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科普貼：光伏逆變器工作原理及特點(diǎn)

2018-01-09 17:25:38 來源：中旭光伏　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

工作原理：　　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)通與關(guān)斷，來完成逆變的功能。　　特

工作原理：

　　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)通與關(guān)斷，來完成逆變的功能。

　　特點(diǎn)：

　　（1）要求具有較高的效率。

　　由于目前太陽能電池的價(jià)格偏高，為了最大限度的利用太陽能電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。

　　（2）要求具有較高的可靠性。

　　目前光伏電站系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無人值守和維護(hù)，這就要求逆變器有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護(hù)功能，如：輸入直流極性接反保護(hù)、交流輸出短路保護(hù)、過熱、過載保護(hù)等。

　　（3）要求輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍。

　　由于太陽能電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度變化而變化。特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大，如12V的蓄電池，其端電壓可能在 10V~16V之間變化，這就要求逆變器在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作。

　　光伏逆變器分類

　　有關(guān)逆變器分類的方法很多，例如：根據(jù)逆變器輸出交流電壓的相數(shù)，可分為單相逆變器和三相逆變器；根據(jù)逆變器使用的半導(dǎo)體器件類型不同，又可分為晶體管逆變器、晶閘管逆變器及可關(guān)斷晶閘管逆變器等。根據(jù)逆變器線路原理的不同，還可分為自激振蕩型逆變器、階梯波疊加型逆變器和脈寬調(diào)制型逆變器等。根據(jù)應(yīng)用在并網(wǎng)系統(tǒng)還是離網(wǎng)系統(tǒng)中又可以分為并網(wǎng)逆變器和離網(wǎng)逆變器。為了便于光電用戶選用逆變器，這里僅以逆變器適用場(chǎng)合的不同進(jìn)行分類。

　　1、集中型逆變器

　　集中逆變技術(shù)是若干個(gè)并行的光伏組串被連到同一臺(tái)集中逆變器的直流輸入端，一般功率大的使用三相的IGB T功率模塊，功率較小的使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管，同時(shí)使用DSP轉(zhuǎn)換控制器來改善所產(chǎn)出電能的質(zhì)量，使它非常接近于正弦波電流，一般用于大型光伏發(fā)電站（>10kW）的系統(tǒng)中。最大特點(diǎn)是系統(tǒng)的功率高，成本低，但由于不同光伏組串的輸出電壓、電流往往不完全匹配（特別是光伏組串因多云、樹蔭、污漬等原因被部分遮擋時(shí)），采用集中逆變的方式會(huì)導(dǎo)致逆變過程的效率降低和電戶能的下降。同時(shí)整個(gè)光伏系統(tǒng)的發(fā)電可靠性受某一光伏單元組工作狀態(tài)不良的影響。最新的研究方向是運(yùn)用空間矢量的調(diào)制控制以及開發(fā)新的逆變器的拓?fù)溥B接，以獲得部分負(fù)載情況下的高效率。

　　2、組串型逆變器

　　組串逆變器是基于模塊化概念基礎(chǔ)上的，每個(gè)光伏組串（1-5kw）通過一個(gè)逆變器，在直流端具有最大功率峰值跟蹤，在交流端并聯(lián)并網(wǎng)，已成為現(xiàn)在國際市場(chǎng)上最流行的逆變器。

　　許多大型光伏電廠使用組串逆變器。優(yōu)點(diǎn)是不受組串間模塊差異和遮影的影響，同時(shí)減少了光伏組件最佳工作點(diǎn)與逆變器不匹配的情況，從而增加了發(fā)電量。技術(shù)上的這些優(yōu)勢(shì)不僅降低了系統(tǒng)成本，也增加了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，在組串間引人"主-從"的概念，使得系統(tǒng)在單串電能不能使單個(gè)逆變器工作的情況下，將幾組光伏組串聯(lián)系在一起，讓其中一個(gè)或幾個(gè)工作，從而產(chǎn)出更多的電能。

　　最新的概念為幾個(gè)逆變器相互組成一個(gè)"團(tuán)隊(duì)"來代替"主-從"的概念，使得系統(tǒng)的可靠性又進(jìn)了一步。目前，無變壓器式組串逆變器已占了主導(dǎo)地位。

