简述光伏并网逆变器

摘要：逆变器在光伏发电系统中是将光伏组件输出的直流电转换为交流电的转换装置，本文以皮山光伏电站特变TC500KH逆变器为例，先对光伏并网发电系统进行了概述，再对逆变器各元器件进行了介绍，结合MATLAB/simulink对三相全桥逆变过程进行了阐述，总结了光伏并网逆变器常见的故障及处理方式，以及如何开展后期的检查巡视做出了建议，也对未来的光伏并网逆变器进行了展望。

一、光伏发电并网系统简介

光伏并网发电系统主要由光伏阵列、汇流箱、并网逆变器、升压变压器等组成。如下图1所示为光伏发电并网系统的拓扑图，光伏组件将太阳释放的太阳能转换为直流的电能，再经过汇流箱把光伏阵列送入的电能进行汇流，然后通过并网逆变器将直流电转化为与电网同频率、相位幅值可控的正弦波电流，最后通过变压器匹配电网电压馈入电网。

图1 光伏并网发电系统

如图2所示为皮山光伏电站TC500KH型并网逆变器的主电路结构，该逆变器通过三个全桥变换器将光伏阵列输入的直流电变换为交流电，并通过滤波器滤波成正弦波电流，然后进行变压器升压上网。

图2 光伏并网逆变器主电路结构图

并网光伏发电系统可将发出的电力直接送入公共电网，也可以就近送入到用户的供用电系统，由用户部分直接消纳，用电不足时可由公共电网进行补充。

二、500KW光伏并网逆变器的介绍

并网光伏逆变器的构成部分是功率调节、交流逆变、并网保护等，经过逆变器把直流电逆变为交流电，再将电能输送到变压器等设备进行上网，也就是俗称的卖电。当并网光伏系统因天气等原因造成发电不足或者自身用电量偏大时，将由公共电网向用户负载进行供电，也就是所谓的买电。并网光伏逆变器是“日发夜用”的特性，可对公共电网进行峰谷调节，为公共电网提高了供电的稳定性和可靠性。

2.1名词解释

（1）逆变：将直流电能变换为交流电能的过程称为逆变；

（2）最大功率点的追踪（MPPT）：MPPT实质上是一个自寻优过程，即通过控制阵列端电压，使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。太阳能电池阵列的开路电压和短路电流在很大程度上受日照强度和温度的影响。因此，太阳能电池阵列必须实现最大功率点的追踪，以便阵列在当前日照下不断获得最大功率的输出。

（3）总谐波畸变（THD）：THD是Total Harmonic Distortion 的缩写，THD表示电流谐波总畸变率。其中为总谐波电流的有效值。为基波电流有效值。其定义为：

THD反映了光伏并网逆变器输出交流电的干净程度。其THD越小越好（根据相关的标准要求：500KTL的额定负载电流THD<3% ）

（4）逆变器的损耗:逆变器的损耗等于IGBT的损耗+电抗器损耗+散热系统损耗+控制系统损耗

（5）低电压穿越：逆变器交流侧电压跌至0时，逆变器能够保证不间断并网运行0.15S后恢复至标称电压的20%；整个跌落时间持续0.625S后逆变器交流侧电压开始恢复，并且电压在发生跌落后2S内能够恢复到标称电压的90%时，逆变器能够保持不间断并网运行。

（6）孤岛保护：所谓孤岛效应是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛现象。根据鉴衡标准，若逆变器并入的电网供电中断，逆变器应在2S内停止向电网供电，同时发出警示信号。

2.2 500KW光伏并网逆变器参数

关于500KW光伏并网逆变器的参数如表1所示。

表1 伏并网逆变器参数

三、光伏并网逆变器元器件的介绍

TC500KH型逆变器整体可以分为两大部分：直流侧和交流测。其逆变环节采用三相全桥逆变，其拓扑结构如图3所示。

图3 三相全桥逆变的拓扑结构

该电路由6个功率开关管和6个续流二极管以及带中性点的直流电源组成。每个桥臂导通方式为180°，同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°，任一瞬间有三个桥臂同时导通。每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，也被称为纵向换流。

图4 三相全桥逆变电路的工作波形

3.1直流断路器

TC500KH逆变器可接入8台汇流箱，则对应的直流侧有8台断路器，如图5所示，其型号为TmaxTs3L 250,为满足直流电网保护分断时所需的较高分断能力和灭弧特性，Tmax塑壳断路品采用先进的“磁吹弧”技术，利用独特的触头设计，使电弧在磁场的作用下被“吹”进灭弧室。灭弧栅片采用窄缝设计，减少了电弧进入灭弧室的阻力并拉长了电弧，增加了电弧与栅片的接触面积，加速了电弧的冷却，当触头开始拉弧时，高温的电弧使特殊的灭弧室材料表面瞬间气化，在灭弧室内产生高压气体，高压气体从出口高速喷出，同时带动电弧快速进入灭弧室，加速直流的灭弧。

