光伏发电技术系列讲座（2） 光伏发电中的电力电子技术.pdf

技术讲座 王宏华 光伏发电中的电力电子技术 光伏发 电技术 系列讲座 ( 2 ) 光伏发 电中的 电力 电子技术 王宏华 ( 河海大学 自动化工程系， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要： 阐述了太阳能光伏发电系统中电力电子功率变换器的基本结构和工作原理 ， 综述了国 内外光伏发电系统中电力电子变流技术的发展现状及发展趋势。 关键词： 电力电子技术； 变换器； 光伏发电系统 中图分类号 ： T K S 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 - 5 2 7 6 ( 2 0 1 0) 0 5 - 0 1 7 5 - 0 3 T h e S e r i e s o f L e c t u r e s o n P h o t o v o l t a i e P o w e r T e c h n o l o g y ( P a r t 2 ) PI i n c i p l e a nd De v e l o p me n t o f t he Powe t El e c t r o n i c s i n Pho t o v o l t a i c Po we r W ANG Ho n g h u a ( D e p a r t me n t o f A u t o ma t io n E n g i n e e r i n g， H o h a i U n i v e r s it y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ，C h i n a ) Abs t r ac t ： This p a p er de s cd b es t he p r inc iple an d s t r u c t u r e o f t he p o wer c o n v e er s i n p ho t o v olt aic p ower s y s t em，an d pres e n t s t h e l a t es t de v e l o p me n t t rend a n d r e s e ar c h pr o gres s of t h e p ower e l e c t r o n i c s in ph o t ov olt a ic po wer Ke y wo r ds： po wer e l e c t ron i c s；c on v er t e r ；p h o t o v o R a i c p o we r s y s t em 0 引言 太阳能光伏电池所发出的电能是随太阳光辐照度、 环 境温度、 负载等变化而变化 的不稳定直流电， 是难以满足 用电负载对电源品质要求的“ 粗电” - ， 为此需要应用电 力电子变流技术对其进行直流 一直流( D CD C) 或直流 一 交流( D CA C) 变换 ， 以获得稳定的高品质直流电或交 流电供给负载或电网， 如图 1所示。 ( b ) 并网型 ( 两级式) 圈 1 典型光伏发电系统基本结构 电 网 众所周知， 电力电子电路功率变换技术是和电力电子 器件同步发展的 。1 9 5 7年硅晶闸管( S C R) 问世， 标志 着以半控型电力电子器件( S C R) 为主的传统电力电子技 术形成 ； 而 自2 0世纪 8 O年代以来， 以全控型电力电子器 件( G T O， G T R， 功率 MO S F E T ， I G B T， MO S场 控 晶闸管 ( M C T ) ， 集成门极换流可关断晶闸管( I G C T ) ) 及功率集成 电路为主的现代电力 电子技术发展尤为迅速， D CD C变 换( 降压 、 升压、 降压 一升压、 升压 一降压) 电路拓扑、 D C A C变换( 逆变) 控制技术( S P WM， S V P WM) 及逆变器多电 平 、 多 重化 技术均得到长足发展 。 