光伏发电用的功率调节器及其高效率化技术

1前言

近年来，从地球环境保护、化石能源枯竭等观点看，利用自然能源的太阳能（光伏）发电正急速的扩展。而且，在许多国家实施了引进设备时的经费补贴制度和购电补偿制度等政策扶持，随后不断推进着太阳能发电的普及。全世界的光伏市场，2008年就已达5.95GW，预计在此基础上，今后必将稳步的提升和扩大。

一片单晶硅构成的太阳能电池称为单体(cell)，由多数太阳能单体组成的构件称为太阳能模块(Module)，将多个模块串、并联结即构成太阳电池模块群。由模块群构成的大型装置则称为太阳能电池阵列。

太阳能发电系统如图1所示，是由太阳能电池模块群和逆变器组成的，逆变器的作用是将发出的直流电变换成交流电，这一电力电子变换器也称为功率调节器(powerconditioner)。

功率调节器具有以下功能：

(1)尽可能大的输出太阳电池的发电功率[最大功率点跟踪(MPPT)控制功能]

(2)高效率的将直流电力变换为交流电力（逆变器功能）

(3)将发出的电力输送至电力系统（向系统并网功能）

(4)检测出电力系统的异常后停止发电（系统联结保护功能）

本文对功率调节器的功能与结构，有关功率调节器的高效率化技术予以介绍。

2功率调节器的功能与结构

如上所述，功率调节器具有MPPT功能与转换直流为交流的功能。本节就有关实现这些功能及这一变换器的结构予以说明。

2.1MPPT功能

太阳光照射的能量，当温度改变时，太阳电池模块的电压与电流、电压与发电功率的关系，如图2所示。由图可见，对于太阳电池来说，存在输出最大功率的电压条件。太阳光照射能量的强弱，即太阳电池的温度，其特性是变化的。功率调节器，就是经常不断对太阳电池在其工作条件下获得最大功率的电压值进行控制的器件。

2.2功率调节器的结构

功率调节器的电路结构如图3所示。太阳电池的直流功率输入至斩波电路，在高效的取出太阳电池功率（最大功率点跟踪）的同时，应在逆变器前先变换成必要的直流电压；然后将输入的直流功率变换成交流功率，并控制其输出的电流达到所希望的交流电流。逆变器的输出因是脉冲状的电压波形。故由线圈和电容器组成的输出滤波器再变换成平稳的正弦波电压。输出滤波器与系统电压之间必须相互对应，接通和切除系统与逆变器的连接，应装配并网（并入系统）的开关，藉助控制回路对各部分电路进行控制。

功率调节器的斩波电路，在逆变器中会产生功率损失。构成各个电路的半导体开关元件、线圈、电容器，配线，由于电流的流通会产生正常的固定损失（导通损失），半导体开关元件通断电流时会产生过渡损失（开关损失），这些都是损失的重要因素。为了实现功率调节器的高效率化，关键是如何降低导通损失和开关损失。导通损失减小后，取决于所用电路元件性能的部分则增大；要使开关损失减小，在降低开关电压和减小开关次数方面下功夫是有效的。3高效率逆变器(阶梯控制型逆变器)

已知，阶梯控制型逆变器是作为力求逆变器低损耗化的一种方式。图4所示为逆变器的结构例子以及输出电压的波形。阶梯控制型逆变器，是将电压不同的多个逆变器串联连接，使各个逆变器的输出组合一起，获得模拟的正弦波电压的一种方式。各个逆变器的电压，形成级差为2或者级差为3的等差级数关系。阶梯控制型逆变器的输出波形为阶梯形状，并将其各个电平称之为阶调电平。例如，级差为2的三位数(Vo2Vo4Vo)阶梯控制型逆变器场合下，能得到两级15个阶梯，而级差为3的三位数(Vo3Vo6Vo)场合下，则能得到两级27个阶梯的输出。

阶梯调制器逆变器的特点如下：(1)由于开关频率能大幅度降低，故为低损耗、低噪音的器件；(2)由于电压的幅值小，能使输出滤波器设计得更小，能实现小型化；(3)因以各个逆变器产生的电压总和得到输出电压，故能产生比输入电压更高的交流电压。

而且，由特点(3)，能将直流母线电压设定得比原来方式的更低，还具有逆变器前段的斩波回路损耗降低的效果。

阶梯控制型逆变器，由从外部输入直流电压的主逆变器，和与其串联连接的副逆变器组成。输入主逆变器的直流电压，通过DC/DC变换器向副逆变器供给直流电压；如加上DC/DC变换器的功率变换损失，则不能实现高效率。对于阶梯控制型逆变器，采用了不必追加DC/DC变换器的情况下，向副逆变器供给直流电力的技术。

输入主逆变器的直流功率，按表1所列说明，分别送至副逆变器，输出所需的电压。表中，列出的是级差为2的三位等差级数场合。此时，在单极性下能输出8个电平的电压(0Vo~7Vo)。例如，输出Vo时能选择(0,0,Vo)，(0,2Vo,-Vo)，(4Vo,-2Vo,-Vo)三个方法。从（4Vo,-2Vo,-Vo）场合可见，主逆变器供给副逆变器[p] 率的情况。这样一来，不仅输出所需的电压，而且实现了向副逆变器的电力供给。

4应用阶梯控制型逆变器的功率调节器

对应用阶梯控制型逆变器技术的功率调节器予以说明，有关电路结构，操作原理叙述如下。本功率调节器，是在对上述副逆变器供给电力的方法上下一番功夫；向副逆变器供电的方法，以及通过太阳电池寄生电容流过的漏电流，如何降低其漏流等有关情况介绍如下。

