统的逆变器控制系统：
一个CPU控制，一旦CPU出现故障系统将出现严重故障无法正常保护；
改良的逆变器控制系统：
两个CPU控制，即正常情况下由主CPU完成整机控制功能，从CPU监视主CPU是否正常，一
旦发生异常情况将由从CPU接管系统，然后按顺序可靠关闭系统，保证系统正常关机。
2、光伏并网逆变器的低电压穿越技术研究
---控制器设计
电网对称故障与非对称故障下逆变器低电压穿越控制方案
2、光伏并网逆变器的低电压穿越技术研究
---测试结果
LVRT国网现场测试
电网跌落
电网恢复
2、光伏并网逆变器的低电压穿越技术研究
---测试结果
LVRT国网现场测试
电网跌落
电网恢复
2、光伏并网逆变器的低电压穿越技术研究
1 集中式大功率光伏并网逆变器 的设计要点
• 大功率IGBT应用技术 • 母线电容寿命设计 • 输出sine滤波器设计 • 控制系统可靠性设计 • 系统自检设计
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
1.1大功率IGBT应用技术
集中式大功率光伏并网逆变器 主要用到的开关器件为大功率IGBT 模块，IGBT模块的可靠应用直接关 系到整个系统的稳定运行。 大功率IGBT应用的几个要点： 驱动电路设计 DC-link电路设计 吸收电路设计 损耗计算及热设计
Bad! !
Good!!
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
DC-link设计
Bad! !
Good!!
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
吸收电路设计
作用：吸收DC-link杂散电感能量，降低IGBT关断 Vce 电压尖峰
1 集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点
损耗计算及热设计
通过计算及仿真确定IGBT损耗
Slave Filter Region
Main Filter Region
TBEA(NO DF) TBEA(DF)
10% 15% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
3 弱光情况下的光伏并网问题分析与研究
3.2 基于Double Filter（ＤＦ）的大功率光伏并网逆变技术
2、光伏并网逆变器的低电压穿越技术研究
---控制器设计
锁相环控制框图
2、光伏并网逆变器的低电压穿越技术研究
---控制器设计
② 电流环控制器 电网暂态故障下，保证电压环、电流环控制器响应及时，通过引入额定的电网电压前馈控 制来增加系统的响应速度，同时减少反馈的负担。系统控制量能够在电网故障的暂态过程中快 速给出，原因是PI控制器只调节电抗器上的压降，在总控制量中所占比例较低。
基于Double Filter（ＤＦ）的大功率光伏并网逆变技术
-- 解决弱光情况下并网逆变器的谐波超标、效率较低问题。

SIN Filter
Slave
EMC filter
SIN Filter
IGBT Bridge Main
EMC filter
GRID Switch
PV Switch
3 弱光情况下的光伏并网问题分析与研究
大功率集中式光伏并网逆变器 设计要点与难点分析
刘伟增
特变电工西安电气科技有限公司
2011年11月29日
目
1 2
录
集中式大功率光伏并网逆变器的设计要点 光伏并网逆变器的LVRT技术研究
3 弱光情况下的光伏并网问题分析与研究 4 不平衡条件下并网逆变器控制策略研究 5 光伏并网逆变器的调度运行
6 特变电工光伏并网产品简介
③ 功率控制分析 根据PV特性分析，在电网电压跌落时，并网总功率减少，PV输出功率减少同时向最大功率 点右侧移动，即PV母线电压升高，PV电流减少。当前控制目标为并网电流以最大能力输出，同 时要求并网公共点电流具有高平衡度，电流负序分量需得到有效抑制。
④ 低电压穿越（ LVRT ）与 双电流坐标系控制（ DCC） 控制器设计采用双电流坐标系控制策略，综合了电网稳态不平衡与电网暂态故障情况下的 并网，充分考虑了低电压穿越过程与并网电流的平衡度的问题，提高了可靠性。
-100.0% 99.0% 98.0% 97.0% 96.0% 95.0% 94.0% 93.0% 92.0% 91.0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
行业共性技术难题

16.0% 14.0% 12.0% 10.0% 8.0% 6.0% 4.0% 2.0% 0.0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
3 弱光情况下的光伏并网问题分析与研究
主从式双机切换技术
-- 问题部分解决
PV+ PVPV+

多机并联结构
-- 解决问题，牺牲效率
PV-
Inverter1 Inverter2
Inverter11 Inverter12
500kW
500kW
Master
Slave
Inverter10
Inverter20