三电平逆变器较二电平逆变器的优势是什么

人类社会的进步离不开社会上各行各业的努力，各种各样的电子产品的更新换代离不开我们的设计者的努力，其实很多人并不会去了解电子产品的组成，比如华为的逆变器。

太阳能发电系统通常直接暴露在室外环境工作，经常遇到高温、高寒、高湿、大风沙，淋雨，盐雾等恶劣气象条件。华为可靠性实验室业界首创开发出了温度、湿度、腐蚀性粉尘三综合应力试验设备，使得逆变器产品在恶劣场景应用具有卓越的适应能力。针对户外应用，采用高温、淋雨、带电温循、外场暴露等加速方法，验证了逆变器的长期可靠性，保证设备长期稳定运行。

传统的逆变器设计和电气安全防护手段已经不能解决分布式的安全问题，必须开拓一种新的安全设计思路来保障屋顶光伏电站安全。华为分布式逆变器采用AI加持的AFCI拉弧检测技术，能够主动检测到拉弧2s内快速自动切断电路通过大量电弧特征数据数据和自学习算法训练逆变器电弧检测模型，使电弧检测更精准，从而有效减少误报，给电站加上一道安全的防护锁。

智能电站运维：实现对组件的智能监控，逆变器成为电站的大脑和管家，华为组串式逆变器的智能组串监控，精度是智能汇流箱的6倍以上，比直流汇流箱更可靠。引入通信领域先进和成熟的技术，如4G移动通信等技术，将整个光伏电站的数据和信息管理通过无线的管道传输，电站健康检查，减少人工上站维护的成本，使电站工作在最佳状态。

华为产品一直重视长期可靠性，不仅要求产品按长寿命设计，还在材料特性、热分、材料的匹配等方面进行了长期的研究，积累了丰富的工程设计和试验经验。同时，华为具备世界一流的设备可靠性测试实验室。该实验室，拥有业界最全的产品全环境应用场景的模拟测试能力，以及先进的可靠性测试能力，包括气候、机械、室外风吹雨、太阳辐射、结冰等全场景测试能力，领先HALT测试、加速灰尘腐蚀等可靠性能力。

华为创新采用全数字控制技术和“硅进铜退”设计理念，增加芯片、先进软件算法等“硅”部件的使用，减少电容、电感等“铜”部件的数量和容量，逆变器损耗更小，效率更高，电能质量更好。SUN2000-5-20KTL三相智能逆变器最高效率98.65%，行业领先，率先通过了中国效率A级认证，业内最高，为客户25年高收益保驾护航。华为智能数采集成无功输出控制功能，帮助业主节省了无功设备成本智能数采还具有优化算法，能动态实时计算无功补偿量，并通过智能光伏逆变器做无功补偿，保证系统功率因数达标，发电量不减少，也避免了用户电力调控不达标造成的罚款。

鉴于组串式以上显著的客户价值优势，华为主张用组串式全面替换集中式逆变器。华为的产品从发布之初就获得客户广泛认可。目前，业界众多客户已经高度肯定华为逆变器在实际使用中在发电量、易安装维护等方面的价值，纷纷修改建设计划从集中式转为组串式，其中不乏百兆瓦级大型电站。

本文只能带领大家对华为的逆变器有了初步的了解，对大家入门会有一定的帮助，同时需要不断总结，这样才能提高专业技能，也欢迎大家来讨论文章的一些知识点。

光伏逆变器是可以将光伏太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电的逆变器，可以反馈回商用输电系统，或是供离网的电网使用。 其是光伏阵列系统中重要的系统平衡之一，可以配合一般交流供电的设备使用。它有配合光伏阵列的特殊功能，例如最大功率点追踪及孤岛效应保护的机能。

中文名

光伏逆变器

又称

电源调整器

分为

独立型电源用、并网用

整流电路

完成整流功能的电路

平衡压差

蒲微防水透气阀

简介

通常，把将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。

如上所述，逆变器有多种类型，因此在选择机种和容量时需特别注意。尤其在太阳能发电系统中，逆变器效率的高低是决定太阳电池容量和蓄电池容量大小的重要因素。

工作原理

光伏逆变器由升压回路和逆变桥式回路构成，升压回路主要用于将直流电压升压至逆变器输出所需直流电压，逆变桥式回路主要用于将升压后的直流电压转换为固定频率的交流电压。因此，经升压回路和逆变桥式回路完成将直流电转换为交流点的功能。

发展

2005至2010年，全球光伏逆变器市场规模由10.7亿美元增至71.8亿美元，年复合增长率为46.3%。欧洲、亚太地区及北美地区太阳能光伏产业的发展是光伏逆变器市场增长的主要推动力。

