光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器基本知識(shí)

1、光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器基本知識(shí)逆變器的概念通常，把將交流電能變換成直流電能的過程稱為整流，把完成整流功能的電路稱為整流電路，把實(shí)現(xiàn)整流過程的裝置稱為整流設(shè)備或整流器。與之相對(duì)應(yīng)，把將直流電能變換成交流電能的過程稱為逆變，把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實(shí)現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變?cè)O(shè)備或逆變器?，F(xiàn)代逆變技術(shù)是研究逆變電路理論和應(yīng)用的一門科學(xué)技術(shù)。它是建立在工業(yè)電子技術(shù)、半導(dǎo)體器件技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體變流技術(shù)、脈寬調(diào)制 PWMPWM 技術(shù)等學(xué)科基礎(chǔ)之上的一門實(shí)用技術(shù)。它主要包括半導(dǎo)體功率集成器件及其應(yīng)用、逆變電路和逆變控制技術(shù) 3 3 大部分。逆變器的分類逆變器的種類很多，

2、可按照不同的方法進(jìn)行分類。1 1 . .按逆變器輸出交流電能的頻率分， 可分為工頻逆變器、 中頻逆器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為 505060H60HZ Z 的逆變器； 中頻逆變器的頻率一般為 400H400HZ Z 到十幾 KHZKHZ; ;高頻逆變器的頻率一般為十幾 KHZKHZ 到 MHZMHZ。2 2.按逆變器輸出的相數(shù)分，可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器。3 3 . .按照逆變器輸出電能的去向分， 可分為有源逆變器和無源逆變器。 凡將逆變器輸出的電能向工業(yè)電網(wǎng)輸送的逆變器，稱為有源逆變器；凡將逆變器輸出的電能輸向某種用電負(fù)載的逆變器稱為無源逆變器。4,4,按逆變器主電路的

3、形式分，可分為單端式逆變器，推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。5 5 . .按逆變器主開關(guān)器件的類型分，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場(chǎng)效應(yīng)逆變器和絕緣柵雙極晶體管（IGBTIGBT）逆變器等。又可將其歸納為“半控型”逆變器和“全控制”逆變器兩大類。前者，不具備自關(guān)斷能力，元器件在導(dǎo)通后即失去控制作用，故稱之為“半控型”普通品閘管即屬于這一類；后者，則具有自關(guān)斷能力，即無器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均可由控制極加以控制，故稱之為“全控型”，電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙權(quán)晶體管（IGBTIGBT）等均屬于這一類。6 6 .按直流電源分，可分為電壓源型逆變器（VSIVSI）和電流源型逆變器（CSIC

4、SI）。前者，直流電壓近于恒定，輸出電壓為交變方波；后者，直流電流近于恒定，輸也電流為交變方波。7 7 . .按逆變器輸出電壓或電流的波形分， 可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。8 8 .按逆變器控制方式分，可分為調(diào)頻式（PFMPFM）逆變器和調(diào)脈寬式（PWMPWM）逆變器。9 9 . .按逆變器開關(guān)電路工作方式分， 可分為諧振式逆變器， 定頻硬開關(guān)式逆變器和定頻軟開關(guān)式逆變器。1010. .按逆變器換流方式分，可分為負(fù)載換流式逆變器和自換流式逆變器。逆變器的基本結(jié)構(gòu)逆變器的直接功能是將直流電能變換成為交流電能逆變裝置的核心，是逆變開關(guān)電路，簡(jiǎn)稱為逆變電路。該電路通過電力電子開關(guān)的導(dǎo)

5、通與關(guān)斷，來完成逆變的功能。電力電子開關(guān)器件的通斷，需要一定的驅(qū)動(dòng)脈沖，這些脈沖可能通過改變一個(gè)電壓信號(hào)來調(diào)節(jié)。產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖的電路。通常稱為控制電路或控制回路。逆變裝置的基本結(jié)構(gòu)，除上述的逆變電路和控制電路外，還有保護(hù)電路、輸出電路、輸入電路、輸出電路等，如圖 2 2 所示。逆變器的工作原理1 1 . .全控型逆變器工作原理： 圖 3 3 所示， 為通常使用的單相輸出的全橋逆變主電路，圖中，交流元件采用 IGBTIGBT 管 Q11Q11、Q12Q12、Q13Q13、Q14Q14。并由 PWMPWM 脈寬調(diào)制控制 IGBTIGBT 管的導(dǎo)通或截止。當(dāng)逆變器電路接上直流電源后，先由 Q Q11

