光伏三相逆变器系列（一）：光伏行业及三相逆变器特点浅析

光伏发电是指利用光伏组件的光生伏特效应，直接将太阳能转化为电能的一种发电形式。太阳能光伏产业发展的原动力是以石油，煤，天然气为代表的传统能源日益枯竭。光伏发电产品主要用于农村电气化、通信和工业、并网发电、太阳能路灯和储能产品。由于气候保护和可持续发展等诸多方向的影响，全球对可再生能源的需求在不断增加，这为光伏市场提供了良好的机遇。然而，光伏市场也面临着一些挑战，比如价格下跌导致的利润率下降，及产业链上下游的激烈竞争等问题。

光伏未来发展趋势

① 光伏发展规划

“十四五”期间，国家发改委、国家能源局、财政部等多部门相继发布了《“十四五”现代能源体系规划》和《“十四五”可再生能源发展规划》，提出到2025 年，可再生能源年发电量达到 3.3万亿千瓦时左右。“十四五”期间，可再生能源发电量增量在全社会用电量增量中的占比超过 50%，风电和太阳能发电量实现翻倍。

② 平价上网时代到来，技术创新推动成本加速下降

2021年6月7日，国家发改委发布的《关于2021年新能源上网电价政策有关事项的通知》（发改价格[2021]833 号）指出，自2021年起，对新备案集中式光伏电站、工商业分布式光伏项目，中央财政不再补贴，实行平价上网。2021年新建项目上网电价，按当地燃煤发电基准价执行。太阳能光伏进入平价上网时代。

虽然光伏补贴“退坡”明显，但对于已取得相应补贴标准的光伏电站，其补贴标准 20 年不变；同时，对于新建光伏电站，在上游产能扩张和技术革新的推动下，近年来光伏电站的建设成本呈现大幅下降趋势，根据国际可再生能源署（IRENA）公布的数据显示，2021 年投运的地面大型光伏发电项目的加权平均 LCOE 同比下降 13%，降至 0.048 美元/千瓦时，总装机成本不断下降，有助于实现平价上网下的持续盈利。光伏发电将成为具有成本竞争力、可靠且可持续的电力来源，在市场因素的驱动下迈入新的发展阶段，开启更大的市场空间。

三相逆变器的定义及特点

光伏并网发电系统的核心是并网逆变器，是由直流转为交流的关键。三相逆变器会影响效率，谐波，THD等关键性能参数，其控制系统的好坏直接影响整个光伏系统的性能。

图1 直流电压波形示意图

图2 输出交流正弦示意图

●   三相逆变就是由直流电压转换出的交流电压为三相，即 AC-380V，三相电是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流电势组成。

●   三相逆变器的定义就是将直流电能转换为交流电能的转换器，其基本原理就是SPWM（正弦波脉宽调制），三相逆变电路由IGBT管子组成，要实现逆变，就得按一定规律触发管子，而SPWM就是得到一定规律的触发IGBT管子的脉冲的技术，通过SPWM调制得到的触发脉冲，直接给IGBT的基极就可以了，实现了二者的互联。逆变器的输出是将直流电压分割成若干个脉冲，这些脉冲的面积，正好等于正弦波的面积。通常情况下，一个周期内脉冲的个数乘以50即为调制频率。

●   硬件架构为四个功率器件开关组成单相、三相桥式电路，桥式输出至负载间串接低通滤波元件，控制回路具有两个信号产生源，一个是固定幅值的三角波（调制波）发生器，一个为正弦波发生器，利用三角波对正弦波进行调制，就会得到占空比按照正弦规律变化的方波脉冲列，调制比不同，一个正弦周期脉冲列数等于调制波频率除以基博频率）。

●   三相逆变器根据每个桥臂的开关状态分为2电平和3电平。

2L电平与3L电平的区别

如下是2L电平与3L电平电压和电流波形图：  

图3 2L电平电压和电流波形图

图4 3L电平电压和电流波形图

●   2电平 — 逆变器的每个桥臂只有两种开关状态：1态和0态，1态分别对应Vao=Vd/2,  -Vd/2

●   3电平 — 逆变器的每个桥臂有三种开关状态：1态, 0态, 2态分别对应Vao=Vd/2,  -Vd/2, 0

●   三电平逆变器主要的特点是由多个电阶合成的输出电压正弦波形，这样在相同开关频率条件下，与传统的二电平逆变器相比，谐波含量大为减少，对电网的干扰越小

●   逆变器的功率主要为10-500KW，主要拓扑为INPC和TNPC。TNPC适用功率范围为10-100KW，INPC适用功率为100-500KW

INPC和TNPC的结构区别

如下是INPC和TNPC的结构示意图：

图5 INPC 结构示意图

图6 TNPC结构示意图  

从结构示意图看，不同点如下：

●   INPC由4个IGBT和4个体二极管加2个续流二极管组成

●   TNPC由4个IGBT和4个体二极管组成

因此，承受母线电压输入最大电压等级不同：

●   INPC能承受VDSmax=1500V

●   TNPC能承受VDSmax=1100V