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　　1 背景

　　當(dāng)前，“碳中和”已成為全球可持續(xù)發(fā)展的理念共識(shí)。 我國(guó)在“雙碳”戰(zhàn)略的指引下，近年來可再生能源實(shí)現(xiàn)突破式 發(fā)展，步入高質(zhì)量發(fā)展新階段，其中尤其以光伏發(fā)電的增長(zhǎng) 勢(shì)頭迅猛。2023年光伏新增裝機(jī)創(chuàng)下新高，根據(jù)國(guó)家能源局 數(shù)據(jù)，截至2023年12月底，全國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá) 6.1億千瓦，正式超越水電，成為全國(guó)第二大能源。同時(shí)，光 伏新增裝機(jī)容量達(dá)到216.88GW，同比增長(zhǎng)148%，也創(chuàng)下歷 史新高，如圖1所示。

　　2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

　　光伏發(fā)電系統(tǒng) (Photovoltaic Generation System)， 簡(jiǎn)稱光伏(PV)，是指利用光伏電池的光生伏特效應(yīng)，將太 陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示。光伏發(fā) 電系統(tǒng)的能量來源于取之不盡、用之不竭的太陽(yáng)能，是一種 清潔、安全和可再生的能源。光伏發(fā)電過程不污染環(huán)境，不 破壞生態(tài)。一般光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池、逆變器、并網(wǎng) 箱、支架、交直流線纜等組成。

　　而逆變器(Inverter)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中核心的電力 轉(zhuǎn)換功能模塊，它可以將光伏電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為市電 頻率一致的交流電反饋回市電系統(tǒng)或供交流設(shè)備使用。光伏 逆變器的種類有并/離網(wǎng)型;單相和三相，根據(jù)隔離的要求分 為工頻隔離/高頻隔離/非隔離，根據(jù)功率大小又分微型逆變 器;組串式逆變器;集中式逆變器等，不同類型的逆變器電路 架構(gòu)也不一樣，接下來將以組串式單相并網(wǎng)逆變器來做介紹。

　　3 光伏逆變器MPPT原理解析

　　太陽(yáng)能光伏電池組的輸出功率受到多種因素的影響， 包括光照強(qiáng)度、溫度和陰影等，光伏電池組的 IV 特性曲線 顯示了在不同條件下的電流和電壓之間的關(guān)系，由于其輸 出曲線是非線性的，其中有一個(gè)特定的點(diǎn)稱為最大功率點(diǎn) (MPP)，如圖3所示。在該點(diǎn)上，電池組將輸出最大的功 率，為了使光伏電池一直工作在最大功率點(diǎn)上我們使用了MPPT 最大功率點(diǎn)追蹤( Maximum Power Point Tracking) 技術(shù)。

　　MPPT 技術(shù)是光伏逆變器中提高發(fā)電效率的關(guān)鍵技術(shù)之 一。通過實(shí)時(shí)調(diào)整光伏組件的工作電壓，MPPT 技術(shù)可以使 光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同的光照強(qiáng)度和溫度條件下始終保持在最 大功率點(diǎn)附近運(yùn)行，從而有效地提高了發(fā)電效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 采用 MPPT 技術(shù)的光伏逆變器相比傳統(tǒng)逆變器，發(fā)電效率可提高 10%。

　　那該如何來實(shí)現(xiàn)MPPT呢?我們可以通過對(duì)當(dāng)前光伏電池 輸出電壓U與電流I 的檢測(cè)，得到當(dāng)前光伏電池的輸出功率， 然后與前一時(shí)刻光伏電池的輸出功率相比，取兩者中較大的 值;在下一周期，再檢測(cè)U 、I 進(jìn)行比較，取較大的值，如此循 環(huán)，便可實(shí)現(xiàn) MPPT 控制了，這種控制方法也叫觀察擾動(dòng)法。

　　如果光伏電池電壓高于逆變器母線要求的電壓，逆變器 將直接工作，MPPT電壓將繼續(xù)跟蹤到最大點(diǎn)。但達(dá)到最低母 線電壓要求后，將不能再繼續(xù)降低電壓了，如圖4所示，達(dá)不到 最大效率點(diǎn)，MPPT的范圍就很窄，大大地降低了發(fā)電的效率。

　　所以必須要想辦法來彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)來提高M(jìn)PPT的工作 范圍，在光伏電池低于逆變所需求的母線電壓時(shí)可以通過升 壓電路提高母線輸出電壓，系統(tǒng)增加了Boost電路來解決此問 題，將母線電壓固定在逆變所需的電壓，MPPT有無Boost電 路的對(duì)比如圖5所示，可以看到加入了Boost電路大大地增加 了MPPT的范圍。

　　如圖6所示，BOOST電路系統(tǒng)框圖，可以通過PWM技術(shù) 來控制開關(guān)管Q實(shí)現(xiàn)升壓，工程師朋友們知道BOOST電路占 空比D=(Vo-Vi)/Vo，其中Vo為輸出電壓，Vi為輸入電壓， 可以控制其占空比D的大小來實(shí)現(xiàn)輸出功率控制，輸出穩(wěn)定 的母線電壓也使得DC/AC逆變輸出的電壓電流波形更加的穩(wěn)定。

