下圖為典型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的原理示意圖，該系統(tǒng)主要包括光伏電池組、DC/DC變換器、電壓源逆變器和LCL輸出濾波器。根據(jù)光伏系統(tǒng)的功率大小，DC/DC變換器可以采用不同的方案，這里采用的是Buck-Boot變換器。下圖還給出了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的主要控制策略。

由于光伏發(fā)電的成本高，因此光伏逆變器必須具有高效率才能提高其市場競爭力。對于硅基逆變器，受開關(guān)損耗限制，開關(guān)頻率不宜過高(一般均低于16kHz)，這會增加磁性元件和散熱器的尺寸。

為了提高光伏系統(tǒng)的效率，目前硅基光伏逆變器普遍采用的方案是三電平拓?fù)洌?L-DNPC逆變器。與兩電平逆變器相比，三電平逆變器可以通過采用更低電壓定額的功率器件以及降低對濾波的要求來提高整機(jī)性能。很多光伏逆變器公司均采用這種設(shè)計(jì)，其效率典型值可達(dá)98%。

為了利用寬禁帶半導(dǎo)體器件的高擊穿電壓和低開關(guān)損耗優(yōu)勢，一些光伏逆變器公司還提出了一種同時使用SiC器件和Si器件的3L- BSNPC逆變器。

為了降低成本，中點(diǎn)鉗位采用 Si IGBT實(shí)現(xiàn)。這個變換器的最高效率可達(dá)98.5%，目前已有企業(yè)量產(chǎn)投入市場。這種3L- BSNPC逆變器雖然提高了效率，但器件成本增加。為了在效率提升的同時控制成本，研究人員根據(jù)SiC器件的特點(diǎn)，提出重新采用兩電平全橋逆變器的方案。

下表對基于 Si IGBT的3L-DNPC、基于 SiC MOSFET作為開關(guān)器件和基于 Si IGBT作為鉗位開關(guān)的3L- BSNPC，以及基于 SiC MOSFET的兩電平全橋逆變器進(jìn)行了對比。

在SiC器件未出現(xiàn)時，3L-DNPC拓?fù)湎啾扔趦呻娖酵負(fù)溆幸欢▋?yōu)勢，在市場上占有一定地位。但與兩電平逆變器相比，三電平逆變器的器件數(shù)量增多1倍，相應(yīng)的驅(qū)動電路，保護(hù)電路也會增加，并且需要設(shè)置直流側(cè)電壓平衡控制策略。此外，三電平逆變器還存在開關(guān)器件損耗分布不均衡等問題，從而導(dǎo)致整機(jī)溫度分布不均衡。開關(guān)頻率的增加也會加劇損耗和溫度分布的不均衡，影響系統(tǒng)的可靠性。

SiC基兩電平全橋逆變器的功率器件損耗和溫度分布都較為均衡，功率電路較為簡單。由于SiC器件的開關(guān)速度快，因此開關(guān)頻率可取得較高，從而降低濾波元件的尺寸和重量。輸入側(cè)直流母線的電容量可以大大減小，從而可用小容值的薄膜電容器代替鋁電解電容器，克服后者壽命較短的問題。SiC器件損耗低和耐高溫的性能優(yōu)勢使得散熱器的尺寸也可明顯減小，從而進(jìn)一步降低整機(jī)的體積、重量和成本。

兩電平SiC逆變器與三電平混合逆變器

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主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)

為了進(jìn)一步對兩電平SiC逆變器和三電平SiC/Si混合逆變器的成本和效率進(jìn)行評估，按照下表的技術(shù)參數(shù)制作了25kV·A功率等級的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。最大直流母線電壓為1kV額定輸出電流有效值為37A。由于市面上沒有現(xiàn)成的三相功率模塊可供這一功率等級的逆變器使用，因此為了構(gòu)成3L-DNPC逆變器，采用了單橋臂 Si IGBT模塊，每相用一個模塊。對于2L-FB光伏逆變器，直接采用三相 SiC MOSFET模塊。

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成本比較

根據(jù)逆變器中所有的元器件，對Si基3L-DNPC和SiC基2L-FB光伏逆變器的硬件成本進(jìn)行了評估對比，具體考慮如下：

1）功率模塊

如前所述，兩種逆變器選擇相近定額的功率模塊。3L-DNPC逆變器使用Si IGBT模塊，每相需要1個，三相一共用3個。2L-FB逆變器使用三相SiC MOSFET模塊。

2)驅(qū)動電路

功率模塊的驅(qū)動電路是專門定制的，由驅(qū)動芯片、隔離型DC/DC電源模塊和線性調(diào)節(jié)器等構(gòu)成。

3)印制電路板(PCB)

PCB采用 Altium Designer軟件設(shè)計(jì)，由PCB專業(yè)廠家 PCBCART公司生產(chǎn)。PCB價格基本上由層數(shù)和面積決定。

4)散熱器

散熱器從HS- Marston公司訂購。散熱器價格主要由冷卻方法、散熱器熱阻抗和功率損耗決定。散熱器的熱阻Z選取值根據(jù)最大允許結(jié)溫和器件在額定工況下工作的外殼溫度計(jì)算得到

5)直流母線電容

直流母線電容按照最大電壓紋波為直流母線電壓的5%計(jì)算。SiC基逆變器所需的電容量僅為Si基逆變器的1/3。電容器從 Vishay Roederstein公司購得

6)LCL濾波器

輸出濾波器由 Trafox公司制作。SiC基逆變器的濾波電感值比Si基逆變器的降低了40%左右。

光伏逆變器主要部件的價格,與Si基3L-DNPC逆變器相比，由于SiC基2L-FB逆變器的輸出濾波器的尺寸減小(濾波電感值降低40%)，直流母線電容減小(電容量降低70%)，柵極驅(qū)動電路數(shù)量減半，PCB尺寸更小，因此其硬件總成本比3L-DNPC逆變器的低約8.8%。

由成本對比可見，雖然SiC MOS模塊的價格高于Si IGBT模塊，但應(yīng)用SiC MOSFET模塊制成的2L-FB逆變器降低了電路復(fù)雜程度。與Si基的3L-DNPC拓?fù)湎啾?，SiC基的2L-FB逆變器可選擇更高的開關(guān)頻率，使得無源元件的尺寸和成本都有明顯降低，同時驅(qū)動電路和PCB板的成本也更低，從而降低光伏逆變器的總體成本。從表中可見，這里所研制的25kVA功率等級的SiC基2L-FB逆變器已有硬件成本優(yōu)勢

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效率對比

下表為效率測試對比。當(dāng)輸出功率為9kW以上時，SiC基2L-FB逆變器(開關(guān)頻率為50kHz)的效率高于Si基3L-DNPC逆變器的效率。需要說明的是，這里的效率測試僅測試了逆變器本身的效率，而未考慮LCL濾波器。

從以上分析對比可見，SiC基兩電平全橋逆變器具有更高的效率，同時因器件數(shù)目大幅減少，熱量分布更加均勻，所以提高了整機(jī)的可靠性，降低了電路的復(fù)雜程度、重量和尺寸，且在成本上也具有競爭優(yōu)勢。

因此，新型SiC功率器件的器件優(yōu)勢給光伏逆變器帶來整機(jī)性能和成本上的優(yōu)勢，必將逐步改變光伏逆變器的現(xiàn)有格局，使得SiC功率器件在光伏發(fā)電電能變換領(lǐng)域得到更廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。






審核編輯：劉清