6、11、Q Q1414 導(dǎo)通，Q1Q1、Q Q1313 截止，則電流由直流電源正極輸出，經(jīng) Q Q1111、L L 或感、變壓器初級(jí)線圈圖 1 12,2,到 Q Q1414 回到電源負(fù)極。當(dāng)Q Q1111、Q Q1414 截止后，Q Q1212、Q Q1313 導(dǎo)通，電流從電源正極經(jīng) Q13Q13、變壓器初級(jí)線圈 2 21 1 電感到 Q Q1212 回到電源負(fù)極。此時(shí)，在變壓器初級(jí)線圈上，已形成正負(fù)交變方波，利用高頻 PWMPWM 控制，兩對(duì) IGBTIGBT 管交替重復(fù)，在變壓器上產(chǎn)生交流電壓。由于 LCLC 交流濾波器作用，使輸出端形成正弦波交流電壓。當(dāng) Q11Q11、Q Q1414 關(guān)斷

7、時(shí)，為了釋放儲(chǔ)存能量，在 IGBTIGBT 處并聯(lián)二級(jí)管 D D1111、D12,D12,使能量返回到直流電源中去。2 2 . .半控型逆變器工作原理： 半控型逆變器采用晶閘管元件。 改進(jìn)型并聯(lián)逆變器的主電路如圖 4 4 所示。圖中，Th1Th1、ThTh2 2 為交替工作的晶閘管，設(shè) Th1Th1 先觸發(fā)導(dǎo)通，則電流通過變壓器流經(jīng) ThTh1,1,同時(shí)由于變壓器的感應(yīng)作用，換向電容器 C C 被充電到大的 2 2 倍的電源電壓。按著 ThTh2 2 被觸發(fā)導(dǎo)通，因 ThTh2 2 的陽極加反向偏壓，ThTh1 1 截止，返回阻斷狀態(tài)。這樣，ThTh1 1 與 ThTh2 2 換流，然后電容器

8、 C C 又反極性充電。如此交替觸發(fā)晶閘管，電流交替流向變壓器的初級(jí)，在變壓器的次級(jí)得到交流電。在電路中，電感 L L 可以限制換向電容 C C 的放電電流，延長(zhǎng)放電時(shí)間，保證電路關(guān)斷時(shí)間大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間，而不需容量很大的電容器。D D1 1 和 D2D2 是 2 2 只反饋二極管，可將電感 L L 中的能量釋放，將換向剩余的能量送回電源，完成能量的反饋?zhàn)饔?。逆變器的主要技術(shù)性能及評(píng)價(jià)選用技術(shù)性能表征逆變器性能的基本參數(shù)與技術(shù)條件內(nèi)容很多，下面僅就評(píng)價(jià)時(shí)常用的參數(shù)做一簡(jiǎn)要說明。1 1 . .額定輸出電壓在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動(dòng)范圍內(nèi)， 它表示逆變器應(yīng)能輸出的額定電壓值。對(duì)輸出額定電壓

9、值的穩(wěn)定準(zhǔn)確度一般有如下規(guī)定：(1)(1)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓波動(dòng)范圍應(yīng)有一個(gè)限定，例如其偏差不超過額定值的3%3%或土 5%5%。(2)(2)在負(fù)載突變(額定負(fù)載 0%-50%-100%)0%-50%-100%)或有其他干擾因素影響的動(dòng)態(tài)情況下，其輸出電壓偏差不應(yīng)超過額定值的8%8%或10%10%。2 2 .輸出電壓的不平衡度在正常工作條件下， 逆變器輸出的三相電壓不平衡度 （逆序分量對(duì)正序分量之比）應(yīng)不超過一個(gè)規(guī)定值，一般以%表示，如 5%5%或 8%8%。3 3 .輸出電壓的波形失真度當(dāng)逆變器輸出電壓為正弦度時(shí)，應(yīng)規(guī)定允許的最大波形失真度（或諧波含量）。通常以輸出電壓的總波形失真度表示，具

10、值不應(yīng)超過 5%5%（單相輸出允許10%10%）。4 4 . .額定輸出頻率逆變器輸出交流電壓的頻率應(yīng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，通常為工頻 50Hz50Hz0 0正常工作條件下其偏差應(yīng)在土 1%1%以內(nèi)。5 5 . .負(fù)載功率因數(shù)表征逆變器帶感性負(fù)載或容性負(fù)載的能力。 在正弦波條件下， 負(fù)載功率因數(shù)為 0.0.7 70.0.9 9（滯后），額定值為 0.0.9 9。6 6 . .額定輸出電流（或額定輸出容量）表示在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)范圍內(nèi)逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產(chǎn)品給出的是額定輸出容量，其單位以 V VA A 或 k kV VA A 表示。逆變器的額定容量是當(dāng)輸出功率因數(shù)為1 1（即純阻性負(fù)

