1.高功率光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)
光伏逆變器發(fā)展的一個重要趨勢是功率更高，現(xiàn)在，峰值發(fā)電量超過100kW的太陽能光伏發(fā)電廠越來越普遍，而較小規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)也存在這種趨勢：平均功率從5kW提高到10kW。升壓＋H-橋拓撲如圖1所示，是光伏逆變器極為常用的拓撲之一，是一種兩級非隔離拓撲。其第一級是升壓級，用于把模塊的可變輸出電壓(例如100V～500V)升高到更大的中間電壓，后者必須大于實際峰值電壓(如230V，或>325V)。該升壓級還有一個重要作用，就是為了實現(xiàn)效率最大化，太陽能電池模塊必須產(chǎn)生盡可能大的功率，而太陽能電池組件的功率曲線可通過輸出電流乘以輸出電壓數(shù)值獲得。功率特性中有一個最大點，被稱為“最大功率點”或MPP，而這精確位置會隨著模塊的類型、溫度和日照陰影等因素而變化。

利用名為“最大功率點跟蹤”或MPPT的軟件技術(shù)，輔以定制化算法，逆變器的輸入級便可跟蹤這個最大功率點。逆變器的第二級把恒定的中間電壓轉(zhuǎn)換為50Hz的交流電壓，再饋入供電網(wǎng)。這個輸出與供電網(wǎng)的相位及頻率同步。這一級由于與供電網(wǎng)連接，即便在故障狀態(tài)下也必須達到一定的安全標準。除此之外，還有一個與低壓指令(Low Voltage Directive)相關(guān)的VDE0126-1-1新草案，該提案要求光伏逆變器在電能質(zhì)量下降的情況下也應(yīng)有源支持主供電網(wǎng)，以盡量降低更具普遍性的停電風險。在現(xiàn)有法規(guī)限制之下，是可以設(shè)計一個在停電時能夠?qū)崟r關(guān)斷逆變器，以實現(xiàn)自我保護。不過當光伏逆變器變得普及并在總發(fā)電量中占有可觀的份額時，如果一遇上停電便直接關(guān)斷連接的光伏逆變器的話，是可能造成更大規(guī)模的主電網(wǎng)停電的，因為逆變器便會一個接一個關(guān)斷，并迅速減少電網(wǎng)中的電能。因此，新的指令草案旨在提高主干配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，而代價僅是使逆變器的輸出級稍微復(fù)雜一點。

光伏逆變器必須可靠，以盡量減小維護和停機檢修的成本。這些逆變器還必須具有高效，以盡量增大發(fā)電量。為此，在光伏逆變器設(shè)計中還需付出相當?shù)呐?，以盡可能地提高效率。

有很多方法能夠提高升壓逆變器的效率，由于升壓逆變器可在連續(xù)傳導(dǎo)模式或邊界傳導(dǎo)模式(CCM或BCM)下 工作，這就衍生出不同的優(yōu)化方案。在CCM模式中，損耗的一大主因是升壓二極管的反向恢復(fù)電流；在這種情況下，一般使用碳化硅二極管或飛兆半導(dǎo)體的Stealth二極管來解決。光伏逆變器常采用的是BCM模式，盡管對這類功率級通常應(yīng)選擇CCM模式，但采用BCM模式的原因在于BCM模式中二極管的正向電壓要低得多。而且，BCM模式也具有高的EMI濾波器和升壓電感紋波電流。這時，良好的高頻電感設(shè)計是一解決方案。

采用兩個交錯式升壓級來取代一個升壓級是一種新方法，這樣一來，流經(jīng)每個電感和每個開關(guān)的電流便能夠減半。另外，采用交錯式技術(shù)，一級上的紋波電流可抵償另一級的紋波電流，因而可在很寬工作輸入范圍上去除輸入紋波電流，如FAN9612交錯式BCMPFC一類的控制完全能夠輕松滿足光伏逆變器升壓級的要求。

逆變器中的升壓開關(guān)有兩個選擇：IGBT或MOSFET。對于需要600V以上額定開關(guān)電壓的輸入級，常會采用1200V的IGBT快速開關(guān)，如FGL40N120AND。對于額定電壓只需600V/650V的輸入級，則選用MOSFET。

輸出H-橋級的設(shè)計都采用600V/650V的MOSFET，但因為新的草案規(guī)范要求輸出級以四象限工作， MOSFET雖然內(nèi)置有體二極管，但相比IGBT中采用的組合封裝二極管，其開關(guān)性能很差。新型的場截止IGBT能夠以10V/ns的速度轉(zhuǎn)換電壓，較之以往的產(chǎn)品導(dǎo)通損耗大大改善。這種集成式二極管具有出色的軟恢復(fù)性能，有助于降低500A/μs以上的高di/dt造成的EMI。對于16kHz～25kHz開關(guān)，應(yīng)采用IGBT，例如飛兆半導(dǎo)體的FGH60N60UFD。

2.寬輸入電壓范圍光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)及特點

光伏逆變器設(shè)計的另一個趨勢是擴大輸入電壓范圍，這會導(dǎo)致相同功率級下輸入電流的減小，或相同輸入電流下功率級的提高。輸入電壓比較高時，需要使用額定電壓更高(1200V范圍內(nèi))的IGBT，從而產(chǎn)生更大的損耗。解決這一問題的一個方法是采用三電平逆變器，如圖2所示。

采用兩個串聯(lián)的電解電容可把高輸入電壓一分為二，將中間點與零線(neutralline)連接，這時就可以再采用600V開關(guān)。三電平逆變器可在三個電平間進行轉(zhuǎn)換：+Vbus、0V和–Vbus。此方案除了比1200V開關(guān)結(jié)構(gòu)的解決方案更有效之外，三電平逆變器還有一個優(yōu)勢，就是輸出電感大為減小。三電平逆變器主要有兩個顯著特點：

①由多個電平臺階合成的輸出電壓正弦波形，在相同開關(guān)頻率條件下，與傳統(tǒng)二電平逆變器相比，諧波含量大大減少，改善了輸出電壓波形；

②開關(guān)管的電壓額定值只為直流母線上電壓的一半，使低壓開關(guān)器件可以應(yīng)用于高壓變換器中。

但是，三電平逆變器的缺點是控制策略較復(fù)雜和出現(xiàn)中點電壓不平衡的問題，其中，中點電壓不平衡是三電平逆變器的一個致命弱點。顯然，若逆變器直流母線上并聯(lián)兩電容的中點電壓在運行時不穩(wěn)定，它將引起輸出的三電平電壓變化，不僅使輸出電壓波形畸變，諧波增加，而且使三相輸出電流不對稱，失去三電平逆變器的優(yōu)勢。然而，對于中點電壓不平衡問題，目前尚未有根本的解決方法。其中有代表性的方法一是利用改進硬件電路實現(xiàn)中點電壓平衡的方法；二是通過改變開關(guān)時序或控制矢量電壓持續(xù)時間的方法實現(xiàn)電壓平衡。但都存在電路復(fù)雜、控制效果不理想的問題。