光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器結構特點

1、光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器結構特點提出問題:1 .光伏發(fā)電系統(tǒng)并網時的主要部件是什么？2 .光伏逆變器如何分類？其電路如何構成？3 .IGBT是什么，有什么特點，主要參數(shù)？4 .電力MOSFET是什么，主要參數(shù)和特性？5 .逆變器的常用電路有哪些，各自的接線和特點是什么？6 .常用逆變器的形式有哪些，各自特點是什么，主要生產廠家？1 .光伏發(fā)電系統(tǒng)并網時的主要部件是什么？光伏發(fā)電系統(tǒng)并網時的主要部件是逆變器。無論是太陽能電池、風力發(fā)電還是新能源汽車，其系統(tǒng)應用都需要把直流電轉換為交流電，承擔這一任務的部件為逆變器。逆變器又稱電源調整器、功率調節(jié)器，是光伏系統(tǒng)必不可少的一部分。通常，物理上把將直流電能變

2、換成交流電能的過程稱為逆變，把實現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變設備或逆變器。逆變器的名稱由此而來。光伏逆變器最主要的功能是把太陽能電池板所發(fā)的直流電轉化成家電使用的交流電。逆變器是光伏系統(tǒng)的心臟，太陽能電池板所發(fā)的電全部都要通過逆變器的處理才能對外輸出，逆變器對于整套系統(tǒng)的運行起著重要的作用，逆變器的核心器件是IGBT（絕緣柵雙極型晶體管），也是價格最高的部件之一。2 .光伏逆變器如何分類？其電路如何構成？光伏逆變器的分類如下圖：逆變器的分類輸出波形運行方式輸出交流電相數(shù)功率流動方向方波逆變器階梯波逆變器正弦波逆變器離網逆變器并網逆變密律相逆變器三相逆變黑單向逆變器雙向逆變器功率較小(<4kW

3、)的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般采用正弦波逆變器。逆變器的顯示功能主要包括：直流輸入電壓和電流的測量值，交流輸出電壓和電流的測量值，逆變器的工作狀態(tài)(運行、故障、停機等)。光伏逆變器的電路構成如下圖所示：宜二輸入喇路主二逆.電路1*1輸出電路四%曲助電路控制電路'保護電路控制電路：逆變器的控制電路主要是為主逆變電路提供一系列的控制脈沖來控制逆變開關器件的導通與關斷，配合主逆變電路完成逆變功能。輔助電路：輔助電路主要是將輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。輔助電路還包含多種檢測、顯示電路。逆變器的顯示功能主要包括：直流輸入電壓和電流的測量值，交流輸出電壓和電流的測量值，逆變器的工作狀態(tài)（運行、

4、故障、停機等）。保護電路：逆變器的保護電路主要包括輸入過壓、欠壓保護，輸出過壓、欠壓保護，過載保護，過流和短路保護，接反保護，過熱保護等。3 .IGBT是什么，有什么特點，主要參數(shù)？IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor）,所以它是一個有MOSGate的BJT晶體管，也就是MOSFET和BJT的組合體。MOSFET主要是單一載流子（多子）導電，而BJT是兩種載流子導電，所以BJT的驅動電流會比MOSFET大，但是MOSFET的控制級柵極是靠場效應反型來控制的，沒有額外的控制端功率損耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的優(yōu)點組合起

5、來的，兼有MOSFET的柵極電壓控制晶體管（高輸入阻抗），又利用了BJT的雙載流子達到大電流（低導通壓降）的目的，從而達到驅動功率小、飽和壓降低的完美要求，廣泛應用于600V以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。如圖所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構，N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極（即發(fā)射極E）。N基極稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極（即門極G）。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)（包括P+和P-區(qū)，溝道在Ig區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannelregion）。而在漏區(qū)另一側的P+區(qū)稱為漏注入區(qū)（Dra

6、ininjector）,它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入區(qū)上的電極稱為漏極（即集電極C）。IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來為NPN)晶體管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET,所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴(少子)，對N-層進行電導調制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時

