光伏逆变器的设计

光伏漫谈4- 逆变器拓扑结构

光伏逆变器作为光伏发电核心设备，其设计与应用根据不同功率需求与场景，采用的电路拓扑结构存在显著差异。主要拓扑结构包括工频隔离、高频隔离、非隔离以及特殊的组串式逆变器NPC拓扑等。

工频隔离逆变器采用工频50Hz变压器实现功率传输，结构相对简单，由整流桥、滤波和工频变压器组成，但受限于体积较大的变压器，实际应用中较少使用。

高频隔离逆变器在微型逆变器中较为常见，为了保障人体安全，需要在交流与直流侧隔离。此拓扑结构采用高频隔离，可显著减小体积。三种常用拓扑结构包括昱能的250W微型逆变器、禾迈MI-700的交错反激拓扑以及不含直流母线串联谐振的拓扑。前两种拓扑在高压电容使用、控制复杂度和效率上有所差异，后者则无需高压电容，但需要增加低压大电容，控制简单，适合小功率应用。

非隔离逆变器通过直接将光伏输入升压至工频信号，进而实现组串式逆变，相比隔离型，此类逆变器效率更高、成本更低，但存在零点偏移、直流分量等问题。为解决此类问题，可以采用交流或直流旁路方式隔断DC分量。专利H5技术通过5个开关管实现了直流旁路逆变器，通过交替控制实现完整的正弦输出。

组串式逆变器中，NPC三电平逆变器因其效率高、谐波小而广受青睐。I型NPC结构正负半周期由不同的IGBT承担开关损耗，ANPC结构则通过在每个IGBT旁并联IGBT来平衡内（Q2和Q3）外（Q1和前）管之间的损耗。T型三电平拓扑则通过减少开关损耗，提高效率，但需要IGBT耐压达到母线电压的两倍，适用于低压系统或高压功率管应用。

随着功率器件特性和耐压的提升，某些拓扑结构的竞争力增强。同时，学术研究的深入与功率器件的变化将催生更多逆变器拓扑，进一步提升应用效率，降低体积和成本。技术发展将持续推动逆变器拓扑的创新与优化。

10兆瓦光伏电站配多大的逆变器，常规的输入电压是多少？

在构建一个10MW的光伏电站时，我们可以将其细分为10个1MWp的子阵列，每个子阵列包含两个500kW的阵列逆变器。这些逆变器是系统的核心组件，负责将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电，以便电网能够利用。在设计过程中，工程师会根据电站的具体位置和环境因素，选择合适的逆变器电压等级。常用的逆变器电压等级包括270V/10kV和270V/35kV，这样的选择有助于确保系统的稳定性和效率。

每个逆变器阵列通常由太阳能电池板串、汇流设备以及升压设备组成，这些设备共同工作，将来自太阳能电池板的低电压直流电升压至适合并网的电压。太阳能电池板串的排列方式和数量会根据电站的大小和预期的发电量来确定。对于一个10MW的光伏电站来说，每个子阵列需要两台500kW的逆变器，这意味着整个电站需要配备20台这样的逆变器。

选择合适的逆变器电压等级对于电站的性能至关重要。270V/10kV的逆变器适合小型到中型光伏电站，而270V/35kV的逆变器则适用于大型光伏电站，因为它们能够处理更高的电压，从而提高系统的输电效率。在实际应用中，工程师需要综合考虑成本、可靠性、电网兼容性等因素，以确定最合适的逆变器电压等级。

在安装和维护过程中，逆变器的性能和可靠性是关键因素。高质量的逆变器能够提高电站的整体效率，减少维护成本，并延长系统的使用寿命。因此，在选择逆变器时，除了考虑电压等级外，还需要关注逆变器的品牌、技术和售后服务等因素。

