光伏三相逆變器系列（一）：光伏行業(yè)及三相逆變器特點淺析

光伏發(fā)電是指利用光伏組件的光生伏特效應(yīng)，直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電形式。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原動力是以石油，煤，天然氣為代表的傳統(tǒng)能源日益枯竭。光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于農(nóng)村電氣化、通信和工業(yè)、并網(wǎng)發(fā)電、太陽能路燈和儲能產(chǎn)品。由于氣候保護和可持續(xù)發(fā)展等諸多方向的影響，全球?qū)稍偕茉吹男枨笤诓粩嘣黾樱@為光伏市場提供了良好的機遇。然而，光伏市場也面臨著一些挑戰(zhàn)，比如價格下跌導(dǎo)致的利潤率下降，及產(chǎn)業(yè)鏈上下游的激烈競爭等問題。

光伏未來發(fā)展趨勢

① 光伏發(fā)展規(guī)劃

“十四五”期間，國家發(fā)改委、國家能源局、財政部等多部門相繼發(fā)布了《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》和《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，提出到2025 年，可再生能源年發(fā)電量達到 3.3萬億千瓦時左右。“十四五”期間，可再生能源發(fā)電量增量在全社會用電量增量中的占比超過 50%，風電和太陽能發(fā)電量實現(xiàn)翻倍。

② 平價上網(wǎng)時代到來，技術(shù)創(chuàng)新推動成本加速下降

2021年6月7日，國家發(fā)改委發(fā)布的《關(guān)于2021年新能源上網(wǎng)電價政策有關(guān)事項的通知》（發(fā)改價格[2021]833 號）指出，自2021年起，對新備案集中式光伏電站、工商業(yè)分布式光伏項目，中央財政不再補貼，實行平價上網(wǎng)。2021年新建項目上網(wǎng)電價，按當?shù)厝济喊l(fā)電基準價執(zhí)行。太陽能光伏進入平價上網(wǎng)時代。

雖然光伏補貼“退坡”明顯，但對于已取得相應(yīng)補貼標準的光伏電站，其補貼標準 20 年不變；同時，對于新建光伏電站，在上游產(chǎn)能擴張和技術(shù)革新的推動下，近年來光伏電站的建設(shè)成本呈現(xiàn)大幅下降趨勢，根據(jù)國際可再生能源署（IRENA）公布的數(shù)據(jù)顯示，2021 年投運的地面大型光伏發(fā)電項目的加權(quán)平均 LCOE 同比下降 13%，降至 0.048 美元/千瓦時，總裝機成本不斷下降，有助于實現(xiàn)平價上網(wǎng)下的持續(xù)盈利。光伏發(fā)電將成為具有成本競爭力、可靠且可持續(xù)的電力來源，在市場因素的驅(qū)動下邁入新的發(fā)展階段，開啟更大的市場空間。

三相逆變器的定義及特點

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，是由直流轉(zhuǎn)為交流的關(guān)鍵。三相逆變器會影響效率，諧波，THD等關(guān)鍵性能參數(shù)，其控制系統(tǒng)的好壞直接影響整個光伏系統(tǒng)的性能。

圖1 直流電壓波形示意圖

圖2 輸出交流正弦示意圖

●   三相逆變就是由直流電壓轉(zhuǎn)換出的交流電壓為三相，即 AC-380V，三相電是由三個頻率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流電勢組成。

●   三相逆變器的定義就是將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的轉(zhuǎn)換器，其基本原理就是SPWM（正弦波脈寬調(diào)制），三相逆變電路由IGBT管子組成，要實現(xiàn)逆變，就得按一定規(guī)律觸發(fā)管子，而SPWM就是得到一定規(guī)律的觸發(fā)IGBT管子的脈沖的技術(shù)，通過SPWM調(diào)制得到的觸發(fā)脈沖，直接給IGBT的基極就可以了，實現(xiàn)了二者的互聯(lián)。逆變器的輸出是將直流電壓分割成若干個脈沖，這些脈沖的面積，正好等于正弦波的面積。通常情況下，一個周期內(nèi)脈沖的個數(shù)乘以50即為調(diào)制頻率。

●   硬件架構(gòu)為四個功率器件開關(guān)組成單相、三相橋式電路，橋式輸出至負載間串接低通濾波元件，控制回路具有兩個信號產(chǎn)生源，一個是固定幅值的三角波（調(diào)制波）發(fā)生器，一個為正弦波發(fā)生器，利用三角波對正弦波進行調(diào)制，就會得到占空比按照正弦規(guī)律變化的方波脈沖列，調(diào)制比不同，一個正弦周期脈沖列數(shù)等于調(diào)制波頻率除以基博頻率）。

●   三相逆變器根據(jù)每個橋臂的開關(guān)狀態(tài)分為2電平和3電平。

2L電平與3L電平的區(qū)別

如下是2L電平與3L電平電壓和電流波形圖：  

圖3 2L電平電壓和電流波形圖

圖4 3L電平電壓和電流波形圖

●   2電平 — 逆變器的每個橋臂只有兩種開關(guān)狀態(tài)：1態(tài)和0態(tài)，1態(tài)分別對應(yīng)Vao=Vd/2,  -Vd/2

●   3電平 — 逆變器的每個橋臂有三種開關(guān)狀態(tài)：1態(tài), 0態(tài), 2態(tài)分別對應(yīng)Vao=Vd/2,  -Vd/2, 0

●   三電平逆變器主要的特點是由多個電階合成的輸出電壓正弦波形，這樣在相同開關(guān)頻率條件下，與傳統(tǒng)的二電平逆變器相比，諧波含量大為減少，對電網(wǎng)的干擾越小

●   逆變器的功率主要為10-500KW，主要拓撲為INPC和TNPC。TNPC適用功率范圍為10-100KW，INPC適用功率為100-500KW

INPC和TNPC的結(jié)構(gòu)區(qū)別

如下是INPC和TNPC的結(jié)構(gòu)示意圖：

圖5 INPC 結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 TNPC結(jié)構(gòu)示意圖  

從結(jié)構(gòu)示意圖看，不同點如下：

●   INPC由4個IGBT和4個體二極管加2個續(xù)流二極管組成

●   TNPC由4個IGBT和4個體二極管組成

因此，承受母線電壓輸入最大電壓等級不同：

●   INPC能承受VDSmax=1500V

●   TNPC能承受VDSmax=1100V