光伏并网逆变器设计的关键技术

3.基于双滤波器（DF）的光伏并网技术
3.1 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
-- 1MW系统拓扑结构（多模块并联）
PV+ PV-
Inverter 1 Inverter 2
Inverter1 1 Inverter1 2
Inverter1 0
Inverter2 0
优点：在5%-100%负载率下效率几乎不变， 5%- 20%低负 载率下电流THD仍可保持在5%以下。
1.光伏并网逆变技术发展简介
光伏并网系统特点
分布式发电，可在电网多处接入； 模块组合，通过组件的串并联达到所需功率 等级，便于安装及维修； 白天发电，发电功率随天气变化而变化，各 地区年发电小时不一致； 光伏并网系统由光伏组件、并网逆变器、配 电系统、计量装置、监控系统构成。 通过并网逆变器将光伏组件所发直流电转换 为与交流电网同频同相的电流并入电网；
Main
பைடு நூலகம்
GRID Switch
3.基于双滤波器（DF）的光伏并网技术
3.2 采用DF技术的大功率逆变器效率仿真分析
负载率 工作电流
5%
48
10%
96
15%
144
20%
192
30%
289
40%
385
50%
481
60%
577
70%
674
80%
770
90%
866
100%
962
基于DF技术的500kW逆变器在不同负载率情况下损耗分析
10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
3.基于双滤波器（DF）的光伏并网技术
3.1 典型并网系统结构分析
EMC filter EMC filter
PV Switch
SIN F ilter
IGBT Bridge
LCL
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-Phase VSI
abc dq
abc dq
Grid P h ase -V oltage
D etection
Grid A ngle D etection
---实现光伏电站的功率 因数、MPPT、低电压穿越 控制
2. 光伏并网逆变器设计的关键技术-大功率系统
结构和热设计技术—完成结构设计、提升转换效率
高效光伏并网逆变技术
2011年2月24日
目录
1 光伏并网逆变技术发展简介 2 光伏并网逆变器设计的关键技术 3 基于双滤波器（DF）的光伏并网技术
4 特变电工光伏并网产品简介
1
光伏并网逆变技术发展简介
1.光伏并网逆变技术发展简介
逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合，从开
始发展至今经历了以下五个阶段
2. 光伏并网逆变器设计的关键技术-小功率系统 工频隔离型
滤
滤
波
波
器
器
输入端子
逆变电路 工频变压器
输出
优点：电路简单、单级控制；电网和光伏系统间有电气 隔离，光伏系统与地之间无漏电流。
缺点： 成本高、体积笨重、整机效率低。
2. 光伏并网逆变器设计的关键技术-小功率系统 高频隔离型
滤
滤
波
波
器
器
输入端子
97.63% 98.54% 98.78% 98.88% 98.82% 98.93% 98.98% 98.99% 98.98% 98.97% 98.95% 98.85%
基于Pro/ENGINEER Wildfire的3D结构设计，在工作站中即可虚拟 完成产品所有部件的可视化整体布局、柔性配置、干涉自动检查、配 线及工艺流程等设计工作。采用FLOTHERM热仿真软件对结构进行热仿 真，优化结构设计。
2. 光伏并网逆变器设计的关键技术-大功率系统
批量产品化技术—实现批量化的技术和生产条件
190
46
110
2184
446
214
52
112
2472
516
338
60
116
3090
电抗器损耗
铁损耗 铜损耗
220
31
220
61
220
138
220
244
700
175
700
311
700
486
700
700
700
953
700
1245
700
1575
1700
1945
效率
97.63% 98.54% 98.78% 98.88% 98.82% 98.93% 98.98% 98.99% 98.98% 98.97% 98.95% 98.85%
第一阶段：20世纪50-60年代，晶闸管SCR的诞生为逆变器 的发展创造了条件； 第二阶段：20世纪70年代，晶闸管GTO及BJT的问世，使逆 变技术得到发展和应用； 第三阶段：20世纪80年代，晶闸管等功率器件的诞生为逆 变器向大容量方向发展奠定了基础; 第四阶段：20世纪90年代，微电子技术的发展使新近的控 制技术在逆变领域得到了较好的应用，极大的促进了逆变器 技术的发展； 第五阶段：21世纪初，逆变技术朝着高频化、高效率、高 功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。
V T3
D3
D8
基二极管，最 高效率>98%.