总结来说，一个10MW光伏电站通常由10个1MWp的子阵列组成，每个子阵列由两个500kW的逆变器驱动。在选择逆变器电压等级时，270V/10kV和270V/35kV是两个常用的选择，它们分别适用于不同规模的光伏电站。在实际应用中，工程师需要综合考虑多种因素，以确保光伏电站的高效运行和长期稳定性。

个人光伏电站应该怎样选择并网逆变器？

并网光伏逆变器的选择至关重要，它主要分为高频变压器型、低频变压器型和无变压器型三大类。在选择时，我们需要考虑安全性与效率两个方面。

在选择并网光伏逆变器时，有五个主要方面需要考虑。首先，容量匹配设计是至关重要的。电池阵列与所接逆变器的功率容量需要匹配，一般设计思路是：组件标称功率乘以组件串联数再乘以组件并联数等于电池阵列功率。这意味着并网逆变器的最大输入功率应近似等于电池阵列功率，以实现逆变器资源的最大化利用。

其次，MPP电压范围与电池组电压的匹配也是重要的。太阳能电池的输出特性表明，电池组件存在功率最大输出点，并网逆变器具有在特定输入电压范围内自动追踪最大功率点的功能。因此，电池阵列的输出电压应处于逆变器MPP电压范围以内。一般的设计思路是电池阵列的标称电压近似等于并网逆变器MPP电压的中间值，这样可以达到MPPT的最佳效果。

最大输入电流与电池组电流的匹配同样重要。电池组阵列的最大输出电流应小于逆变器的最大输入电流。为了减少组件到逆变器过程中的直流损耗，以及防止电流过大对逆变器造成过热或电气损坏，逆变器最大输入电流值与电池阵列电流值的差值应尽量大一些。

转换效率是另一个需要考虑的因素。并网逆变器的效率标示通常包括最大效率和欧洲效率，通过加权系数修正的欧洲效率更为科学。在其他条件满足的情况下，转换效率应尽可能高。

最后，配套设备也是不可忽视的。并网发电系统是一个完整的体系，逆变器是其中的重要组成部分，与之配套的设备主要是配电柜和监控系统。并网电站的监控系统包括硬件和软件，根据自身特点而需要量身定做。一般大型的逆变器厂家都针对自己的逆变器而专门开发了一套监控系统，因此在逆变器选型过程中，应考虑相关的配套设备是否齐全。

光伏发电站的逆变器怎么设置

太阳能光伏发电并网系统中的并网逆变器设置方式分为：集中式、主从式、分布式和组串式。

1、集中式

集中式并网方式适合于安装朝向相同且规格相同的太阳能电池方阵，在电气设计时，采用单台逆变器实现集中并网发电方案如图1所示。

对于大型并网光伏系统，如果太阳能电池方阵安装的朝向、倾角和阴影等情况基本相同，通常采用大型的集中式三相逆变器。

该方式的主要优点是：整体结构中使用光伏并网逆变器较少，安装施工较简单；使用的集中式逆变器功率大，效率较高，通常大型集中式逆变器的效率比分布式逆变器要高大约2%左右，对于9.3MWp光伏发达系统而言，因为使用的逆变器台数较少，初始成本比较低；并网接入点较少，输出电能质量较高。该方式的主要缺点是一旦并网逆变器故障，将造成大面积的太阳能光伏发电系统停用。

集中逆变一般用于大型光伏发电站（>10kW）的系统中，很多并行的光伏电池组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相IGBT功率模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用DSP来改善所产出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流。

最大特点是系统的功率高，成本低。但受光伏电池组串匹配和部分遮影的影响，导致整个光伏系统的效率不高。同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏电池单元组工作状态不良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制，以及开发新的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高的效率。

在SolarMax(索瑞·麦克)集中逆变器上，可以附加一个光伏电池阵列的接口箱，对每一串的光伏电池组串进行监控，如其中有一组光伏电池组串工作不正常，系统将会把这一信息传到远程控制器上，同时可以通过远程控制将这一串光伏电池停止工作，从而不会因为一串光伏电池串的故障而降低和影响整个光伏系统的工作和能量产出。