4.1应用阶梯控制型逆变器技术的功率调节器

阶梯控制型功率调节器的电路结构如图5所示。新近专门开发的功率调节器示于图6，调节太阳电池输出直流功率的斩波回路，由与原来相同的线圈，半导体开关元件，以及二极管构成。逆变器部分，是由3台全桥(fullbridge)电路组成的不同逆变器组成，包括主逆变器(1B)开关切换输入的直流电压，以及与其串联连接的副逆变器(2B、3B)。一般，太阳电池中发出的直流功率在功率调节器部分变换成交流功率之际，会产生功率损耗。原来的逆变器是使用一台逆变器，产生高电压高频率的矩形波通过滤波回路，修整成正弦波。

如上所述，阶梯控制型逆变器，是由电压不同的3台逆变器组合而成，生成阶梯形模拟正弦波。由于电压的振幅小，滤波电路可实现小型化，故功率变换时的损耗大幅度减小。图7所示为：主逆变器和副逆变器输出电压的波形，全部逆变器的输出电压波形，以及通过输出滤波器后的输出电压波形。本功率调节器的阶梯控制型逆变器，因2个副逆变器较少，副逆变器对正弦波电压与主逆变器矩形波电压的差电压进行补偿的PWM操作，将输出的电压波形修整成正弦波形。

4.2向副逆变器提供功率的方法

阶梯控制型功率调节器是由3台逆变器串联连接的。从太阳电池得到的电力，送至输入电压最大的主逆变器，向其它副逆变器2B-1NV、3B-1NV供给电力，需要通过别的途径。下面介绍有关向副逆变器供给电力的方法。1B-1NV的输出电压波形如图8所示，正弦波的半周期内一次输出1脉冲波形。另方面，2B-1NV与3B-1NV的输出电压是相等的，藉补偿目标输出电压与1B-1NV输出电压差额的PWM控制来进行输出。令各逆变器1B-1NV、2B-1NV、3B-1NB处理的功率为P1B、P2B、P3B，输出有效功率为P。令各逆变器的输入电压为VC1、VC2、VC3，输出正弦波电流峰值为Im，电压峰值为Vm，交流电压的频率为fs，各项功率则表示如下：

(1)

Po=VmIm/2(2)

对连接于功率调节器的负荷而言，假定是在正弦波、功率因数＝1的电流流过的场合。Po=P1B时，2B-1NV和3B-1NB输出的综合功率量为零。从而，通过2B-1NV、3B-1NV输出脉冲宽度的增减，可以控制流向2B-1NV、3B-1NV的功率量。在图8所示的区域A，由2B、3B-1NV的能量进行放电，在区域B则向2B、3B-1NV进行充电。

4.3通过太阳电池寄生电容流过的泄漏电流减小的方法

主逆变器如图9所示，配备了2个MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）QZ1、QZ2构成的零切换电路，零切换是在1B-1NV不动作的低电压输出范围，不通过由Q1~Q4构成的逆变电路，直接连接2B-1NV和3B-1NV，输出零电压。来采用零切换电路的逆变器回路中，一旦零电压输出，就接通逆变器回路的高压侧或低压侧的开关。向这一零电压输出或从这一零电压输出的操作交替进行时，通过太阳电池模块的寄生电容将急剧的产生漏泄电流。为防止这一漏泄电流，输出1脉冲的1B-1NV配备了零切换电路，藉助零切换的操作则输出零电压。

5应用阶梯控制型逆变器的功率调节器特点

本节介绍有关阶梯控制型功率调节器PV-PN40G的特点。这一功率调节器，将功率转换时的损耗比原来的降低44%，达到了同业界最高的功率变换效率97.5%（2010年6月迄今，三菱公司的调查结果）。而且，如图10所示，在广范围的输出功率区内，实现了比额定效率更高的变换效率（97.5%以上）。

因功率变换时的损耗产生的热大幅度降低。故不需要散热用的空气流入口，提高了密封度。由此，也大幅度提高了耐潮湿性能。原来不能设置的脱衣室、洗脸间等设施现在均能配置。同时，因电压振幅的减小，由滤波电路的线圈产生的噪音可以抑制，实际运转工况下，实现了业界顶级的30dB低噪音。

再者，输入电压范围由原来DC115-380V扩展到DC50-380V。由此，原来多矩阵变换器（nultarray-converter，内装升压功能的连接箱）必须3~6只模块串联配置。现在，没有标准的连接箱也能实现升压功能。不仅配置设计容易，而且也可降低系统的造价。

6结束语

以高效率化为目的，阐述了有关适用于太阳光发电用功率调节器的阶梯控制型逆变器技术。并为应用阶梯控制型逆变器而开发了向副逆变器供给电力的方法。对降低太阳电池寄生电容导致的漏电流的零切换电路，以及有关配备了零切换的逆变器结构等均作了介绍。此外，还展示了适用本技术的功率调节器PV-PN40G的特点。本产品实现了业界顶级的效率和极佳的静噪性能。

近年来，太阳光发电系统正在急速地扩大，因此，不能忽视太阳能发电对电力系统的影响。对于功率调节器而言，由于系统事故造成瞬时功率、电压的下降，功率调节器不能解列、停止，要求具有连续运转的功能，不仅要满足这一新功能，还要实现高效率化。开发这种功率调节器是非常必要的。