国内光伏逆变器与欧美企业相比，在价格、成本方面均有一定的成本优势，比如2012年SMA所销售逆变器产品的平均价格和平均成本分别为0.19欧元/W、0.15欧元/W，阳光电源则分别为0.69元/W、0.46元/W。另外随着太阳能逆变器产业不断发展，可观察到太阳能逆变器出现与模块品牌或系统品牌结合的现象。且大厂不断加强在各地市场布局，不管是透过代理商进入市场或在当地设工厂。而随着越来越多竞争者加入太阳能逆变器产业，预期制造商与经销商的毛利将逐渐降低。——（2014年全球光伏逆变器市场价格指数浅析）

目前，光伏逆变器产品价格将进入平缓的下降期，预计到2014年底将下降至0.4元/W，2015年底将跌破0.4元/瓦，在价格继续下滑的背后，预计2014年光伏逆变器收入增长7%至102亿美元。

据《2013-2017年全球光伏逆变器行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》监测数据显示，2007年我国光伏新增装机量仅20MW，到2010年国内光伏新增装机量约520MW，是2009年228MW装机量的2倍多。2011年我国新增装机量达到2.9GW，在全球排名第四。

前瞻网预计，2015年我国光伏逆变器需求量将达到5.0GW，2020年将达到10GW。

在我国“十一五”期间，诸如逆变器等光伏发电配套设备多处在研发和创新阶段，较少受到政策关注。“十二五”时期，光伏发电市场的趋势是向全产业链发展，晶硅、组件以外的配套设备将受到市场与政策的进一步关注，发改委将逆变器列入指导目录鼓励类，就是这一趋势的体现。

2010年，我国光伏并网容量达500兆瓦，逆变器市场在5亿元左右。目前，“十二五”国内的光伏装机容量目标大幅上调到10GW，较之前公布的目标翻了一番。假设这些装机全部并网，按照1元/瓦造价计算，预计到2015年，国内逆变器市场将达到100亿元。

随着光伏逆变器行业竞争的不断加剧，大型光伏逆变器企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的光伏逆变器生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的光伏逆变器品牌迅速崛起，逐渐成为光伏逆变器行业中的翘楚！[2]

光伏逆变器是电力电子技术在太阳能发电领域的应用，行业技术水平和电力电子器件、电路拓扑结构、专用处理器芯片技术、磁性材料技术和控制理论技术发展密切相关。

[3]另外，功率等级在200 瓦～500 瓦的微型逆变器，可方便地在幕墙、窗台、小型屋面上使用，在最近几年也成为一个细分市场热点。组串型光伏逆变器单相产品以升压电路+单相无变压器拓扑结构为主；组串型光伏逆变器三相产品以升压电路+三相三电平无变压器拓扑结构为主；电站型光伏逆变器以三相桥式电路拓扑为主，同时包括无变压器和有变压器两类。光伏逆变器重点关注以下技术指标：高效率：光伏逆变器的转换效率的高低直接影响到太阳能发电系统在寿命周期内发电量的多少。

根据产品型号的不同，国际一流品牌的产品的转换效率最高可达98%以上。长寿命：光伏发电系统设计使用寿命一般为20 年左右，所以要求光伏逆变器的设计寿命需要达到较高水平。高可靠性：光伏逆变器发生故障将会导致光伏系统停机，直接带来发电量的损失，所以高可靠性是光伏逆变器的重要技术指标。宽直流电压工作范围：因为单块太阳电池组件的输出直流电压比较低，所以在实际应用中需要进行多块串联，得到一个较高的直流电压，再进行多组并联后输入到光伏逆变器。由于不同功率、不同电压的光伏电池、不同的串并联方案组合，要求对同一规格的光伏逆变器能够适应不同的直流电压输入。所以，光伏逆变器具有越宽的直流电压工作范围，就越能适应客户的实际应用需求。

符合电网并网要求：各国电网对于接入电网的设备都有着严格的技术要求，包括并网电流谐波、注入电网直流分量、电网过欠压时保护、电网过欠频时保护、孤岛保护等。随着大量可再生能源发电设备的接入，对电网的运行、调度提出了新的挑战，电网提出了如低电压穿越、无功补偿、储能等新要求。

三电平逆变器主要的特点是由多个电平台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.利用MATLAB/Simulink工具可以方便、直观地实现这些算法步骤,并可在此基础上对SVPWM控制算法和三电平逆变器的特性进行深入的研究。

太阳能电池一般是电压源，因此逆变器的主电路采用电压型，太阳能光伏发电系统用逆变器的三种主电路形式如图1所示。图1（a）是采用工频变压器主电路形式，采用工频变压器使输入与输出隔离，主电路和控制电路简单。为了追求效率，减少空载损耗，工频变压器的工作磁通密度选得比较低，因此重量大，约占逆变器的总重量的50％左右，逆变器外形尺寸大，是最早的一种逆变器主要形式。

图1：逆变器主电路图

图1（b）是高频变压器主电路形式，采用高频变压器使输入与输出隔离，体积小，重量轻。主电路分为高频逆变和工频逆变两部分，比较复杂，是20世纪90年代比较流行的主电路方式。

图1(b)