2、主从式

对于大型的光伏发电系统可采用主从结构，主从结构其实也是集中式的一种，该结构的主要特点是采用2～3个集中式逆变器，总功率被几个逆变器均分。在辐射较低的时候，只有一个逆变器工作，以提高逆变器在太阳能电池方阵输出低功率时候的工作效率；在太阳辐射升高，太阳能电池方阵输出功率增加到超过一台逆变器的容量时，另一台逆变器自动投入运行。

为了保证逆变器的运行时间均等，主从逆变器可以自动的轮换主从的配置。主从式并网发电原理如图2所示。主从结构的初始成本会比较高，但可提高光伏发电系统逆变器运行时的效率，对于大型的光伏系统，效率的提高能够产生较大的经济效益。

3、分布式

分布式并网发电方式适合于在安装不同朝向或不同规格的太阳能电池方阵，在电气设计时，可将同一朝向且规格相同的太阳能电池方阵通过单台逆变器集中并网发电，大型的分布式系统主要是针对太阳能电池方阵朝向、倾角和太阳阴影不尽相同的情况使用的。

分布式系统将相同朝向，倾角以及无阴影的光伏电池组件串成一串，由一串或者几串构成一个太阳能电池子方阵，安装一台并网逆变器与之匹配。分布式并网发电原理如图3所示。这种情况下可以省略汇线盒，降低成本；还可以对并网光伏发电系统进行分片的维修，减少维修时的发电损失。

分布式并网发电的主要缺点是：对于大中型的上百千瓦甚至兆瓦级的光伏发电系统，需要使用多台并网逆变器，初始的逆变器成本可能会比较高；因为使用的逆变器台数较多，逆变器的交流侧和公用电网的接入点也较多，需要在光伏发电系统的交流侧将逆变器的输出并行连接，对电网质量有一定影响。

4、组串式

光伏并网组串逆变器是将每个光伏电池组件与一个逆变器相连，同时每个光伏电池组件有一个单独的最大功率峰值跟踪，这样光伏电池组件与逆变器的配合更好。组串逆变器已成为现在国际市场上最流行的逆变器，组串逆变器是基于模块化概念基础上的，每个光伏组串（1kW～5kW）通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，在交流端并联并网。许多大型光伏阀电厂使用组串逆变器，优点是不受光伏电池组串间差异和遮影的影响。

在组串间引入“主-从”概念，使得系统在单串电能不能使单个逆变器工作的情况下，将几组光伏电池组串联系在一起，让其中一个或几个工作，从而产出更多的电能。最新的概念为几个逆变器相互组成一个“团队”来代替“主-从”概念，使得系统的可靠性又进了一步。目前，无变压器式组串逆变器已占了主导地位。

多组串逆变是取了集中逆变和组串逆变的优点，避免了其缺点，可应用于几千瓦的光伏发电站。在多组串逆变器中，包含了不同的单独功率峰值跟踪DC/DC变换器，DC/DC变换器的输出通过一个普通的逆变器转换成交流电与电网并联。由于是在交流处并联，这就增加了交流侧的连线的复杂性，维护困难。

另需要解决的是怎样更有效的与电网并网，简单的办法是直接通过普通的交流开关进行并网，这样就可以减少成本和设备的安装，但往往各地的电网的安全标准也许不允许这样做。另一和安全有关的因素是是否需要使用隔离变压器（高频或低频），或允许使用无变压器式的逆变器。

光伏组串的不同额定值（如：不同的额定功率、每组串不同的组件数、组件的不同的生产厂家等）、不同的尺寸或不同技术的光伏组件、不同方向的组串（如：东、南和西）、不同的倾角或遮影，都可以被连在一个共同的逆变器上，同时每一组串都工作在它们各自的最大功率峰值上。同时，直流电缆的长度减少、将组串间的遮影影响和由于组串间的差异而引起的损失减到最小。

光伏电站如何匹配逆变器才正确?

