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一种新型逆变器优化光伏系统

发布时间:2020-07-21 18:21:01 阅读: 来源:防火保温板厂家

近年来光伏发电在各国的普及和应用取得可观的进展。作为电能转换的关键环节,电力电子变换器对于光伏系统的整体性能与可靠性占有举足轻重的地位。本文在简要回顾了太阳能市场近年来的发展之后,着重分析了逆变器>太阳能逆变器的设计需要并由此阐述了功率半导体器件与电路拓扑方面的优选原则。

本文引用地址:随着对绿色能源不断增长的需求, 太阳能发电近年来的迅猛发展引起了各方面的广泛关注。这样的高增长率预测是基于以下几个因素:目前过剩的生产能力已经将光伏系统的平均制造成本削减了百分之二十五;光伏系统的安装价格在持续下降;世界范围内各国与地区的政府补贴。中国太阳能资源非常丰富,近期来国家的补贴扶持政策陆续推出。如其中最具影响的金太阳工程DD提出对光伏并网项目和无电地区离网光伏发电项目分别给予50%及70%的财政补贴。

电力电子的设计对于太阳能发电系统的整体效能具有举足轻重的地位。由于光电转换板的效率很低,通常不超过百分之二十,因此太阳能逆变器的转换效率对于减小太阳能板总面积和系统总体积就至关重要。除此之外,在电能转换过程的功率损耗直接导致了半导体晶圆的温度升高,所以要通过散热器有效耗散这部分损耗能量。器件工作时的温升和热应力是影响可靠性的重要参数,换言之,减少功率变换损耗不仅节约了能源,还提高了系统可靠性,缩减了系统体积和成本。

电路拓扑

要把太阳能转换板输出的“粗电”(波动的直流电压)变成恒定可靠的正弦波交流市电,实现方式通常分为两种构架:单级变换和两级变换,也称为无直流斩波和有直流斩波式。有些时候也利于电力半导体器件的选取和系统成本优化。所以越来越多的厂商在开发或评估单级变换的架构,即使这样会面临更复杂的逆变器控制和潜在的更高器件耐量要求。在新的拓扑结构中,HERIC 和多电平结构吸引了业界更多的关注而且有望成为主流的拓扑形式,特别是在和电网相联的情况下。

图 1: HERIC 拓扑结构

图 2 :三电平钳位二极管拓扑。

如图1所示,HERIC逆变器的结构是在传统的单相逆变全桥基础上新增加了一对二极管串联开关反并联作为输出。新增电路中的开关器件以工频周波速度开关,对于器件速度没有特殊需求。在应用了适当的相位控制之后,这种电路能够更加有效地处理无功功率,从而提高整个系统的效率。

三电平二极管钳位逆变器是近来受到特别关注的一种新型太阳能逆变电路拓扑,它已被成功地使用在高电压的集中式太阳能发电应用中。图2所示的三相三电平电路的每个桥臂由4只带反并联二极管的开关串联而成,另外每相有一个二极管相臂跨接在主开关之间,且其中点和直流母线的中性点直接连通。这个二极管相臂起电压钳位的作用以保证电路工作时,每个主开关器件所受最大电压应力为母线电压的一半。由于这种特殊的拓扑结构,三电平输出具有低次谐波小(交流输出更接近正弦),电磁噪声水平低,所需开关器件的电压耐量低和级数可扩展等优点。在太阳能并网发电时,尤其适用于三相大功率高电压的场合。体现在三个方面:首先,实践证明,高压半导体开关器件的价格高于相同电流耐量一半电压耐量的低压器件的两倍,从而三电平电路的器件成本更低;其次,输出电压的谐波小,所需的滤波器磁性元件尺寸大为减小,从而降低了滤波设备成本;最后,由于开管数量的增多,即使在脉宽调制方式下,三电平的部分主开关可以在低频下开关,就可以采用相对经济的开关器件。

电力电子器件的常用种类和选型原则

用于广义的太阳能逆变器(含输入直流斩波级)的功率半导体器件主要有MOSFE是一种金属-氧化层-半导体-场效晶体管,简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”的极性不同,可分为n-type与p-type的MOSFET,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。 IGBT, Super Junction MOSFET。其中MOSFET速度最快,但成本也最高。与此相对的IGBT则开关速度较慢,但具有较高的电流密度,从而价格便宜并适用于大电流的应用场合。超结MOSFET介于两者之间,是一种性能价格折中的产品,在实际设计中被广为应用。为了帮助设计人员量化的分析效率和器件成本之间的关系,表一罗列了三种半导体开关器件的功率损耗和价格因素,为了便于比较,各参数均以MOSFET情况作归一化处理。

表1 常用开关器件的性能与价格对照表 (所有数字以MOSFET情况归一化)

除去以上最典型的三类全控开关器件,业界还存在像碳化硅二极管和ESBT? 等基于新材料和新工艺的产品。它们目前的价格还比较高,主要应用于对太阳能发电效率有特殊要求的场合。但随着生产工艺的不断进步和器件单价的下降,这类器件也将逐步变为主流产品,甚至替代上述的某一类器件。

工业界的最新产品

由于太阳能发电市场的庞大规模与发展潜力,世界各大半导体生产厂商都竞相推出自己的产品追逐市场。近几年来,各种针对太阳能功率变换的新器件和新技术层出不穷。在如火如荼的市场竞争中,美高森美(microsemi)的太阳能系列产品以其先进工艺和应用技术而独树一帜。

混合器有多种,各自定义都有不同,但是按词意是指把两种不同的物品混合在一起的工具就叫做混合器。电视信号混合器将两套以上的不同频率的射频信号混合在一起形成一路宽带的射频信号多频道节目输出的器件为混合器。电视信号混合器是为有线电视多频道的邻频前端系统设计的专用混频设备,电路结构采用传输变压器式耦合方式,用于1000MHz邻频宽带传输系统,关键磁性材料采用原装进口,谐波输出低,反射损耗大,驻波小,相互隔离度高,插入损耗低,输入频带宽,16路信号输入,混合成1路信号输出,1路信号监测,每一路指标都相同,输入频道互换性好,19英寸标准机箱,便于安装,广泛应用于各类有线电视系统,卫星电视系统,小区闭路电视、监控系统,宾馆、酒店、部队、学校教育视听系统等,能很好的满足大、中型有线电视系统的配置要求。

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