图5 直流断路器

3.2功率模块单元的主要元器件

（1）直流母线支撑电容：如图6所示，直流母线电容吸收逆变单元向直流侧索取的高幅值脉动电流，使直流电压波动保持在允许的范围内。

图6 直流母线支撑电容

（2）功率电阻：如图7所示，当逆变器停止工作时，直流母线支撑电容与功率电阻构成回路，把直流母线支撑电容里面的电能释放掉，放电时间约30分钟。

图7 功率电阻

（3）吸收电容：如图8所示，吸收电容的耐压为1600V，吸收电容主要用来吸收IGBT开关过程中产生的电压尖峰。

图8 吸收电容

3.3绝缘栅双极晶体管（IGBT）

如图9所示，为绝缘栅双极晶体管，基本参数为VCE=1200V， IC=1400A。

图9 绝缘栅双极晶体管

3.4控制盒

控制盒是整个逆变器的核心，如图10所示，它实现了信号的采集，处理与运算。同时向IGBT的驱动板发PWM波。除此之外，控制盒内还有“加热器”和“ 低电压穿越板”。

图10控制盒

3.5交流柜

直流电经过三相逆变全桥，再经过LCL滤波器，将直流电转化为正弦波交流电。经过“AC接触器”和“交流EMI滤波器”，最终再经过断路器将交流电送入电网。 如图11所示，其中,“交流EMI滤波器”是由“磁环”和“电容”组成。用来滤除交流侧的干扰。

图11交流柜

（1）交流ABB接触器：接触器实现了逆变器和电网的连接，逆变器通过接触器触点向电网输出电流，额定工作电压为1000V，额定工作电流1260A，环境温度55度电流1040A，

（2）交流AC滤波电容：AC滤波电容与电抗器组成了LCL滤波器，AC滤波电容帮助低通滤波器将逆变全桥输出的高次谐波滤除掉，将方波变成正弦波。

四、光伏并网逆变器逆变过程介绍

特变TC500KH采用三相桥式逆变电路，采用IGBT作为开关器件，PWM控制技术对脉冲进行调制，根据三相电压型PWM逆变电路结合MATLAB/simulink相关的知识，对逆变器系统搭建进行详细说明，最终实现从直流电到交流电的转化。

4.1 PWM控制技术

PWM控制技术实际就是斩波控制技术，就是对脉冲宽度进行调制的技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需要的波形，三相电压型PWM逆变电路主要实现功能就是将直流电压变换成交流电压，如下图12所示，图中的U、V、W三相的PWM控制通常公用一个三角载波Uc，三相调制信号Uru、Urv、Urw依次相差120°。U、V、W各相功率开关器件的控制规律是相同的，现在以U为例。

当Uru＞Uc,给上桥臂V1导通信号，给下桥臂V4关断信号，则U相相对于直流电源假想中的点输出电压Uun=Ud/2。

当Uru＜Uc，给V4导通信号，给V1关断信号，则Uun=-Ud/2。但V1与V4的驱动信号始终是互补的，当给V1(V4)加上导通信号时，V1(V4)可能导通，也有可能二极管VD1(VD4)续流导通，这是由阻感负载中得电流方向决定，这就是三相桥式电路的双极性调制特性，由上分析，则Uun的波形幅值等于Ud/2的矩形波，V、M两相情况和U类似，得到的电路波型如图13所示。

图12 三相桥式PWM逆变电路

图13 三相桥式PWM逆变电路波形

4.2 三相桥式逆变电路的仿真设计

4.2.1整体介绍

为了更加直观的了解逆变器的逆变过程，利用MATLAB/simulink仿真平台，建立了三相桥式逆变电路，如图14所示。

图14 三相桥式逆变电路仿真图

其中，直流侧输入电压为DC750V，主电路模块为通用桥臂，核心元件为IGBT,其既有MOSFET的高输入阻抗又有GTR的低导通压降的优点，驱动功率小而饱和压降低，集成模块如图15所示，是系统进行直流到交流变换的核心，内部包含了六个IGBT和六个电力二极管。经过逆变后接入LCL滤波器，LCL滤波器可以滤除PWM的谐波，是一种典型的滤波器件，它是用电感、电容、及电阻经选择性搭配得到的，它在滤除波形的同时又能进行无功功率的补偿，这样可减少对电力电子器件损耗，对其工作具有保护作用。

图15 IGBT模块

本次模拟采用的LC滤波器用来滤除逆变器交流侧部分产生的谐波电流，这样就能更好的对交流侧所产生的正弦电流波形进行控制，由于考虑美观，将其进行封装，内部结构如图16所示。

图16 LC滤波器内部电路图

4.2.2仿真结果分析

根据仿真分析，如果要让PWM控制的电压波形在任一时间段，都能近似等效于此时的调制电压波形，就要满足两点要求：一是各个时间片段波形的幅值相等；二是这样的时间片段内电压的脉冲宽度一定要窄，也就是要有巨大数量的脉波。换而言之就是要使输出的非连续的线电压能更好的接近于给定的调制正弦波形，就要把脉波的数量提高，这样可以通过调整PWM发生器的载波频率来实现，如图17所示为载波频率为500Hz和2000Hz的对比图。