在设计光伏电站时，我们可以通过一个设计案例来说明如何匹配逆变器。假设初始电站设计容量为A(MW)，通过计算当电站电池板扩容到B(MW)时，电站的全局投资性价比为最优，此时该电站的最佳容配比为：K=B/A。如果超过逆变器标称功率的100％、105％、110％时，其最优容量配比分别为1.05、1.1、1.15。明确了最佳容配比，在光伏电站设计时需要稍加注意。

光伏电站最优容量配置比还受一些内外在因素的影响，例如太阳能光照资源、电站效率、逆变器发电能力、电站综合单价以及光伏组件单价等。这些因素都会对光伏电站的性能产生影响，因此在设计光伏电站时需要综合考虑。

对于用户和系统安装商来说，有了这样一个意识，家里安装电站后发电量肯定会相当可观。最近，国家发展和改革委员会能源研究所研究员王斯成也发表了对“光伏-逆变器容配比”的看法。他强烈呼吁，尽快给‘光伏-逆变器容配比’松绑。

《GB50797-2012：光伏发电站设计规范》中规定，光伏发电站中安装的光伏组件的标称功率之和称为安装容量，计量单位为峰瓦（Wp）；光伏发电系统中逆变器的配置容量应与光伏方阵的安装容量相匹配，逆变器允许的最大直流输入功率应不小于其对应的光伏方阵的实际最大直流输出功率。而在国际上，光伏发电系统的交流容量定义为光伏系统额定输出或者该容量为合同约定的最大功率，通常单位为MW。将光伏组件功率之和作为光伏系统的额定功率也很常见，显然，国内的标准还处于“也很常见”的队列之中。

在功率比方面，国际上光伏电站通常设计成高光伏-逆变器功率比（PVIR）以获得低的度电成本。事实上，适度提高光伏-逆变器容配比是光伏系统设计重要的技术创新，2012年之后普遍被光伏界所接受，尤以美国FirstSolar为代表，其电站容配比一般都选在1.4：1.0。

“在美国，我参观过一家容配比为1.4：1.0的光伏电站，上午时功率满功率运行，在正常的时间内，不会超负荷运行，逆变器达到额定功率以后转入限功率运行，不会影响安全性。”如果基于平均化度电成本最低的原则来判定系统的优劣，系统最优的光伏-逆变器容配比均大于1:1。换句话说，一定程度的提升光伏组件容量（也称组件超配），将有助于提升系统的整体效益。目前，很多电站为了提高逆变器的运行效率和电站收益，都采用了组件超配的方法。

光伏并网逆变器光伏逆变器的工作原理 光伏逆变器的安装注意事项

逆变器通过将直流电转化为交流电，解决光伏系统因负载直流电压不同而难以标准化和兼容的问题。对于直流电压较低的情况，逆变器设计了升压电路，如推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路。推挽电路利用变压器漏感限制短路电流，提高可靠性，但变压器利用率较低。全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，但电路结构较复杂。

安装光伏并网逆变器时，应遵循一系列注意事项。首先，检查逆变器在运输过程中是否有损坏。其次，选择安装场地时，避免周围电力电子设备的干扰。在电气连接前，必须使用不透光材料遮挡光伏电池板或断开直流侧断路器，以防暴露于阳光产生危险电压。

所有安装操作需由专业技术人员完成。光伏系统中使用的线缆必须连接牢固、绝缘良好且规格合适。电气安装需符合当地和国家标准。并网前，须得到当地电力部门许可并由专业技术人员完成电气连接。在进行维修前，应先断开电气连接，等待至少五分钟待内部元件放电后再进行。排除故障后，逆变器才能重新启动。

避免不必要的电路板接触，并遵守静电防护规范，佩戴防静电手环。注意并遵守产品上的警告标识。操作前进行初步目视检查设备，确认无损坏或危险状态。逆变器断电后一段时间内，热表面仍保持较高温度，需注意。

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