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