7、，也具有低的通態(tài)電壓。IGBT是由MOSFET和GTR技術結合而成的復合型開關器件，是通過在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構成的，性能上也是結合了MOSFET和雙極型功率晶體管的優(yōu)點。主要參數(shù)(1)集-射極額定電壓Uces。它是柵一射極短路時的IGBT最大耐壓值，是根據器件的雪崩擊穿電壓規(guī)定的。(2)柵-射極額定電壓UGESoIGBT是電壓控制器件，靠加到柵極的電壓信號來控制IGBT的導通和關斷，而UGES是柵極的電壓控制信號額定值。通常IGBT對柵極的電壓控制信號相當敏感，只有柵極在額定電壓值很小的范圍內，才能使IGBT導通而不致?lián)p壞。(3)柵-射極開啟電壓UGE(th)。它是指使IG

8、BT導通所需的最小柵射極電壓。通常，IGBT的開啟電壓UGE(th)在35.5V之間。(4)集電極額定電流IC。它是指在額定的測試溫度(殼溫為25C)條件下，IGBT所允許的集電極最大直流電流。(5)集-射極飽和電壓UCEO。IGBT在飽和導通時，通過額定電流的集射極電壓，代表了IGBT的通態(tài)損耗大小。通常IGBT的集一射極飽和電壓UCEO在1.53V之間主要生產廠家英飛凌(Infineon)德國三菱(Mitsubishi)日本ABB瑞典IR(國際整流器公司)美國4 .電力MOSFET是什么，主要參數(shù)和特性？電力(功率)MOSFET即金屬氧化物半導體場效應晶體管(MetalOxideSemic

9、onductorFieldEffectTransistor有三個管腳，分別為柵極(Gate)，漏極(Drain)和源極(Source。功率MOSFET為電壓型控制器件，驅動電路簡單，驅動的功率小，而且開關速度快，具有高的工作頻率。常用的MOSFET的結構有橫向雙擴散型場效應晶體管LDMOS(LateralDouble-DiffusedMOS)、平面雙擴散型場效應晶體管(PlanarMOS)和溝槽雙擴散型場效應晶體管(TrenchMOS)。N溝道的橫向雙擴散型場效應晶體管的結構如圖所示，柵極，漏極和源極都在硅片的上表面，下部為襯底，當電流從漏極流向源極時，電流在硅片內部橫向流動，而且主要從硅片的

10、上表層流過，因此沒有充分應用硅片的尺寸，電流和電壓的額定值受到限制。但這種結構具有低的電容，因此開關速度快，主要適合低壓應用，如微處理器、運放、數(shù)字電路及射頻電路等。SourceGateDrain主要參數(shù)：VDS,即漏源電壓，這是MOSFET的一個極限參數(shù)，表示MOSFET漏極與源極之間能夠承受的最大電壓值。需要注意的是，這個參數(shù)是跟結溫相關的，通常結溫越高，該值最大。RDS(on),漏源導通電阻，它表示MOSFET在某一條件下導通時，漏源極之間的導通電阻。這個參數(shù)與MOSFET結溫，驅動電壓Vgs相關。在一定范圍內，結溫越高，Rds越大;驅動電壓越高，Rds越小。Qg,柵極電荷，是在驅動信號

11、作用下，柵極電壓從0V上升至終止電壓(如15V)所需的充電電荷。也就是MOSFET從截止狀態(tài)到完全導通狀態(tài)，驅動電路所需提供的電荷，是一個用于評估MOSFET的驅動電路驅動能力的主要參數(shù)。Id,漏極電流，漏極電流通常有幾種不同的描述方式。根據工作電流的形式有，連續(xù)漏級電流及一定脈寬的脈沖漏極電流(Pulseddraincurrent)這個參數(shù)同樣是MOSFET的一個極限參數(shù)，但此最大電流值并不代表在運行過程中漏極電流能夠達到這個值。它表示當殼溫在某一值時，如果MOSFET工作電流為上述最大漏極電流，則結溫會達到最大值。所以這個參數(shù)還跟器件封裝，環(huán)境溫度有關。di/dt體二極管的電流變化率，它反