事实上， 电力电子功率变换器及其控制技术是实现光 伏发电系统能够理想地向负载或电网提供电力这一最终 目标的重要物质基础之一。 本文阐述了光伏直流变换电路 、 光伏逆变电路的的基 本结构和工作原理， 综述了光伏发电系统中电力电子变流 技术的发展现状及发展趋 势。 1 光伏直流变换 电路 光伏电池是一种输出特性迥异于常规电源的直流电 源， 对电压接受型负载( 如蓄电池) 、 电流接受型( 如永磁 直流电动机) 、 纯阻性负载3种不同类型的负载， 其匹配特 性也迥然相异 。随着 天气 ( 辐 照度 、 温度 ) 变 化 ， 实 时调 整负载的伏安特性使其相交于光伏电池伏安特性的最大 功率输出点处， 降低负载失配功率损失 ， 实现“ 最大功率 点跟踪( M P P T ) ” 是光伏直流变换电路的主要功能之一。 光伏直流变换电路主要有脉冲宽度调制( P WM) 和脉 冲频率调制 ( P F M) 两种方法， 其中， P WM为常用控制方 法。光伏直流变换器主电路分直接变换 ( 直流斩波器， 无 变压器隔离) 和间接变换 ( 开关 电源型 D C D C变换器， 有 变压器隔离) 两大类 J ， 如表 1 。 作者简介 ： 王宏华 ( 1 9 6 3 一) ， 男 ， 江苏泰州人 ， 博士 ， 现为河海大学教授 、 博士生导师。研究方 向为新型交直流 电力传动等 。 M h m e B u i ld i n g A u t o m a t i o n ，Oc t 2 0 1 0 ， 3 9 ( 5 ) ： 1 7 5 1 7 7 l 7 5 技术讲座 王宏华 光伏发电中的电力电子技术 表 1 光伏直流变换器主电路拓扑的类型 “ 直流变换器 特点 直 接 变 换 如图 2 ， s 、 D 、 L 、 C组成降压斩波器， 调节 S的 B u c k变 开通占空比可调节负载电压， 以调节光伏阵列工作 换器 点。设置c s是为了保证光伏阵列输出电流连续， 以免发电功率损失。结构简单、 效率高、 易控制。 B o o s t 变 换器 降压 一 升 压变 换器 C u k 变 换器 单 端 正 激 变 换器 间 单 端 反 激 式 变 萎 换 器 换 推 挽 变 换器 桥 式 变 换器 如图3 ， L 、 s 、 D、 c组成升压斩波器。当s开通 时， L 储能； s 关断时， L 所储磁能转化成的感应电 压与光伏阵列输出电压串联相加向负载供电， S的 开通占空比增大时输出电压增大。适当调节占空 比， 可调整光伏阵列输出电压， 使其处于最大功率 点电压， 且该电路可将光伏阵列输出电压升高。结 构简单、 效率高、 易控制， 但不能进行降压变换。 又称为 B u c kB o o s t 变换器、 反号变换器， 由 在 B u c k变换器后串接一 B oos t 变换器组合而来， 既 可降压， 亦可升压。要求输出电压一定时， 输入电 压允许变化范围较大。 又称 B o o s t B u c k串联变换器、 升压 一 降压变 换器， 由在 B oos t 变换器后串接一 B u c k 变换器组合 而来， 兼有 B u c k电路输出电流连续和B o o s t 电路输 入电流连续的优点， 输出电压可高于或低于光伏阵 列输出电压。 如图4 ， 在s 开通时， 光伏阵列经变压器T向c 、 R 馈电， 调节占空比或T的变比， 可调节输出电压， 多用 于小容量的降压电路。需采取磁芯复位措施。 如图5 ， 在 s关断时， 光伏阵列经变压器 T向 c 、 R馈电， 故称为反激式。具有元件少、 易实现多 路输出的优点。但变压器的励磁电流仍为单向。 多用 于中小型直流变换器中， 变压器利用 率低。 按变压器原边开关所接拓扑， 有全桥、 半桥之 分。变压器磁芯的利用率高。 。T l 一 j 图 2 B u c k变换器主 电路 一 咚 c十 光伏阵列l l l l 图 3 B o o s t 变换 器主电路 錾 1 7 6 图 4 单端正激变换器 图 5 单端反激式变换器 B u c k ( 降压) 、 B o o s t ( 升压) 主电路是最基本的变换器 拓扑， 由此可派生出多种组合结构。表 1 所列 4种直流斩 波器的输入输出的一根线均是共用的， 故统称为“ 三端开 关式稳压器” 。 