图17 （a）载波频率为500Hz输出的波形图

图17 （b）载波频率为2000Hz输出的波形图

如图18所示为直流750V经过逆变环节及滤波环节输出的正弦交流电，在0.02s-0.1s的4个 周期中U，V，W依次相差120°。

图18 输出正弦交流波形图

五、光伏并网逆变器常见故障及处理

5.1直流防雷模块故障

当触发硬件直流防雷模块故障信号时触发该告警并上报告警，没有任何逻辑动作，机器可以正常工作。解决方法如下：

（1）检查直流防雷模块的指示颜色是否由“绿色”变为“红色”；

（2）检查直流防雷模块的反馈节点是否存在松动现象。

5.2直流侧过压

由于非急停原因造成的硬件封波时，直流母线电压平均值超过阀值920V，触发直流过压；正常时直流母线电压平均值超过阀值950V，也触发直流过压。解决方法如下：

（1）采用万用表直流电压档测试逆变器直流侧的电压值，是否在正常的范围内。若直流侧电压超过920V，则说明直流侧的光伏组件串的太多，需要调整组件；

（2） 检查控制盒内主控板与采样板的排线是否存在松动，并与工作正常的逆变器对调控制盒，排除控制盒的问题。

5.3 A相/B相/C相IGBT过流

逆变器已经停机，从逆变器的液晶显示屏上获得逆变器报某相IGBT过流故障。解决方法如下:

（1）检查IGBT柜上的风机是否正常工作；

（2）对调控制盒，观察故障有没有转移；若没有转移则说明逆变器的控制发波方面不存在问题；

（3）观察IGBT模块的驱动板是否存在异常。若存在异常则对驱动板进行更换。

5.4 直流断路器断开

当触发硬件直流断路器断开信号时触发该告警，仅上报告警。直流断路器的状态反馈节点信号传送至“I/O模块”的“SK5端子”，最终送入I/O模块的DSP中，对信号进行处理。解决方法如下：

（1）观察断路器是否断开；

①若直流侧断路器没有断开，则紧固直流断路器的反馈端子，紧固I/O模块的SK5端子，并进行观察。

②对调“I/O模块”，并进行观察；

（2）若直流侧断路器断开，则需要把直流侧断路器进行复位。然后，启动逆变器让逆变器进行自检。

①用钳流表实测流过断路器的电流，观察电流是否过大。

②用红外测温枪，测量直流断路器上下端螺栓连接点处的温度，观察温度是否过高，若温度过高，则需要紧固连接点处的螺栓。

③紧固转接板上DC脱扣的端子，并进行观察。

④对调转接板与主控板，并进行观察。

5.5 PV阻抗异常

一般都是光伏组件、接线盒、直流电缆、逆变器、交流电缆、接线端子等部件有线路对地短路或者绝缘层破坏，MC4接头松动进水等。解决办法是断开逆变器与电网的连接点，依次检查各部件线缆对地的绝缘阻值，找到问题点，更换相应的线缆或接插件。

六、光伏并网逆变器展望

随着新技术、新产品的应用，也在不断的促进光伏逆变器技术的进步，对于逆变器的发展趋势，我个人认为表现在下面几个方面:

（1）集中式逆变器功率加大，效率提高，电压等级提高。目前已经开发出单机容量2.5MW的逆变器，2MW、2.5MW逆变器将被广泛应用，成为主流，与0.5MW单元系统相比，2.5MW的单元系统可降低成本。

（2）组串式逆变器单机功率不断提高，功率密度加大。目前最大功率已经做到80kW,功率密度也在不断提高，重量不断降低，以适应各类复杂的应用环境。40kW逆变器最低重量已经做到了39kg，高功率、高效率、高功率密度是逆变器未来发展的方向。

（3）电网适应性提高，各种保护功能更加完善。逆变器对电网的适应能力进一步加强，漏电流保护，SVG功能，直流分量保护，绝缘电阻检测保护、PID保护、防雷保护、光伏组件正负极接反保护等不断完善的保护功能，使光伏系统的运行更加安全可靠。

（4）逆变器的环境适应能力不断提高。随着沿海、沙漠、高原等各种恶劣环境下的光伏电站应用增多，逆变器的抗腐蚀性、抗风沙等环境适应性能不断提高，确保了恶劣环境下的高可靠性。

（5）“光伏+储能”的组合将成为解决“弃光”平滑输出以及构建智慧微电网系统的重要环节。

七、总结

本文简述了光伏并网系统，是由光伏阵列、汇流箱、并网逆变器、升压变压器等组成，着重介绍了逆变器的各元器件以及逆变过程，最终对逆变器常见的故障和处理方法进行整理，以及对未来的逆变器发展做出总结。（作者：新疆风能有限责任公司罗文）