V T4
D4
-
D6
V T 6 -- 特变电工
专利技术
2. 光伏并网逆变器设计的关键技术-大功率系统
大功率三相光伏逆变器设计的关键技术
大功率光伏逆变器系统的建模和仿真技术； 光伏阵列的最大功率跟踪技术； 低电压穿越技术； 功率因数控制技术； 结构和热设计技术； 批量产品化技术； 系统监控技术
2
光伏并网逆变器设计的关键技术
2. 光伏并网逆变器设计的关键技术-小功率系统
小功率光伏逆变器设计的关键技术
光伏并网逆变器的拓扑结构研究； 光伏阵列的最大功率跟踪技术； 反孤岛控制技术； 功率因数控制技术； 并网逆变器漏电流抑制技术； EMI/EMC设计技术；
核心：提高逆变器效率； 难点：低漏电拓扑结构；
批量产品生产工装与工艺； 逆变器的测试技术标准； 逆变器的长寿命设计和维护技术；
通过分析功率器件的使用环 境、热循环周次和寿命之间 的关系，提高IGBT模块的使 用寿命；通过研究金属膜电 容器替代电解电容的最优设 计方案，实现长寿命金属膜 电容器在光伏并网逆变器的 应用；通过优化直流叠层母 排的设计，降低母排的寄生 电感，从而降低IGBT模块的 动态损耗；
3.基于双滤波器（DF）的光伏并网技术
3.1 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
-- 1MW系统拓扑结构（传统方式）
PV+
PV+
PV-
PV-
500k W
500k W
Inverter1
Inverter2
优点：结构简单，连线方便，控制易于实现
缺点： 5%- 20%低负载率下效率低，电流THD超标；
2. 光伏并网逆变器设计的关键技术-大功率系统
系统监控技术
----实现光伏电站的可 视化管理、无人值守、 远程控制
大型并网电站监控系统 的硬件架构设计技术；
光伏电站的远程调度与 逆变器群控技术；
光伏电站监控软件设 计；
3
基于双滤波器（DF）的光伏并网技术
3.基于双滤波器（DF）的光伏并网技术
不足：整体效率偏低
3.基于双滤波器（DF）的光伏并网技术
3.2 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。
PV Switch
EMC filter EMC filter
SIN F ilter
Slave
SIN F ilter
IGBT Bridge
3.1 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 -- 行业共性技术难题
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%
16.0% 14.0% 12.0% 10.0% 8.0% 6.0% 4.0% 2.0% 0.0%
核心：提高逆变效率，降低并网谐波； 难点：并网控制技术；
2. 光伏并网逆变器设计的关键技术-大功率系统
建模和仿真技术
研究基于大型数值模 拟软件Matlab的光伏 逆变器建模技术，及 直接基于State Flow 的DSP微控制器的C++ 源代码仿真技术；实 现控制器源代码直接 基于虚拟仿真平台编 辑和调试。
D C -A C 高 高 频 变 频逆变 压 器
整流电路
逆变电路
输出
优点：高频隔离、漏电流小，效率较高，最大效率96%。 缺点：硬件电路复杂，两级控制，EMI/EMC设计较难；
2. 光伏并网逆变器设计的关键技术-小功率系统 非隔离型
滤
滤
波
波
器
器
输入端子
D C -D C 变 换 器 逆 变 电 路
输出
3.基于双滤波器（DF）的光伏并网技术
3.1 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
-- 1MW系统拓扑结构（共直流母线）
PV+ PV-
500k W
500k W
Master
Slave
优点：减小弱光下的效率及THD问题
