光伏逆變器的基本原理

逆變器是將直流電（DC）轉(zhuǎn)換為交流電（AC）的電力設(shè)備，由于光伏組件或電化學(xué)儲能電池組輸出的是直流電，而現(xiàn)代電網(wǎng)又是以交流電形式傳輸，因此并網(wǎng)前必須將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，所以逆變器是光伏或電化學(xué)儲能電站并網(wǎng)發(fā)電的核心裝備。

逆變器DC-AC逆變原理

先以單相逆變器為例，典型逆變工作原理如下圖左所示，兩個開關(guān)器件（IGBT、MOSFET等）組成一個電路，為了獲得一個周期的交流電壓，電路中的兩個開關(guān)器件S1和S2需要交替開關(guān)一輪，其中一個開關(guān)打開時另一個開關(guān)關(guān)閉。例如，為獲得交流輸出的正周期，器件S1打開、S2關(guān)閉；而到負(fù)周期時，器件S2打開而S1關(guān)閉；如此循環(huán)輸出如下圖右波形。

三相逆變器控制相對復(fù)雜，但其基本原理和單相逆變器是相同的，例如下圖左所示典型三相逆變器工作原理，其中開關(guān)器件增加至六組，每相線路上有兩組開關(guān)器件，每個相序操作一對開關(guān)器件，整個電路按照順序觸發(fā)開關(guān)器件。例如，為了獲得R相S1-S2導(dǎo)通，為獲得Y相S3-S4導(dǎo)通，為獲得B相S5-S6導(dǎo)通，最終輸出波形如下圖右所示。

逆變器正弦波輸出原理

在逆變器逆變控制的基礎(chǔ)上，通過控制導(dǎo)通開關(guān)器件的‘導(dǎo)通/關(guān)閉比’（占空比），逆變器可以將周期性的‘方波’轉(zhuǎn)化為所需頻率的‘正弦波’。以兩電平逆變器為例，組串輸入電壓Vdc， 那么逆變器輸入端為+ Vdc/2和 –Vdc/2，逆變電路開關(guān)使用PWM高頻切換，將電壓‘切割組合’成所需頻率的交流電壓，如下圖所示。而多電平逆變器的概念是對兩電平的一種優(yōu)化，其目的是為了制造更平滑的步進(jìn)輸出波形，使獲得的輸出相對正弦波‘失真’更小，好比自行車由兩級變速升級為多級變速，當(dāng)然控制電路的復(fù)雜性也隨著電平的增加而增加。

典型逆變器電路

下圖為最簡單的典型單相逆變器電路，簡略概述由三個模塊構(gòu)成，分別為‘BOOST’模塊、‘逆變’模塊及‘濾波’模塊，分別對應(yīng)的主要功能為：

‘BOOST’模塊：最重要的功能是用于將直流輸入的電壓提高到逆變器工作的水平，其功能類似于一個‘電子泵’，當(dāng)直流輸入電壓低于逆變器要求的最小輸入電壓時通過該模塊升壓，輸入電壓通過調(diào)節(jié)控制電路中功率開關(guān)器件占空比實現(xiàn)。升壓功能對逆變器很重要，它使逆變器能夠在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)額定功率運行，例如組串式逆變器輸入端工作電壓范圍遠(yuǎn)寬于集中式逆變器的主要原因就是組串式逆變器具有BOOST模塊，而集中式逆變器通常是沒有BOOST模塊的。此外，BOOST模塊在此類‘雙級’逆變器中扮演組串工作點調(diào)節(jié)的作用，通過最大功率點跟蹤算法控制輸入功率。

‘逆變’模塊：逆變模塊是逆變器的核心模塊，其原理已在上文進(jìn)行了簡單介紹，通過此模塊內(nèi)功率開關(guān)器件協(xié)同開關(guān)實現(xiàn)逆變器直流/交流‘逆變’的功能。

‘濾波’模塊：作用是減少/消除輸出交流波形中的高頻諧波失真和噪聲,保證可靠、高質(zhì)量的交流電輸出。由于逆變器是通過電子開關(guān)方式強(qiáng)行‘拼接’出交流波形，它會不可避免地產(chǎn)生高頻成分，造成對輸出波形的干擾和噪聲等導(dǎo)致電能質(zhì)量問題，通過濾波模塊提高電能輸出質(zhì)量對于保證系統(tǒng)并網(wǎng)質(zhì)量或供電質(zhì)量尤為重要。

在輸出交流側(cè)，鎖相環(huán)確保逆變器輸出與電網(wǎng)保持同步。

逆變器并網(wǎng)

并網(wǎng)逆變器先將光伏陣列輸出的直流電逆變成與公共電網(wǎng)等電壓、同頻率、同相位的交流電，之后再并入公共電網(wǎng)，因此電網(wǎng)對逆變器輸出能力都會提出強(qiáng)制要求，即所謂的‘電網(wǎng)碼’，例如歐盟的EN50549作為并網(wǎng)準(zhǔn)入要求對光伏電站并網(wǎng)時輸出性能做出了約束，典型的重要要求包括：

保護(hù)功能：主要包括過欠壓保護(hù)、過欠頻保護(hù)、電網(wǎng)不平衡保護(hù)、孤島保護(hù)等能力；

電能質(zhì)量：例如電流畸變、電壓波動、電壓閃變等要求；

抗電網(wǎng)擾動：主要包括低壓穿越、高壓穿越、頻率穿越、電網(wǎng)重連等功能；

調(diào)度響應(yīng)：滿足功率因素、有功調(diào)度、無功調(diào)度性能要求；

不同國家的電網(wǎng)碼會對電站并網(wǎng)指標(biāo)做出詳細(xì)要求，逆變器并網(wǎng)前須具備相關(guān)國家認(rèn)證并在電站設(shè)計階段進(jìn)行合理配置已滿足電網(wǎng)要求。

另外，關(guān)于組串式和集中式逆變器，由于顆粒度、拓?fù)洌惺酵ǔ２痪邆銪OOST）上的差異，性能上組串式逆變器無論在場景適應(yīng)性、系統(tǒng)運維、電站數(shù)字化和發(fā)電量上都相對于集中式通常存在優(yōu)勢，但在初始投入（設(shè)備+安裝）上集中式更有優(yōu)勢，所以目前根據(jù)項目所在區(qū)域技術(shù)及商業(yè)特點不同，在地面電站中各有各自的優(yōu)勢地區(qū)。當(dāng)然，雙方在設(shè)計上都有逐步向?qū)Ψ娇繑n的趨勢，希望做到取長補(bǔ)短，對于未來的演進(jìn)趨勢，最大的變量應(yīng)該還是在儲能在光伏系統(tǒng)中的滲透會導(dǎo)致雙方的格局發(fā)生改變。