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新一代逆变器优化光伏系统设计

上网日期: 2010年11月19日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:逆变器? 光伏系统? MOSFET? IGBT?

目录:近年来光伏发电在各国的普及和应用取得可观的进展。作为电能转换的关键环节,电力电子变换器对于光伏系统的整体性能与可靠性占有举足轻重的地位。本文在简要回顾了太阳能市场近年来的发展之后,着重分析了太阳能逆变器的设计需要并由此阐述了功率半导体器件与电路拓扑方面的优选原则。

随着对绿色能源不断增长的需求, 太阳能发电近年来的迅猛发展引起了各方面的广泛关注。2009年度以美国为例,太阳能工业总产值在整体经济低迷的形势下仍增长了百分之三十六,并吸引了高达14亿美元的风险投资。据有关方面的可靠报导,在未来三年里,全世界对光伏发电系统的年需求将保持百分之三十的速度递增。这样的高增长率预测是基于以下几个因素:目前过剩的生产能力已经将光伏系统的平均制造成本削减了百分之二十五;光伏系统的安装价格在持续下降;世界范围内各国与地区的政府补贴。中国太阳能资源非常丰富,近期来国家的补贴扶持政策陆续推出。如其中最具影响的金太阳工程――提出对光伏并网项目和无电地区离网光伏发电项目分别给予50%及70%的财政补贴。可以相信,中国太阳能产业现在处于一个高速发展的时期。

电力电子的设计对于太阳能发电系统的整体效能具有举足轻重的地位。最高的转换效率永远是系统设计工程师考虑的首要因素。由于光电转换板的效率很低,通常不超过百分之二十,因此太阳能逆变器的转换效率对于减小太阳能板总面积和系统总体积就至关重要。除此之外,在电能转换过程的功率损耗直接导致了半导体晶圆的温度升高,所以要通过散热器有效耗散这部分损耗能量。器件工作时的温升和热应力是影响可靠性的重要参数,换言之,减少功率变换损耗不仅节约了能源,还提高了系统可靠性,缩减了系统体积和成本。本文将阐述以提高能效为目标的太阳能逆变器设计原则,并介绍市场上应运而生的各种新器件,新电路和最新控制技术。

电路拓扑

要把太阳能转换板输出的“粗电”(波动的直流电压)变成恒定可靠的正弦波交流市电,实现方式通常分为两种构架:单级变换和两级变换,也称为无直流斩波和有直流斩波式。直流-直流斩波器能够保持逆变器输入侧电压的恒定和可调,从而实现电压和功率控制之间的解耦。有些时候也利于电力半导体器件的选取和系统成本优化。但是,毋庸置疑,这一级额外的变换装置很可能对系统效率带来负面影响,所以越来越多的厂商在开发或评估单级变换的架构,即使这样会面临更复杂的逆变器控制和潜在的更高器件耐量要求。在新的拓扑结构中,HERIC? 和多电平结构吸引了业界更多的关注而且有望成为主流的拓扑形式,特别是在和电网相联的情况下。

图 1: HERIC 拓扑结构
图 1: HERIC 拓扑结构

 图 2 :三电平钳位二极管拓扑。
图 2 :三电平钳位二极管拓扑。

如图1所示,HERIC逆变器的结构是在传统的单相逆变全桥基础上新增加了一对二极管串联开关反并联作为输出。新增电路中的开关器件以工频周波速度开关,对于器件速度没有特殊需求。在应用了适当的相位控制之后,这种电路能够更加有效地处理无功功率,从而提高整个系统的效率。应当指出,这种拓扑结构现在仍然处于Sunways所获专利的有效期之内,因而在欧洲的应用相对于亚洲和北美要广泛。

三电平二极管钳位逆变器是近来受到特别关注的一种新型太阳能逆变电路拓扑,它已被成功地使用在高电压的集中式太阳能发电应用中。图2所示的三相三电平电路的每个桥臂由4只带反并联二极管的开关串联而成,另外每相有一个二极管相臂跨接在主开关之间,且其中点和直流母线的中性点直接连通。这个二极管相臂起电压钳位的作用以保证电路工作时,每个主开关器件所受最大电压应力为母线电压的一半。由于这种特殊的拓扑结构,三电平输出具有低次谐波小(交流输出更接近正弦),电磁噪声水平低,所需开关器件的电压耐量低和级数可扩展等优点。在太阳能并网发电时,尤其适用于三相大功率高电压的场合。此外,多电平电路对于系统成本的节约意义显著。体现在三个方面:首先,实践证明,高压半导体开关器件的价格高于相同电流耐量一半电压耐量的低压器件的两倍,从而三电平电路的器件成本更低;其次,输出电压的谐波小,所需的滤波器磁性元件尺寸大为减小,从而降低了滤波设备成本;最后,由于开管数量的增多,即使在脉宽调制方式下,三电平的部分主开关可以在低频下开关,就可以采用相对经济的开关器件。

电力电子器件的常用种类和选型原则

用于广义的太阳能逆变器(含输入直流斩波级)的功率半导体器件主要有MOSFET, IGBT, Super Junction MOSFET。其中MOSFET速度最快,但成本也最高。与此相对的IGBT则开关速度较慢,但具有较高的电流密度,从而价格便宜并适用于大电流的应用场合。超结MOSFET介于两者之间,是一种性能价格折中的产品,在实际设计中被广为应用。概括地说,选用哪类器件取决于成本,效率的要求并兼顾开关频率。如果要求硬开关在100千赫以上,一般只有MOSFET能够胜任。在较低频段如15千赫,如没有特殊的效率要求,则选择IGBT。在此之间的频率,则取决于客户对转换效率和成本的具体要求。系统效率和成本之间作为一对矛盾,设计工程师将根据其相应关系对照目标系统要求以确定最贴近系统要求的元件型号。为了帮助设计人员量化的分析效率和器件成本之间的关系,表一罗列了三种半导体开关器件的功率损耗和价格因素,为了便于比较,各参数均以MOSFET情况作归一化处理。超结MOSFET 工艺目前没有超过900V 的器件。


表1 常用开关器件的性能与价格对照表 (所有数字以MOSFET情况归一化)


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