缺点： 控制复杂，仍然无法完全解决10%以内的效率及THD 问题；
92.00%
91.00%
90.00%
5% 10% 15% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
TBEA(NO DF) TBEA(DF)
3.基于双滤波器（DF）的光伏并网技术
3.2 基于Double Filter（ＤＦ）的大功率光伏并网逆变技术
--效率对比。
负载率
解决漏电流非隔离型拓扑结构
H5拓扑技术
Karschny拓扑技术
HERIC拓扑技术
↑ ← 以上拓扑结构均
可有效解决漏电 流问题
解决漏电流非隔离型拓扑结构
+
本拓扑结构允
VT1
D1
D5
V T 5 许纯无功负载
，能够提高对
电网的无功补
V T2
D2
D7
偿，也能满足
L1
G rid
L2
a
双向功率流动 b ，应用sic肖特
优点：结构简单，效率最高，最大效率98%以上；
缺点：电网和光伏系统间无电气隔离，光伏系统对地之 间存在漏电流，对人有安全隐患。
2. 光伏并网逆变器设计的关键技术-小功率系统
小功率并网逆变器的发展方向
非隔离型并网方式 宽输入电压范围 最高效率>98% 可直接并联 智能化、小型化 高防护等级
基于光伏组件的微型逆变器也将是未来逆变器的 重要发展方向；
2. 光伏并网逆变器设计的关键技术-小功率系统
D1 L1
非C Y 1 隔离Q型1 逆变器+ 漏Q电2 流产Q4 生原L2 理
L
C1
PV
PE
Q3
Q5
N
CY2
L3
漏电流产生原理：漏电流实际上是光伏阵列两端对地等效 Y电容上的共
模电流。根据TN配线规范，电网N极物理上与大地PE极相连，如果PV正端或 者PV负端对电网N极上有较大电压跃变，由i=C(dU/dt)可知，PV两端的等效 共模电流就会很大。如果不对非隔离型逆变器拓扑进行处理，漏电流将会 增加电磁辐射和安全隐患。
IGBT损耗 静态损耗 动态损耗
二极管损耗 静态损耗 动态损耗
IGBT总损耗
16
12
2
84
342
34
24
6
86
450
54
36
8
88
558
72
48
10
90
660
116
72
16
94
894
162
96
22
96
1128
210
120
28
100
1374
264
144
34
102
1632
322
168
40
106
1908
382
1.光伏并网逆变技术发展简介
光伏并网逆变器的产业链
电子元件生 产商
上游
核心功率器件如 IGBT模块、断路 器、接触器，核 心控制芯片DSP 等主要依赖进口
光伏并网逆变 器生产商
中游
全球逆变器装机 量中，中国制造 占有量占不到2%
光伏并网发 电系统
下游 中国光伏系统年 装机量不到全球 总装机量的5%
3.基于双滤波器（DF）的光伏并网技术
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%
Slave Filter Region
Main Filter Region
93.00%
多模块 单滤波器
并联
结构
TBEA（ DF）
5% 10% 15% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
97.7% 97.7% 97.7% 97.7% 97.7% 97.7% 97.7% 97.7% 97.7% 97.7% 97.7% 97.7%
95.8% 97.7% 98.3% 98.6% 98.8% 98.9% 99.0% 99.0% 99.0% 99.0% 98.9% 98.9%
---优化电路参数、提升 系统效率、实现软件代码 的虚拟调试
2. 光伏并网逆变器设计的关键技术-大功率系统
并网控制技术
研究并网逆变器功 率因数调节技术；
研究光伏阵列最大 功率跟踪技术；
研究并网逆变器低 电压穿越控制技术
PI PI
PV A rray
C M PPT
SVPW M
PW M 6