光伏三相逆變器系列（一）：光伏行業及三相逆變器特點淺析

光伏發電是指利用光伏組件的光生伏特效應，直接將太陽能轉化為電能的一種發電形式。太陽能光伏產業發展的原動力是以石油，煤，天然氣為代表的傳統能源日益枯竭。光伏發電產品主要用于農村電氣化、通信和工業、并網發電、太陽能路燈和儲能產品。由于氣候保護和可持續發展等諸多方向的影響，全球對可再生能源的需求在不斷增加，這為光伏市場提供了良好的機遇。然而，光伏市場也面臨著一些挑戰，比如價格下跌導致的利潤率下降，及產業鏈上下游的激烈競爭等問題。

光伏未來發展趨勢

① 光伏發展規劃

“十四五”期間，國家發改委、國家能源局、財政部等多部門相繼發布了《“十四五”現代能源體系規劃》和《“十四五”可再生能源發展規劃》，提出到2025 年，可再生能源年發電量達到 3.3萬億千瓦時左右。“十四五”期間，可再生能源發電量增量在全社會用電量增量中的占比超過 50%，風電和太陽能發電量實現翻倍。

② 平價上網時代到來，技術創新推動成本加速下降

2021年6月7日，國家發改委發布的《關于2021年新能源上網電價政策有關事項的通知》（發改價格[2021]833 號）指出，自2021年起，對新備案集中式光伏電站、工商業分布式光伏項目，中央財政不再補貼，實行平價上網。2021年新建項目上網電價，按當地燃煤發電基準價執行。太陽能光伏進入平價上網時代。

雖然光伏補貼“退坡”明顯，但對于已取得相應補貼標準的光伏電站，其補貼標準 20 年不變；同時，對于新建光伏電站，在上游產能擴張和技術革新的推動下，近年來光伏電站的建設成本呈現大幅下降趨勢，根據國際可再生能源署（IRENA）公布的數據顯示，2021 年投運的地面大型光伏發電項目的加權平均 LCOE 同比下降 13%，降至 0.048 美元/千瓦時，總裝機成本不斷下降，有助于實現平價上網下的持續盈利。光伏發電將成為具有成本競爭力、可靠且可持續的電力來源，在市場因素的驅動下邁入新的發展階段，開啟更大的市場空間。

三相逆變器的定義及特點

光伏并網發電系統的核心是并網逆變器，是由直流轉為交流的關鍵。三相逆變器會影響效率，諧波，THD等關鍵性能參數，其控制系統的好壞直接影響整個光伏系統的性能。

圖1 直流電壓波形示意圖

圖2 輸出交流正弦示意圖

●   三相逆變就是由直流電壓轉換出的交流電壓為三相，即 AC-380V，三相電是由三個頻率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流電勢組成。

●   三相逆變器的定義就是將直流電能轉換為交流電能的轉換器，其基本原理就是SPWM（正弦波脈寬調制），三相逆變電路由IGBT管子組成，要實現逆變，就得按一定規律觸發管子，而SPWM就是得到一定規律的觸發IGBT管子的脈沖的技術，通過SPWM調制得到的觸發脈沖，直接給IGBT的基極就可以了，實現了二者的互聯。逆變器的輸出是將直流電壓分割成若干個脈沖，這些脈沖的面積，正好等于正弦波的面積。通常情況下，一個周期內脈沖的個數乘以50即為調制頻率。

●   硬件架構為四個功率器件開關組成單相、三相橋式電路，橋式輸出至負載間串接低通濾波元件，控制回路具有兩個信號產生源，一個是固定幅值的三角波（調制波）發生器，一個為正弦波發生器，利用三角波對正弦波進行調制，就會得到占空比按照正弦規律變化的方波脈沖列，調制比不同，一個正弦周期脈沖列數等于調制波頻率除以基博頻率）。

●   三相逆變器根據每個橋臂的開關狀態分為2電平和3電平。

2L電平與3L電平的區別

如下是2L電平與3L電平電壓和電流波形圖：  

圖3 2L電平電壓和電流波形圖

圖4 3L電平電壓和電流波形圖

●   2電平 — 逆變器的每個橋臂只有兩種開關狀態：1態和0態，1態分別對應Vao=Vd/2,  -Vd/2

●   3電平 — 逆變器的每個橋臂有三種開關狀態：1態, 0態, 2態分別對應Vao=Vd/2,  -Vd/2, 0

●   三電平逆變器主要的特點是由多個電階合成的輸出電壓正弦波形，這樣在相同開關頻率條件下，與傳統的二電平逆變器相比，諧波含量大為減少，對電網的干擾越小

●   逆變器的功率主要為10-500KW，主要拓撲為INPC和TNPC。TNPC適用功率范圍為10-100KW，INPC適用功率為100-500KW

INPC和TNPC的結構區別

如下是INPC和TNPC的結構示意圖：

圖5 INPC 結構示意圖

圖6 TNPC結構示意圖  

從結構示意圖看，不同點如下：

●   INPC由4個IGBT和4個體二極管加2個續流二極管組成

●   TNPC由4個IGBT和4個體二極管組成

因此，承受母線電壓輸入最大電壓等級不同：

●   INPC能承受VDSmax=1500V

●   TNPC能承受VDSmax=1100V