　　3、微型逆變器

　　在傳統(tǒng)的PV系統(tǒng)中，每一路組串型逆變器的直流輸入端，會(huì)由10塊左右光伏電池板串聯(lián)接入。當(dāng)10塊串聯(lián)的電池板中，若有一塊不能良好工作，則這一串都會(huì)受到影響。若逆變器多路輸入使用同一個(gè)MPPT，那么各路輸入也都會(huì)受到影響，大幅降低發(fā)電效率。在實(shí)際應(yīng)用中，云彩，樹木，煙囪，動(dòng)物，灰塵，冰雪等各種遮擋因素都會(huì)引起上述因素，情況非常普遍。而在微型逆變器的PV系統(tǒng)中，每一塊電池板分別接入一臺(tái)微型逆變器，當(dāng)電池板中有一塊不能良好工作，則只有這一塊都會(huì)受到影響。其他光伏板都將在最佳工作狀態(tài)運(yùn)行，使得系統(tǒng)總體效率更高，發(fā)電量更大。在實(shí)際應(yīng)用中，若組串型逆變器出現(xiàn)故障，則會(huì)引起幾千瓦的電池板不能發(fā)揮作用，而微型逆變器故障造成的影響相當(dāng)之小。

　　4、功率優(yōu)化器

　　太陽能發(fā)電系統(tǒng)加裝功率優(yōu)化器（Optimizer）可大幅提升轉(zhuǎn)換效率，并將逆變器（Inverter）功能化繁為簡(jiǎn)降低成本。為實(shí)現(xiàn)智慧型太陽能發(fā)電系統(tǒng)，裝置功率優(yōu)化器可確實(shí)讓每一個(gè)太陽能電池發(fā)揮最佳效能，并隨時(shí)監(jiān)控電池耗損狀態(tài)。功率優(yōu)化器是介于發(fā)電系統(tǒng)與逆變器之間的裝置，主要任務(wù)是替代逆變器原本的最佳功率點(diǎn)追蹤功能。功率優(yōu)化器藉由將線路簡(jiǎn)化以及單一太陽能電池即對(duì)應(yīng)一個(gè)功率優(yōu)化器等方式，以類比式進(jìn)行極為快速的最佳功率點(diǎn)追蹤掃描，進(jìn)而讓每一個(gè)太陽能電池皆可確實(shí)達(dá)到最佳功率點(diǎn)追蹤，除此之外，還能藉置入通訊晶片隨時(shí)隨地監(jiān)控電池狀態(tài)，即時(shí)回報(bào)問題讓相關(guān)人員盡速維修。

　　光伏逆變器的功能

　　逆變器不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。歸納起來有自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能、最大功率跟蹤控制功能、防單獨(dú)運(yùn)行功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、自動(dòng)電壓調(diào)整功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流檢測(cè)功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流接地檢測(cè)功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）。這里簡(jiǎn)單介紹自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能及最大功率跟蹤控制功能。

　　（1）自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能

　　早晨日出后，太陽輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，太陽電池的輸出也隨之增大，當(dāng)達(dá)到逆變器工作所需的輸出功率后，逆變器即自動(dòng)開始運(yùn)行。進(jìn)入運(yùn)行后，逆變器便時(shí)時(shí)刻刻監(jiān)視太陽電池組件的輸出，只要太陽電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率，逆變器就持續(xù)運(yùn)行；直到日落停機(jī)，即使陰雨天逆變器也能運(yùn)行。當(dāng)太陽電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時(shí)，逆變器便形成待機(jī)狀態(tài)。

　　（2）最大功率跟蹤控制功能

　　太陽電池組件的輸出是隨太陽輻射強(qiáng)度和太陽電池組件自身溫度（芯片溫度）而變化的。另外由于太陽電池組件具有電壓隨電流增大而下降的特性，因此存在能獲取最大功率的最佳工作點(diǎn)。太陽輻射強(qiáng)度是變化著的，顯然最佳工作點(diǎn)也是在變化的。相對(duì)于這些變化，始終讓太陽電池組件的工作點(diǎn)處于最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)始終從太陽電池組件獲取最大功率輸出，這種控制就是最大功率跟蹤控制。太陽能發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器的最大特點(diǎn)就是包括了最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）這一功能。

　　光伏逆變器的主要技術(shù)指標(biāo)

　　1.輸出電壓的穩(wěn)定度

　　在光伏系統(tǒng)中，太陽電池發(fā)出的電能先由蓄電池儲(chǔ)存起來，然后經(jīng)過逆變器逆變成220V或380V的交流電。但是蓄電池受自身充放電的影響，其輸出電壓的變化范圍較大，如標(biāo)稱12V的蓄電池，其電壓值可在10.8～14.4V之間變動(dòng)（超出這個(gè)范圍可能對(duì)蓄電池造成損壞）。對(duì)于一個(gè)合格的逆變器，輸入端電壓在這個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí)，其穩(wěn)態(tài)輸出電壓的變化量應(yīng)不超過額定值的±5％，同時(shí)當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，其輸出電壓偏差不應(yīng)超過額定值的±10％。