12、應了MOSFET體二極管的反向恢復特性。因為二極管是雙極型器件，它受到電荷存儲的影響，當二極管反向偏置時，PN結儲存的電荷必須清除，上述參數(shù)正是反應這一特性的。Vgs,柵源極最大驅動電壓，這也是MOSFET的一個極限參數(shù)，表示MOSFET所能承受的最大驅動電壓，一旦驅動電壓超過這個極限值，即使在極短的時間內也會對柵極氧化層產生永久性傷害。一般來說，只要驅動電壓不超過極限，就不會有問題。但是，某些特殊場合，因為寄生參數(shù)的存在，會對Vgs電壓產生不可預料的影響，需要格外注意。SOA,安全工作區(qū)，每種MOSFET都會給出其安全工作區(qū)域，不同雙極型晶體管，功率MOSFET不會表現(xiàn)出二次擊穿，因此安全運

13、行區(qū)域只簡單從導致結溫達到最大允許值時的耗散功率定義。主要生產廠家：德州儀器（TexasInstruments美國英飛凌（Infineon）德國安森美半導體（ONSemiconductor）美國瑞薩電子（RenesaS日本5 .逆變器的常用電路有哪些，各自的接線和特點是什么？逆變電路分為三相和單相兩大類。其中，單相逆變電路主要采用橋式接法。主要有單相半橋、單相全橋逆變電路、推挽式逆變電路。而三相電壓型逆變電路則是由三個單相逆變電路組成。又可根據直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側是電流源的則稱為電流型逆變電路。電壓型逆變電路有以下特點：1）直流側為電壓源，

14、或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2）由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因為負載阻抗的情況不同而不同。3）當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。（續(xù)流二極管）單相半橋逆變電路工作原理如下：V1和V2柵極信號在一周期內各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2。V1或V2通時，io和uo同方向，直流側向負載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感

15、中貯能向直流側反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管，它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。優(yōu)點：電路簡單，使用器件少。缺點：輸出交流電壓幅值為Ud/2,且直流側需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應用：用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路的移相調壓方式共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導通180。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。阻感負載時，還可采用移相的方式來調節(jié)輸出電壓（移相調壓）。在0t1期間，VT1、VT4的基

16、極控制脈沖都為高電平，VT1、VT4都導通，A點通過VT1與Ud正端連接，B點通過VT4與Ud負端連接，故R、L兩端的電壓Uo大小與Ud相等，極性為左正右負（為正壓），流過R、L電流的方向是：Ud+-VTR、L-VT4-Ud-。在t1t2期間，VT1的Ub1為高電平，VT4的Ub4為低電平，VT1導通，VT4關斷，流過L的電流突然變小，L馬上產生左負右正的電動勢，該電動勢通過VD3形成電流回路，電流途徑是：L右正一VD3-VT1-R-L左負，該電流方向仍是由左往右。由于VT1、VD3都導通，A點和B點都與Ud正端連接，即UA=UB,R、L兩端的電壓Uo為0（Uo=UA-UB）。在此期間，VT3

17、的Ub3也為高電平，但因VD3的導通使VT3的c、e極電壓相等，VT3無法導通。在t2t3期間，VT2、VT3的基極控制脈沖都為高電平，在此期間開始一段時間內，L還未能完全釋放能量，還有左負右正電動勢，但VT1因基極變?yōu)榈碗娖蕉刂?，L的電動勢轉而經VD3、VD2對直流側電容C充電，充電電流途徑是：L右正VD3-C-VD2R-L左負，VD3、VD2的導通使VT2、VT3不能導通，A點通過VD2與Ud負端連接，B點通過VD3與Ud正端連接，故R、L兩端的電壓Uo大小與Ud相等，極性為左負右正(為負壓)，當L上的電動勢下降到與Ud相等時，無法繼續(xù)對C充電，VD3、VD2截止，VT2、VT3馬上導通