11、載）時(shí)，額定輸出電壓為額定輸出電流的乘積。7 7 . .額定輸出效率逆變器的效率是在規(guī)定的工作條件下，其輸出功率對(duì)輸入功率之比，以表示。逆變器在額定輸出容量下的效率為滿負(fù)荷效率，在 10%10%額定輸出容量的效率為低負(fù)荷效率。8 8 .保護(hù)(1)(1)過電壓保護(hù)：對(duì)于沒電壓穩(wěn)定措施的逆變器，應(yīng)有輸出過電壓防護(hù)措施，以使負(fù)截免受輸出過電壓的損害。(2)(2)過電流保護(hù)：逆變器的過電流保護(hù)，應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流超過允許值時(shí)及時(shí)動(dòng)作，使其免受浪涌電流的損傷。9 9 . .起動(dòng)特性表征逆變器帶負(fù)載起動(dòng)的能力和動(dòng)態(tài)工作時(shí)的性能。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(dòng)。1010 . .噪聲電力電子設(shè)備中

12、的變壓器、濾波電感、電磁開關(guān)及風(fēng)扇等部件均會(huì)產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運(yùn)行時(shí)，其噪聲應(yīng)不超過 8080dBdB, ,小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過 6565dBodBo逆變器的主要技術(shù)性能及評(píng)價(jià)選用評(píng)價(jià)為正確選用光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器，應(yīng)對(duì)逆變器的技術(shù)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)逆變器對(duì)離網(wǎng)型主要光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響和光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器性能的要求，評(píng)價(jià)內(nèi)容有如下幾項(xiàng)：1 1 . .額定輸出容量表征逆變器向負(fù)載供電的能力。 額定輸出容量值高的逆變器可帶更多的用電負(fù)載。但當(dāng)逆變器的負(fù)載不是純阻性時(shí)，也就是輸出功率小于 1 1 時(shí)，逆變器的負(fù)載能力將小于所給出的額定輸出容量值。2 2 .輸出電壓穩(wěn)定度表征逆變器輸

13、出電壓的穩(wěn)壓能力。多數(shù)逆變器產(chǎn)品給出的是輸入直流電壓在允許波動(dòng)范圍內(nèi)該逆變器輸出電壓的偏差,通常稱為電壓調(diào)整率。高性能的逆變器應(yīng)同時(shí)給出當(dāng)負(fù)載由 0%-0%-100%100%變化時(shí)，該逆變器輸出電壓的偏差,通常稱為負(fù)載調(diào)整率。性能良好的逆變器的電壓調(diào)整率應(yīng)&3%,3%,負(fù)載調(diào)整率應(yīng)& &6%6%。3,3,整機(jī)效率表征逆變器自身功率損耗的大小， 通常以%表示。 容量較大的逆變器還應(yīng)給出滿負(fù)荷效率值和低負(fù)荷效率值。kWkW 級(jí)以下逆變器的效率應(yīng)為 80%80%85%,1085%,10kWkW 級(jí)逆變器的效率應(yīng)為 85%85%90%90%。逆變器效率的高低對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)提高有

14、效發(fā)電量和降低發(fā)電成本有重要影響。4 4 .保護(hù)功能過電壓、過電流及短路保護(hù)是保證逆變器安全運(yùn)行的最基本措施。功能完美的正弦波逆變器還具有欠電壓保護(hù)、缺相保護(hù)及溫度越限報(bào)警等功能。5 5 . .起動(dòng)性能逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(dòng)。高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿負(fù)荷起動(dòng)而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全，有時(shí)采用軟起動(dòng)或限流起動(dòng)。對(duì)于大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的波形失真度和噪聲水平等技術(shù)性能也十分重要。在選用離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器時(shí)，除依據(jù)上述 5 5 項(xiàng)基本評(píng)價(jià)內(nèi)容外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)(1)應(yīng)具有足夠的額定輸出容量和負(fù)載能力。逆變器的選用，首先要考慮