带高频变压器隔离的多种间接变换器拓扑分别派生于 各基本 D CD C变换器， 亦称为直 一 交 一直变换器， 其克服 了直流斩波器输入输出不隔离、 输入输出电压或电流比受 限制、 不能实现多路输出的局限， 常用于直流光伏输电线 路、 逆变器和负荷间的电压匹配变换等场合。表 1中的全 桥、 半桥、 正激、 推挽变换器是基于 B u c k的隔离变换器拓 扑； 反激式变换器则是 B u c k B oos t 变换器的隔离方案。 2 光伏 逆变 电路 “ 逆变” 是将直流电 变换为极性周期改变的交流电， 其为“ 整流” 的“ 逆 向”过程。逆变电路有 多种分类方 法 刮： 按直流侧滤波器， 分为 电压源型( 采用大电容滤 波) 和电流源型( 采用大电感滤波) ； 按主电路拓扑， 分为 推挽、 桥式( 全桥、 半桥) 、 组合式、 多电平逆变器； 按输 出 电压波形要求， 分为方波、 阶梯波、 正弦波逆变器。 离网型光伏发电系统中的逆变器多采用电压源型逆变 器。随着全控型电力电子器件和脉宽调制技术的进步， 采用 桥式主电路、 以标准正弦波作为 P WM调制波的正弦脉宽调 制( S P WM) 技术是 目前应用最广泛的电压源逆变器控制技 术， 为了使逆变器输出电压滤波后尽量正弦化， 出现了选择 性消谐波等优化的P WM技术 J 。在此基础上， 进一步出现 了以控制输出电流正弦化为 目标的电流瞬时值滞环跟踪 P WM控制技术和针对三相桥式电压型逆变器的电压空间矢 量P WM( S V P WM) 技术。S V P WM具有直流电压利用率高、 动 态响应快、 开关损耗低、 输出电压波形的总谐波畸变率低等 优点 ， 在三相电压型逆变器控制中的应用日益广泛。 2 1 离网型光伏发 电逆 变电路 离 网型光伏发 电逆变 电路一般采用电压源型逆变 器。 图 6为单相全桥电压源型逆变器结 构示意图。 图 6 单相 电压源型逆变器主电路 图6中， 为直流侧滤波电容， L ， 、 C 。 为交流输出滤 波器， 为变压器。 离网型三相光伏发电系统中的逆变器主要有两种形 式 ： 其一， 采用图 6所示 的三个单相全桥逆变器组合 ( 例如并联) 为三相电压源逆变器， 其存在元器件多、 成本 高、 体积大的缺点； 其二， 采用图7所示的三相半桥电压源 型逆变器， 其利用三桥臂构成的变换器取替三组单相全桥 逆变器， 具有结构简单、 成本低、 体积小的优点， 应用广泛。 2 2 并 网型光伏发 电逆 变电路 并网型光伏发电逆变电路的控制目标是使逆变器输 h t t p ： Z Z H D c h i n a j o u r n a 1 n e t c n E - m a i l ： Z Z H D c h ai n a j o u m a 1 n e t c n 机械制造与自 动化 技 术讲 座 王宏华 光伏发 电中的电力电子技 术 图 7三相 半桥 电压 源型逆变器 出电压幅值、 频率、 相位与电网一致 ， 输出电流波形谐波 小 ， 实现向电网无扰动平滑供 电- o 。按功率级数， 并网型 光伏发电系统中的功率变换器有单级式、 两级式两种结 构， 其中， 单级式结构简单， 无 D CD C环节， 光伏阵列直 接经逆变器并网， 但电网与光伏发电系统直流母线间无能 量解耦环节 ， 使实现 MP P T 、 逆变、 并网控制 的算法复杂 ； 如图 1 ( b ) 所示， 两级式先通过前级的 D CD C变换实现 MP P T， 然后再经后级的 D CA C变换进行逆变、 并 网控 制， 两级控制可以解耦 ， 控制算法较为简单易行。按逆变 器输出与电网之间是否接有隔离变压器分为隔离型和非 隔离型， 隔离型不仅提高了安全性 ， 且可通过选择隔离变 压器变 比调节电压变换范 围 ， 增大 了直流母线 电压 的输 入 范围 ， 故可根据场地要求进 行光 伏阵 列优化设计 J 。图 8 为电压源型三相大功率并网逆变器的结构示意图。 图 8 电压 源型三相大功率并 网逆变器 3 光伏发电中电力电子技术的发展 3 1 光伏发 电中的 多电平逆 变器 在交流大功率变换领域， 常采用开关器件串 并联、 多重 化( 功率变换装置毕 并联) 及多电平变换等技术以解决电力 电子器件耐压与功率变换电压等级的矛盾， 其中， 多电平变 换技术已成为研究热点 。