18、，有電流流過R、L,電流的方向是：Ud+-VT3-L、R-VT2-Ud-。在t3t4期間，VT2的Ub2為高電平，VT3的Ub3為低電平，VT2導通，VT3關斷，流過L的電流突然變小，L馬上產生左正右負的電動勢，該電動勢通過VD4形成電流回路，電流途徑是：L左正一R-VT2-VD4-L右負，該電流方向是由右往左。由于VT2、VD4都導通，A點和B點都與Ud負端連接，即UA=UB,R、L兩端的電壓Uo為0(Uo=UA-UB)。在此期間，VT4的Ub4也為高電平，但因VD4的導通使VT4的c、e極電壓相等，VT4無法導通。t4時刻以后，電路重復上述工作過程電路圖和波形圖如下：帶中心抽頭變壓器的逆變

19、電路如圖，交替驅動兩個IGBT,經變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。Ud和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為1:1:時，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開關器件。器件承受的電壓為2Ud,比全橋電路高一倍。必須有一個變壓器。VVt<小孫ZSifbVI>X三相橋式逆變電路用三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為開關器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖所示，可以看成是由三個半橋逆變電路組成。三相電壓型橋式逆變電路電路的直流側通常只

20、有一個電容器，但為了方便分析，作出串聯(lián)的兩個電容器并標出假想中點N'。與單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180。導電方式，即每個橋臂的導電角度為180°,同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度以此相差120。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通。可能是上面一個臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行，因此也被稱為縱向換流波形圖和電路圖如下狀志123456電角度0-6060-120120180180-240240-300300-360導通防、除VIV-匕、51%小匕

21、&0、1小小匕開關負載UW.U一；YywVwni等值電路f1A出BfiVVWWuuV出N久3"-也-紅3"-也開關模式輸出電壓U相上開關管VI導通U.=Ud/2U相下開關管V4導通%=-Ud/2V相上開關管V3導通U、N=Ud/2V相下開關管V6導通%'=-Ud/2W相上開關管V5導通%=Ud/2W相下開關管V2導通%'=-Ud/26.常用逆變器的形式有哪些，各自特點是什么，主要生產廠家？逆變器作為光伏發(fā)電的重要組成部分，主要的作用是將光伏組件發(fā)出的直流電轉變成交流電。目前，市面上常見的逆變器主要分為集中式逆變器與組用式逆變器，還有新潮的集散式逆變器

22、.集中式逆變器集中式逆變器顧名思義是將光伏組件產生的直流電匯總轉變?yōu)榻涣麟姾筮M行升壓、并網。因此，逆變器的功率都相對較大。光伏電站中一般采用500kW以上的集中式逆變器。（一）集中式逆變器的優(yōu)點如下：1 .功率大，數(shù)量少，便于管理；元器件少，穩(wěn)定性好，便于維護；2 .諧波含量少，電能質量高；保護功能齊全，安全性高；3 .有功率因素調節(jié)功能和低電壓穿越功能，電網調節(jié)性好。（二）集中式逆變器存在如下問題：1 .集中式逆變器MPPT（最大功率點跟蹤）電壓范圍較窄，不能監(jiān)控到每一路組件的運行情況，因此不可能使每一路組件都處于最佳工作點，組件配置不靈活；2 .集中式逆變器占地面積大，需要專用的機房，安裝不靈活；3 .自身耗電以及機房通風散熱耗電量大。組用式逆變器組用式逆變器顧名思義是將光伏組件產生的直流電直接轉變?yōu)榻涣麟妳R總后升壓、并網。因此，逆變器的功率都相對較小。光伏電站中一般采用50kW以下的組用式逆變器。（一）組用式逆變器優(yōu)點：1 .不受組審問模塊差異和陰影遮擋的影響，同時減少光伏電池組件