15、具有足夠的額定容量，以滿足最大負(fù)荷下設(shè)備對(duì)電功率的要求。對(duì)于以單一設(shè)備為負(fù)載的逆變器，其額定容量的選取較為簡(jiǎn)單，當(dāng)用電設(shè)備為純阻性負(fù)載或功率因數(shù)大于 0 0. .9 9 時(shí)，選取逆變器的額定容量為電設(shè)備容量的 1.11.151.11.15 倍即可。 在逆變器以多個(gè)設(shè)備為負(fù)載時(shí)，逆變器容量的選取要考慮幾個(gè)用電設(shè)備同時(shí)工作的可能性，即“負(fù)載同時(shí)系數(shù)”。(2)(2)應(yīng)具有較高的電壓穩(wěn)定性能。在離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中均以蓄電池為儲(chǔ)能設(shè)備。當(dāng)標(biāo)稱電壓為 12V12V 的蓄電池處于浮充電狀態(tài)時(shí)，端電壓可達(dá) 13.13.5V,5V,短時(shí)間過充電狀態(tài)可達(dá) 15V15V。蓄電池帶負(fù)荷放電終了時(shí)端電壓可降至 10.

16、10.5V5V 或更低。蓄電池端電壓的起伏可達(dá)標(biāo)稱電壓的 30%30%左右。這就要求逆變器具有較好的調(diào)壓性能，才能保證光伏發(fā)電系統(tǒng)以穩(wěn)定的交流電壓供電。(3)(3)在各種負(fù)載下具有高效率或較高效率。整機(jī)效率高是光伏發(fā)電用逆變器區(qū)別于通用型逆變器的一個(gè)顯著特點(diǎn)。1010kWkW 級(jí)的通用型逆變器實(shí)際效率只有 70%70%80%,80%,將其用于光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)將帶來總發(fā)電量 20%20%30%30%的電能損耗。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)專用逆變器在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意減少自身功率損耗，提高整機(jī)效率。因此這是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的一項(xiàng)重要措施。在整機(jī)效率方面對(duì)光伏發(fā)電專用逆變器的要求是：kWkW 級(jí)以下逆

17、變器額定負(fù)荷效率80%80%85%,85%,低負(fù)荷效率65%65%75%;1075%;10kWkW 級(jí)逆變器額定負(fù)荷效率85%85%90%,90%,低負(fù)荷效率70%70%8080%。(4)(4)應(yīng)具有良好的過電流保護(hù)與短路保護(hù)功能。光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，因負(fù)載故障、人員誤操作及外界干擾等原因而引起的供電系統(tǒng)過電流或短路，是完全可能的。逆變器對(duì)外電路的過電電流及短路現(xiàn)象最為敏感， 是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在選用逆變器時(shí)，必須要求具備有良好的對(duì)過電流及短路的自我保護(hù)功能。(5)(5)維護(hù)方便。高質(zhì)量的逆變器在運(yùn)行若干年后，因元器件失效而出現(xiàn)故障，應(yīng)屬于正?，F(xiàn)象。除生產(chǎn)廠家需有良好的

18、售后服務(wù)系統(tǒng)外，還要求生產(chǎn)廠家在逆變器生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)及元器件選型方面具有良好的可維護(hù)性。例如，損壞元器件有充足的備件或容易買到，元器件的互換性好；在工藝結(jié)構(gòu)上，元器件容易拆裝，更換方便。這樣，即使逆變器出現(xiàn)故障，也可迅速恢復(fù)正常。光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的操作使用與維護(hù)檢修操作使用1 1 . .嚴(yán)格按照逆變器使用維護(hù)說明書的要求進(jìn)行設(shè)備的連接和安裝。在安裝時(shí)，應(yīng)認(rèn)真檢查：線徑是否符合要求；各部件及端子在運(yùn)輸中有否松動(dòng)；應(yīng)絕緣處是否絕緣良好；系統(tǒng)的接地是否符合規(guī)定。2 2 . .應(yīng)嚴(yán)格按照逆變器使用維護(hù)說明書的規(guī)定操作使用。尤其是：在開機(jī)前要注意輸入電壓是否正常；在操作時(shí)要注意開關(guān)機(jī)的順序是否正確，各表頭和指示燈的指示是否正常。3 3 . .逆變器一般均有斷路、過電流、過電壓、過熱等項(xiàng)目的自動(dòng)保護(hù)，因此在發(fā)生這些現(xiàn)象時(shí)，無需人工停機(jī)；自動(dòng)保護(hù)的保護(hù)點(diǎn)，一般在出廠時(shí)已設(shè)定好，無需再行調(diào)整。4 4 . .逆變器機(jī)柜內(nèi)有高壓，操作人員一般不得打開柜門，柜門平時(shí)應(yīng)鎖死。5 5 . .在室溫超過 3