传统的逆变器亦称为二电平逆 变器， 其在个开关周期内逆变桥臂的相电压输出电平仅为 二电平。多电平技术源于 日本学者 1 9 8 1 年提 出的 中点箝位 型多电平逆变电路。目前， 多电平逆变电路主要有二极管箝 位型、 电容箝位型和独立直流源级联型3种拓扑类型。 光伏阵列可灵活组合， 故光伏并网系统易实现 3电平 和级联方式并 网以改善并 网电 流波形 。为 了解决 阴影 问题和光伏模块之间不匹配问题 ， 一些学者提出采用二极 管箝位型多电平逆变器、 级联 H桥型变换器实现独立控 制每一个光伏模块， 使其各 自工作在最大功率点， 从而提 高系统效率， 减少输出电压谐波 。 3 2 Z源光伏 并 网逆 变器 源型逆变器为主。电压源型、 电流源型逆变器存在的共同 缺点为 ： 输出交流电压受到限制 ； 桥臂开关器件的开关 状态受限， 均需加入相应死区时间。对传统逆变器直流侧 的单级储能电路( 并联电容或串联电感 ) 采用如图9所示 的 z源( 阻抗源) 储能网络替换， 则构成“ z源逆变器” 。 z 源储能 网络 图 9 Z源逆变器结构 示意图 由图 9可见 ， z源逆 变 器 的直 流 侧 储 能 电路 是 由 电 感、 电容组成的对称交叉型阻抗源网络， 其结合了传统电 压源型、 电流源型逆变器直流侧缓冲和储能电路的特点 ， 从而满足了逆变电路桥臂可开路和短路的条件， 克服了传 统逆变器的局限。因z源逆变器可靠性高、 效率高、 结构 简单， 且具有升降压变换功能， 故在光伏发电系统中应用 前景广阔。文献 1 O 提出基于 Z源逆变器的单相离网型 光伏发电系统的电流滞环跟踪控制策略， 兼有电流瞬时值 滞环跟踪 P WM控制和 z源的优点。针对常规 z源光伏 并网发电系统中， 为实现升压， Z源储能网络中的电容电 压需高于输入电压的问题 ， 文献 1 1 在并网型光伏发电 系统中引入串联型z源逆变器 ， 提高了系统的功率密度。 参考文献： 1 赵争鸣， 刘建政， 孙晓瑛 ， 等 太阳能光伏发电及其应用 M 北 京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 5 ， 第 1版 2 徐德鸿 ， 马皓， 汪檩生 电力电子技术 M 北京 ： 科学出版 社 ， 2 0 0 6， 第 1版 3 王长贵， 王斯成太阳能光伏发电实用技术 M 北京： 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 9， 第 2版 4张 占松 ， 蔡宣三 开关 电源 的原理 与设计 M 北京 ： 电子工 业 出版社 ， 1 9 9 9， 第 l版 5 李畸勇 基于模糊控制的最大功率点跟 踪三相光伏 发电系统 研究 D 河海大学博士学位论文， 2 0 1 0 6 尹淞 太阳能光伏发电主要技术与进展 J 电力技术， 2 O 0 9 ， 1 0 7 尹璐 ， 赵争鸣光伏并 网技 术与市场 现状 与发展 J 变 频器世界 ， 2 0 0 8 ， 1 0： 3 4 - 3 9 8 陈阿莲， 王玮誉， 董圣英， 等 光伏发电系统中的多电平变换 技术 J 电力电子技术 ， 2 0 1 0 ， 6 ： 3 4 - 3 6 9单竹杰 z源光伏 并 网逆变 器 的仿真 分析 及控 制系 统设计 D 东南大学硕士学位论文， 2 0 0 9 1 O 黄金军， 郑建勇 基于电流滞环控制的z源光伏独立发电系 统 J 电力 电子技术 ， 2 0 1 0， 6： 3 7 - 3 9 1 1 魏居魁 ， 汤雨 ， 谢少 军 串联 型 z源 光伏并 网发 电系统 J 电力电子技 术， 2 0 1 0 ， 6 ： 4 5 -4 7 目前 ， 应用中的并网型光伏发电逆变电路拓扑以电压 收稿日 期： 2 0 0一 一 Ma c h i n e B u i ld i n g口 A u t o m a t i o n ，O c t 2 0 1 0， 3 9 ( 5) ： 1 7 5 1 7 7 1 7 7