图1（c）是无变压器主电路形式，不采用变压器进行输入与输出隔离，只要采取适当措施，同样可保证主电路和控制电路运行的安全性，体积最小，重量轻，而且效率高，成本也较低。主电路包括升压部分和采用高频SPWM的逆变部分，比工频变压器主电路形式要复杂，但是适应输入直流电压范围宽，有利于与太阳能电池进行匹配。尽管由于天气等因素使太阳能电池输出电压发生变化，但有了升压部分，可以保证逆变部分输入电压比较稳定。将成为今后主要的主电路流行方式。

图1(c)

为了使无变压器主电路形式安全运行，必须采取一定的技术措施：首先要使太阳能电池对地电压保持稳定；其次，为了防止太阳能电池接地造成主电路损坏，应检测太阳能电池正极和负极的接地电流（通过零相互感器），如果不平衡电流超过规定值，说明太阳能电池有可能接地，接地保护立即动作，切断主电路输出，停止工作。由于无变压器主电路形式没有变压器对输入与输出隔离，因此逆变器输入端的太阳能电池的正负极不能直接接地，输出的单相三线制中性点接地，因太阳能电池面积大，对地有等效电容存在（正极等效电容和负极等效电容）。该等效电电容将在工作中出现充放电电流，其低频部分有可能使供电电路中的漏电开关误动作而造成停电，其高频部分将通过配电线路对其它用电设备造成电磁干扰，而影响其它用电设备正常工作。对这种对地等效电容电流必须在主电路加电感L1与电容C1组成的滤波器进行抑制，特别是抑制高频部分。而工频部分，可以通过控制逆变器开关方式来消除。当然在太阳能电池与主电路之间，还应当设置共模滤波器，防止对太阳能电池的电磁干扰。

2.电力电子器件

用于太阳能光伏发电系统逆变器（含输入直流斩波级）的功率半导体器件主要有MOSFET、IGBT、超结MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。与此相对的IGBT则开关速度较慢，但具有较高的电流密度，从而价格便宜并适用于大电流的应用场合。超结MOSFET介于两者之间，是一种性能价格折中的产品，在实际设计中被广为应用。概括地说，选用哪类器件取决于成本、效率的要求并兼顾开关频率。如果要求硬开关在100kHz以上，一般只有MOSFET能够胜任。在较低频段如15kHz，如没有特殊的效率要求，则选择IGBT。在此之间的频率，则取决于设计中对转换效率和成本的具体要求。系统效率和成本之间作为一对矛盾，设计中将根据其相应关系对照目标系统要求确定最贴近系统要求的元件型号。表1为三种半导体开关器件的功率损耗，为了便于比较，各参数均以MOSFET情况作归一化处理，超结MOSFET工艺目前没有超过900V的器件。

除去以上最典型的三类全控开关器件，业界有像碳化硅二极管和ESBT等基于新材料和新工艺的产品。它们目前的价格还比较高，主要应用于对太阳能光伏发电效率有特殊要求的场合。但随着生产工艺的不断进步和器件单价的下降，这类器件也将逐步变为主流产品，甚至替代上述的某一类器件。

以下为两种可运用的于特殊光伏发电场合的逆变器：

（1）单相全桥混合器件模块与三电平混合器件模块

混合单相全桥功率模块，是专用于光伏发电系统中单相逆变的产品，配合以单极型调制方法，每个桥臂的两只开关管分别工作在完全相异开关频率范围，上管总是在工频切换通断状态，而下管总是在脉宽调制频率下动作。根据这种工作特点，上管选用相对便宜的门极沟道型(Trench)IGBT以优化通态损耗，而下管可选择非穿通型(NPT)IGBT以减少开关损耗。这种拓扑结构不但保障了最高系统转换效率还降低了整个逆变设备的成本。图3给出了不同器件搭配的转换效率曲线以印证这种功率模块的优越性。可以发现，这种混合器件配置在不同负载下能实现98%以上的转换效率。

在美高森美的三电平逆变模块中，也引入了混合器件机制，充分利用两端器件开关频率远高于中间相邻两器件。因而APTCV60系列三电平模块两端使用超结MOSFET，中间为IGBT的结构，可进一步提高效率。

（2）ESBT

ESBT是应用于太阳能光伏发电系统中的一种新型高电压快速开关器件，它兼顾了IGBT和MOSFET的优点，不仅电压耐量高于MOSFET，而且损耗小于快速IGBT器件。美高森美即将推向市场的ESBT太阳能升压斩波器模块，集成了碳化硅二极管和ESBT，面向5kW～205kW的超高效率升压应用。其电压为1200V，集电极和发射极间饱和通态电压很低（接近1V），优化开关频率在30kHz～40kHz之间，可选择单芯片模块或双芯片模块封装。实验表明，这种功率模块比目前市场上对应的IGBT模块减少40%的损耗。根据6kW的参考设计实验结果，此模块在50%至满负载之间，转换效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6个百分点。因此，在碳化硅全控器件的价格下降到可接受的范围之前，对于超高效率的太阳能光伏功率变换应用，ESBT将是优选开关器件。