光伏并网逆变器的研究及可靠性分析

光伏并网逆变器的研究及可靠性分析

摘要：光伏逆变器是光伏发电系统的关键设备，其性能好坏直接决定整个光伏

发电系统能否安全、可靠、高效地并网发电。本文主要研究适用于并网型光伏发

电系统的逆变器。

关键词：光伏并网发电系统；逆变器；可靠性分析

光伏并网逆变器是光伏并网发电系统中必不可少的设备之一，其效率的高低、可靠性的好坏将直接影响整个光伏发电系统的性能和投资.

1光伏并网逆变器

1.1 光伏逆变器的类型

光伏逆变系统负责将光伏板产生的直流电转变为交流电输入电网或直接供给

负荷，其结构包括DC/AC主电路以及DC/DC转换电路、变压器、检测单元和控制器等外围辅助装置。为了保证光伏发电的稳定性和高效性，光伏逆变通常具备最

大功率点跟踪（MPPT）、电压频率和相位调制、防孤岛和低电压穿越等功能。

光伏逆变器的分类方式多种多样。根据逆变器的输出波形可分为方波逆变器、阶

梯波逆变器和正弦波逆变器；根据逆变控制方式可分为调频式（PFM）逆变器和

调脉宽式（PWM）逆变器；根据逆变器输出相数可分为单相逆变器和三相逆变器等；根据逆变系统直流侧所连接的光伏阵列、光伏组串和光伏组件的区别，将光

伏逆变器分为集中式逆变器、组串式逆变器和组件模块。

1.2光伏并网对逆变器的要求

作为光伏阵列和交流电网系统间进行能量交换的逆变器，其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对光伏并网发电系统的整体投资和收益具有举足轻重

的作用。因此，光伏并网发电系统对并网逆变器有如下要求：

（1）从光伏并网发电系统角度考虑，需避免对公共电网造成污染；这就要求逆变器在并网输出时能够向电网馈入失真度小的正弦波电流。通常情况下，逆变

器的开关频率对波形的失真度有较大影响，频率越高，经过滤波器后输出电流更

接近标准的正弦波。基于DSP的数控逆变系统当中，能够将光伏并网发发电系统

逆变器的开关频率提高，使输出电流正弦度得到有效提升。与此同时，为了确保

其开关频率的性能，还有必要优化选取逆变器主功率元件[2]。若低压系统属性为

小容量，则大多数情况下应用的是功率场效应管，其存在的通态压降较低，开关

频率则较高；然而功率场效应管在电压上升的情况下，其通态电阻会加大，所以

基于高压大容量系统当中通常应用的是绝缘栅双极晶体管（IGBT）；基于超大容

量系统当中，通常选取的是可关断晶闸管（SCR），以此充当功率元件。

（2）根据相关协议以及标准，并网逆变器需要拥有防孤岛效应的作用，在形成孤岛效应时，能够通过电网频率或电网电压判断产生孤岛，在规定的时间内逆

变器保护而并停止输出。孤岛效应指的是，在电网供电发生中断，光伏并网发电

系统仍在运行，并且与本地负载连接处于独立运行状态，这种现象被称为孤岛效应。从技术层面而言，要想使孤岛效应得到有效防范，需加强检测电网断电的情况。

（3）要想使电网以及逆变器在运行过程中的可靠性及安全性得到有效保障，需确保逆变器和电网之间形成有效的隔离状态，同时合理、科学地应用逆变器接

地技术。首先，在电气隔离方面通常应的是变压器。其次，基于三相输出光伏发

电系统当中，有必要根据国际电工委员会给出的相关规定，优化选取接地方式。

此外，对于用电设备外壳则经保护线和接地点金属性连接。

1.3光伏并网发电系统中逆变器的控制方法分析

在上述分析过程中，认识到在光伏并网发电系统中逆变器的设计需满足各方

面的要求，实际上光伏阵列和用户对逆变器均存在不同的要求。在这样的条件下，通过逆变器的设计，便需要掌握逆变器的控制方法。

具体控制方法如下：

（1）控制总体思路

对于光伏逆变器来说，在并网运行过程中需满足一些必要的条件，主要包括：其一，输出电压和电网电压需确保频率、相位以及幅值均保持一致；其二，输出

电流和电网电压之间在频率、相位（功率因数为1）均保持一致；其三，输出需

与电网的电能质量要求相满足。而上述条件要想得到有效满足，便需要确保逆变

器的控制策略的优化及先进性。从总体思路上分析，在控制光伏并网逆变器过程中，会划分为两大步骤：第一获取系统功率点，也就是光伏阵列工作点；第二使

光伏逆变系统对电网的跟踪得到有效实现；并且，为使光伏逆变器能够安全可靠

地在并网状态运行，系统需拥有防范孤岛效应的检测功能、保护功能以及控制功

能等。

（2）光伏阵列工作点控制策略

对于光伏阵列工作点来说，其控制的方法通常有两种：第一，恒电压控制方法，指的是把光伏阵列端电压稳定在某一个值的方法，进一步将系统功率点加以

确立。这种方法的主要优势为控制简单，且能够确保系统具备很好的稳定性。然而，也存在一些不足，即：在温度发生比较大的变化的情况下，恒电压控制条件

下的光伏阵列工作点会与最大功率点发生偏离。第二，MPPT控制方法，指的是

经实时对系统进行改变的工作状态，对阵列的最大工作点进行跟踪，进一步使系

统的最大功率输出得到有效实现。这属于一类自主寻优的方法，具备优良的动态

性能，然而在稳定性方面和恒电压控制方法相比较为不足。应用MPPT方法过程中，通常会采取干扰观察、电导增量的方式进行；现状在研究MPPT方法过程中，主要体现在简单以及高稳定性的控制算法实现方法，比如：模糊逻辑控制以及神

经元网络控制等，都有能够得到不错的跟踪控制效果[4]。

（3）逆变器跟踪电网控制策略

电网跟踪控制属于逆变系统控制的主要工作，这会对系统的输出电能质量以

及运行效果产生直接性的影响。对于光伏并网逆变器来说，是在PWM逆变的基

础上实现的，因此逆变器的控制归类为逆变器PWM电流控制方法。在PWM非

线性控制方法方面，传统模式下会采取瞬时比较方法和三角波比较方法。其中，

瞬时比较方法存在补偿电流误差不稳定的问题；三角波比较方法则在硬件方面显

得复杂，存在偏大的跟随误差，同时在放大器的增益方面也存在局限性，电流响

应和瞬时比较方法相比更缓慢。从现状来看，以载波周期为基础的闭环电流控制

方优势更为突出，以无差拍PWM技术为例，该技术把目标误差在下一个控制周

期内彻底处理，使稳态无静差效果得到有效实现；这种方法具备固定的开关频率，同时在动态响应方面的速度较快，在光伏并网数字控制中适用[5]。此外，在科学

技术逐步发展的背景下，微处理器技术，比如：人工神经网络、模糊控制以及滑

模变结构等，均能够在逆变器跟踪电网控制中发挥一定的控制作用，从而使部分

控制问题得到有效解决，进一步使控制的效果增强。

1.4光伏并网逆变器的发展趋势

随着大规模集成电路ASIC、现场可编程逻辑器件FPGA及数字信号处理器DSP 技术的发展，以及先进的控制方法的提出，光伏并网逆变器的控制逐渐转向数字