　　4 光伏逆變器DC/AC原理解析

　　光伏逆變器中需要將光伏電池得到的直流電裝轉(zhuǎn)換為和 電網(wǎng)電壓、頻率一致的交流電，為了實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換我們利用 逆變來技術(shù)實(shí)現(xiàn)。常見的單相光伏逆變器電路拓?fù)溆?顆開關(guān) 管以H的方式連接，這種連接方式也叫H橋，如圖7所示，通 過SPWM(正弦脈寬調(diào)制)控制得到正弦波輸出。

　　正弦脈寬調(diào)制法(SPWM)是將每一正弦周期內(nèi)的多個(gè) 脈沖作自然或規(guī)則的寬度調(diào)制，使其依次調(diào)制出相當(dāng)于正弦 函數(shù)值的相位角和面積等效于正弦波的脈沖序列，形成等幅 不等寬的正弦化電流輸出。

　　SPWM又分單極性SPWM和雙極性SPWM，如圖8和圖9 所示。

　　單極性SPWM調(diào)制波的正半周期輸出是+Udc，在調(diào)制波 的負(fù)半周期輸出的是-Udc，H橋輸出端的電壓變化是從+Udc 到0，再?gòu)?到-Udc，變化幅度相對(duì)于雙極性來說縮小了一 半。調(diào)制波的正半周期內(nèi)S3全程關(guān)斷，S4全程導(dǎo)通，此時(shí)給S1和S2輸入互補(bǔ)的PWM，電壓輸出0~+Udc。 調(diào)制波的負(fù) 半周期內(nèi) S1全程關(guān)斷，S2導(dǎo)通，此時(shí)給S3和S4輸入互補(bǔ)的 SPWM，電壓輸出-Udc~0。

　　雙極性SPWM調(diào)制開關(guān)管S1和S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，S2和 S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，且S1/S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和S2/S3的互補(bǔ)，電 壓變化是直接從+Udc變換到-Udc。

　　單極性SPWM和雙極性SPWM在光伏逆變器SPWM控制技術(shù)中各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

　　單極性SPWM的優(yōu)點(diǎn)包括：

　　(1)單極性SPWM是一種簡(jiǎn)單的調(diào)制方式，只需要使用 一個(gè)單極性信號(hào)就可以完成調(diào)制，因此更容易實(shí)現(xiàn)和調(diào)節(jié)。

　　(2)單極性SPWM可以降低電路中的干擾噪聲，同時(shí)安 裝成本更低。

　　(3)單極性SPWM下功率器件的功率損失更小，效率更高。 單極性SPWM存在的缺點(diǎn)：

　　(1)單極性SPWM中的脈沖源會(huì)帶來額外的負(fù)載，并且 還可能導(dǎo)致線圈震動(dòng)，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　(2)單極性SPWM中輸出電壓的紋波比較大，影響電路 的穩(wěn)定性。

　　(3)單極性SPWM只能實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)變流，輸出電壓的平均 值大于0，而雙極性SPWM可以控制電壓的正負(fù)，可以實(shí)現(xiàn)雙 向變流，輸出電壓的平均值為0，更適用于大部分變流應(yīng)用。

　　雙極性SPWM的優(yōu)點(diǎn)包括：

　　(1)雙極性PWM調(diào)制的輸出波形更加復(fù)雜，可以通過 改變脈沖的寬度和極性來精確控制輸出電壓，因此可以更好 地逼近正弦波。

　　(2)雙極性PWM調(diào)制可以通過改變極性來減小輸出電 壓的波動(dòng)，提高輸出電壓的質(zhì)量。

　　(3)雙極性PWM調(diào)制可以在一定程度上提高系統(tǒng)的利 用率，使得輸出電壓能夠更接近于電源電壓。

　　雙極性SPWM的缺點(diǎn)包括：

　　(1)與單極性SPWM相比，雙極性PWM調(diào)制的控制電 路相對(duì)復(fù)雜，成本較高。

　　(2)雙極性SPWM下功率器件的功率損失更大，效率較低。

　　綜上所述，單極性SPWM和雙極性SPWM在光伏逆變器

　　SPWM控制技術(shù)中的應(yīng)用各有優(yōu)勢(shì)和局限，選擇哪種方式取 決于具體的應(yīng)用需求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮。

　　5 光伏逆變器解決方案

　　系統(tǒng)可以采用霍爾類型的電流傳感器進(jìn)行安裝，其適 用于隔離條件下的交直流、脈沖電流和任何其他波形電流的 測(cè)量，測(cè)量時(shí)一次側(cè)與二次側(cè)完全絕緣。在-40~+105℃全 溫區(qū)下具有高精度、高線性的輸出特性，系列頻率帶寬高達(dá) 200KHz，額定電流范圍10-300A。產(chǎn)品設(shè)計(jì)安裝方式采用 PCB插件，具有可靠的固定引腳，安裝便捷且具有良好的散熱效果，可適用于光伏匯流箱、光伏逆變器組串、光伏逆變 器逆變電路、變頻器等工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用，如圖10。

　　6 總結(jié)

　　光伏逆變器是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其主 要作用是將太陽(yáng)能電池板輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供家 庭、商業(yè)或工業(yè)使用。光伏逆變器通過復(fù)雜的構(gòu)造和獨(dú)特的 工作原理，將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流電高效地轉(zhuǎn)換為 交流電，為各種用電設(shè)備提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。隨著電力電 子技術(shù)的發(fā)展，光伏逆變器將變得更加高效、智能和可靠， 為光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。