光伏发电逆变技术的发展趋势及其解决方案

逆变器对于孤岛效应的控制，孤岛效应的检测 一般分成被动式与主动式。常常采用主动检测法如 脉冲电流注入法 、输出功率变化检测法、主动频率 偏移法和滑模频率偏移法等。随着光伏并网发电系 统进一步的广泛应用，当多个逆变器同时并网时， 不同逆变器输出的变化非常大。将来多逆变器的并 网通信、协同控制已成为其孤岛效应检测与控制发 展趋势。

2 高压、大容量逆变器的关键技术

目前，我国小型、低压用户直接并网的光伏逆 变器有了较成熟的产品，对于高压大功率并网逆变 器的研究正处于研制阶段。本文介绍了一种采用高 电压、 MW 级大容量并网的方式，并达到了高压并 网要求的技术。

该逆变器采用九电平变基准叠加 PWM 与矢量 控制相结合的控制方法来控制 IGBT 开关，通过三 相 IGBT 功率模块及优化的网络拓扑结构将直流逆 变成完美无谐波的正弦电压、电流波形，并采用数 学模糊集合基础上的频率偏移主动式反孤岛控制，与电网智能化软连接并网运行。

2.1 技术原理

2.2 九电平 IGBT 开关拓扑电路 逆变器采用的拓扑电路是变基准叠加技术的九 电平完美无谐波开关网络拓扑电路，如图 2 所示。

（1）结构及原理描述
如图 2 所示，变基准叠加技术的九电平完美无 谐波开关网络拓扑电路，由三个单相的开关网络拓 扑电路组成， U 相开关网络拓扑电路由 6 个二极管 D1-D6、D 10 个绝缘栅双极三极管 IGBT1-IGBT10、电 阻 R1、 R2 和电容 C1、 C2 构成。同理，开关网络拓 扑电路的 V 相和 W 相的所有元器件与 U 相的开关 网络拓扑电路完全相同。

电路中 IGBT1、 IGBT5、 IGBT4、 IGBT8 用作 PWM 控制， IGBT2 、 IGBT3 、 IGBT6 、 IGBT7 用作电平叠 加， 与其相对应的 D3、D4、D5、D6 均为箝位二极管。

IGBT 开关工作原理是：如图 2 所示，当 U 相 的开关 IGBT3、 IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相 的 IGBT2、IGBT7、IGBT8 导通时，在 V 相的 IGBT1 上施加 PWM 信号时，就会产生如图 3 所示的九电 平信号。如图 2 所示，当 U 相的 IGBT3、IGBT4 和 IGBT5、 IGBT6 以及 V 相的 IGBT2、 IGBT7 导通时， 在 V 相的 IGBT1 上施加脉冲宽度调制 PWM） （ 信号 时，就会产生如图 4 所示的四电平信号。 根据上述原理，配合不同的开关状态，可以产生出 -4E~4E 九个电平信号。在每一个电平台阶上， 可根据不同脉宽的 PWM 信号，模拟出本段的波形， 从而能够形成比较完美的正弦波。

（2）与传统技术进行比较的优势
本逆变器采用了上述结构与传统技术相比，具 有以下几点优势：
1）利用低电压、小功率的 IGBT 开关的组合实 现了大功率高电压逆变器的开关网络拓扑电路。
2）逆变器输出电压波形为九电平完美无谐波， 其 THD 各项指标均满足 IEEE 要求。
3）电路易于控制，用 PWM 控制去完成系统的 无功功率分布，进而达到使系统功率因数趋于 1。
4）与传统的多重化结构比较：若输出九电平波 形，多重化电路需要 16 个 IGBT 开关。本逆变器拓 扑电路采用叠加技术，每相只需 10 个 IGBT 开关。

2.3 九电平开关操作及并网运行主控制器原理

图 5 为九电平开关操作及并网运行主控制器原 理框图，其特点为：通过检测开关状态提高 IGBT 开关的可靠性和易操作性，并实时检测比较九电平 IGBT 开关输出端与电网端的电流、电压、频率、波 形等相关信息，完成智能化软启动并网运行及反孤岛运行的功能。



该主控制器包括主控制微控制器及辅助电路、 辅助控制微控制器及辅助电路、控制面板微控制器 及辅助电路、IGBT 开关检测电路、双端口随机存取 存储器和模拟信号偏置电路。

主控制微控制器与辅助控制微控制器之间采用 双端口随机存取存储器连接，完成传递 IGBT 开关 检测数据及软启动开关的数据， 相互传递通讯信息， 完成优化控制功能。

IGBT 开关检测电路与主控制微控制器和辅助 控制微控制器连接，使主控制微控制器及辅助控制 微控制器实时准确的检测所有 IGBT 开关的切换状 态及关断状态，为主控制微控制器及辅助控制微控 制器提供可靠的开关状态信息，使主控制微控制器 及辅助控制微控制器可准确无误的向九电平 IGBT 开关拓扑电路发出触发信号，同时避免了开关切换 时的状态混叠现象，保证 IGBT 开关有序的切换。 模拟信号偏置电路与主控制微控制器和辅助控 制微控制器连接，为主控制微控制器和辅助控制微 控制器提供被控电网的电压及电流参数。

主控制微控制器及辅助电路包括主控制微控制 器芯片，用于接收由 PT、 CT 转化后的信号而自动 检测直流系统及电网的参数并动态的建立其数学模 型，计算直流系统运行的所有参数并输出相应的指 令，控制输出给电网的电压为期望的九电平波形， 电流为完美无谐波的正弦波形，使逆变器与电网系 统功率因数趋于 1.0。

同时，主控制微控制器（ MCU）和辅助控制微 控制器（ MCU）还与智能化软启动连接及反孤岛运 行控制部分相连，实时采集处理软启动开关两侧的 电流、电压、频率变量完成智能化软启动并网运行 及主动反孤岛式运行的功能。