第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 研究的目的、背景及意义
全世界不断增长的能源需求带给我们两大严峻挑战：能源安全问题和气候变暖。根据世界能源署（IEA），全世界对电能的需求量每年都在增加，在未来 20 年中，电能需求量增长将达到 60%以上。
太阳能有取之不尽，用之不竭，没有环境污染等优越性，又由于太阳能电池的主要原料—硅的存储量丰富，伴随着着太阳能发电的快速发展和转换效率的提高发展成本的降低，所以，全球能源专家认为太阳能是最具有发展前景的的绿色能源。自二十世纪八十年代以来工业发达国家充分利用自身的优势，巨资加速光伏发电技术，大规模的投资有力的推动了技术的进步，从而光伏发电技术日趋成熟，步入了实用的商业化阶段。近20年来，我国通过技术引进和自主创新，我国的光伏产业已初规模。“十二五”能源规划中提出：“推进能源科技创新，大力发展风能、太阳能、生物质能以及清洁煤利用、核能、智能电网、新能源汽车、分布式能源等新兴能源科技装备技术。”据统计： 2008年底，我国太阳能光伏电池年产量已达200万千瓦，占全球市场的30%以上。2009年中国光伏发电装机容量已达750万千瓦，占全球市场的44%，这标志着太阳能光伏发电技术已经进入规模化应用阶段。2009年，中国光伏发电增长迅速，2009年，国家相继出台了“金太阳”示范工程、“屋顶工程”等一系列支持光伏产业发展的政策，有效拉动了国内市场的光伏应用需求，由此带动了我国光伏发电的大规模应用。可见，我国光伏产业正在高速发展中。
1.2 国内外研究动态及发展现状
1.2.1 国内外研究动态
1977 年，德国学者Holtz提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆器,1981年，日本学者Akira Nabae等对其进行了改进，提出了二极管箝位式三电平逆变器。近20年来，随着以GTO、IGBT、IGCT为代表的新一代电力电子器件的普及与发展，以及数字信号处理器的主频越来越高，运算速度越来越快，实时复杂运算能力越来越强，使得多电平逆变器的实际应用成为可能。同时因为其性能上的显著优势，多电平变换器吸引了很多研发人员将其作为研究对象，进行深入研究。
与传统的两电平逆变器相比多电平逆变器具有很多自身的优势，输出电压方面
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燕山大学里仁学院本科生毕业论文（论文）
谐波含量低、相位和幅值控制和调节方便，逆变器有很多灵活的控制方式，可以使用开关频率低的高压大功率开关器件，非常适合高压大功率输出的场合，逆变效率得到提高等。风力发电和太阳能发电可以通过高压多电平逆变器并入电网。随着大量电力电子装置的普及使用以及变压器、交流电动机、整流器等非线性感性负载比例的增加，电网受到的谐波污染和无功功率也日益严重，而无功功率补偿和电力有源滤波器也向着高压大功率方向发展，因此多电平逆变器在电能质量综合治理上也有着广泛的应用前景。
1.2.2 发展趋势
在现代逆变器中，为了减少输出电压中的谐波含量和开关器件上的电压应力（du/dt），常用的方法一般有两种，一种是两电平逆变器的研究方向，两电平逆变器就是利用单一直流源通过对桥式连接开关管的 PWM 控制，产生幅值恒定的PWM 电压波形，利用提高开关频率的方法对输出电压波形进行改善，使输出电压的波形正弦化，如图1所示。由于这种方法中只使用一个直流源，使得开关器件上的电压变化比较大，提高开关频率会增加开关器件的损耗，同时电磁干扰也会随之增大。为了减小开关损耗、降低电磁干扰，必须采用软开关技术，使逆变器工作中的开关器件工作在零电压状态或零电流状态。然而这增加了逆变器电路的复杂性，而且还必须使用高频开关器件，增加了成本，降低了电路系统的可靠性。当两电平逆变器并网时，需要较大的电感来滤波来保证并网电能的质量，而大电感也会增加电路系统的成本。
图1 两电平原理及单相输出波形
另一方面是多电平逆变器研究方向，即通过改变电路的结构增加输出波形的电平数，使逆变器的输出为更接近正弦波的阶梯波形电压，如图2所示，这样可以减小逆变器输出电压波形的谐波含量和电压跳变的幅度，并使开关管工作在低频的状态下，减小开关损耗和电磁干扰，效率更高。虽然多电平逆变器以增加开关数量的
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第1章 绪论
方式来增加输出电压电平的数目，但是这种开关管大多是低频工作的开关器件，价格便宜，虽然增加了开关数量，但逆变器的成本会降低。由于输出电压波形的谐波畸变小，可以用较小的电感来进行滤波，这样也会减低系统的成本。
图2 五电平原理及其输出波形
1.3 多电平逆变器的拓扑分类
光伏逆变器的拓扑结构可以根据不同的标准分为不同的类别，如可以根据逆变器输出的相数分为单相逆变器和三相逆变器，也可以根据能量处理环节分为单级式和两级式，还可以根据并网时是否含有变压器可以分为工频隔离、高频隔离和无隔离式逆变器，又可以按照逆变器输出的电平数分为两电平和多电平。
1.3.1 按输出相数分
大多数单相逆变器一般是小规模的屋顶式光伏系统，功率可达到 5~6kW，单相逆变器意味着输出的能量是波动的，而输入是直流电能，因此这就需要比较大的电容来储存能量，然而电容的使用寿命短，会影响单相逆变器的使用年限和可靠性，而且限制了单相逆变器的功率不可能做得很大。
在三相系统中，对称三相电路的瞬时功率一般是恒定的，这就意味着系统中不需要太大的电容来储能，因此三相系统与单相系统相比拥有更高的可靠性和使用年限。在屋顶上安装的三相光伏逆变器的功率可以达到 10~15kW。
1.3.2 按能量处理环节的数量分
图3所示，展示了光伏逆变器按能量处理环节分为单级和双级式光伏逆变器的框图。图3a 是单级式光伏逆变器的拓扑结构，这种结构 DC-AC 环节必须处理最大功率点追踪、并网电流控制、逆变、升压的功能。图3b，在这种拓扑中 DC-DC 环节处理最大功率点追踪或升压的功能，DC-AC 环节的作用为把直流变为交流。
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燕山大学里仁学院本科生毕业论文（论文）
图3 光伏逆变器按能量处理环节分
1.3.3 按隔离方式分
1.3.3.1 工频变压器隔离
图4(a)展示了采用工频隔离变压器的并网逆变器拓扑。工频隔离的作用是为了减小直流注入电网和升高电压。由于太阳能电池板和电网之间由于电位的不同，太阳能电池会可能向电网中注入直流分量。而直流分量会引起电网中变压器的饱和。因此为了达到并网标准所要求的直流分量的要求，需要引入工频隔离，来减少直流分量。另一方面一些光伏的输出电压小于电网电压或者负载的额定输入电压，因此用工频变压器来进行升压。工频隔离型逆变器优点逆变器中的开关元件可以选用便宜而且低耐压的 MOSFET 型开关管，工频隔离的缺点是工频变压器增加了系统的体积、重量和成本。
图4 逆变器隔离分类
1.3.3.2 高频变压器隔离
由于工频隔离变压器体积大、重量重和成本高，而高频变压器工作频率高、体积小、重量轻，于是出现了高频隔离的光伏并网逆变器。图4(b)展示了采用高频隔
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