　　2.輸出電壓的波形失真度

　　對(duì)正弦波逆變器，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，其值應(yīng)不超過5％（單相輸出允許l0％）。由于逆變器輸出的高次諧波電流會(huì)在感性負(fù)載上產(chǎn)生渦流等附加損耗，如果逆變器波形失真度過大，會(huì)導(dǎo)致負(fù)載部件嚴(yán)重發(fā)熱，不利于電氣設(shè)備的安全，并且嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

　　3.額定輸出頻率

　　對(duì)于包含電機(jī)之類的負(fù)載，如洗衣機(jī)、電冰箱等，由于其電機(jī)最佳頻率工作點(diǎn)為50Hz，頻率過高或者過低都會(huì)造成設(shè)備發(fā)熱，降低系統(tǒng)運(yùn)行效率和使用壽命，所以逆變器的輸出頻率應(yīng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，通常為工頻50Hz，正常工作條件下其偏差應(yīng)在±l％以內(nèi)。

　　4.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。正弦波逆變器的負(fù)載功率因數(shù)為0.7～0.9，額定值為0.9。在負(fù)載功率一定的情況下，如果逆變器的功率因數(shù)較低，則所需逆變器的容量就要增大，一方面造成成本增加，同時(shí)光伏系統(tǒng)交流回路的視在功率增大，回路電流增大，損耗必然增加，系統(tǒng)效率也會(huì)降低。

　　5.逆變器效率

　　逆變器的效率是指在規(guī)定的工作條件下，其輸出功率與輸入功率之比，以百分?jǐn)?shù)表示，一般情況下，光伏逆變器的標(biāo)稱效率是指純阻負(fù)載，80％負(fù)載情況下的效率。由于光伏系統(tǒng)總體成本較高，因此應(yīng)該最大限度地提高光伏逆變器的效率，降低系統(tǒng)成本，提高光伏系統(tǒng)的性價(jià)比。目前主流逆變器標(biāo)稱效率在80％～95％之間，對(duì)小功率逆變器要求其效率不低于85％。在光伏系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，不但要選擇高效率的逆變器，同時(shí)還應(yīng)通過系統(tǒng)合理配置，盡量使光伏系統(tǒng)負(fù)載工作在最佳效率點(diǎn)附近。

　　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ＶＡ或ｋＶＡ表示。逆變器的額定容量是當(dāng)輸出功率因數(shù)為１（即純阻性負(fù)載）時(shí)，額定輸出電壓為額定輸出電流的乘積。

　　7、保護(hù)措施

　　一款性能優(yōu)良的逆變器，還應(yīng)具備完備的保護(hù)功能或措施，以應(yīng)對(duì)在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的各種異常情況，使逆變器本身及系統(tǒng)其他部件免受損傷。

　　（1）輸入欠壓保戶：

　　當(dāng)輸入端電壓低于額定電壓的85％時(shí)，逆變器應(yīng)有保護(hù)和顯示。

　　（2）輸入過壓保戶：

　　當(dāng)輸入端電壓高于額定電壓的130％時(shí)，逆變器應(yīng)有保護(hù)和顯示。

　　（3）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。當(dāng)工作電流超過額定的150％時(shí)，逆變器應(yīng)能自動(dòng)保護(hù)。

　　（4）輸出短路保戶

　　逆變器短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)不超過0.5s。

　　（5）輸入反接保護(hù)：

　　當(dāng)輸入端正、負(fù)極接反時(shí)，逆變器應(yīng)有防護(hù)功能和顯示。

　　（6）防雷保護(hù)：

　　逆變器應(yīng)有防雷保護(hù)。

　　（7）過溫保護(hù)等。

　　另外，對(duì)無電壓穩(wěn)定措施的逆變器，逆變器還應(yīng)有輸出過電壓防護(hù)措施，以使負(fù)載免受過電壓的損害。

　　8.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)。

　　9.噪聲

　　電力電子設(shè)備中的變壓器、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80dB，小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過65dB。

　　選型技巧

　　逆變器的選用，首先要考慮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0.9時(shí)，選取逆變器的額定容量為用電設(shè)備容量的1.1～1.15倍即可。同時(shí)逆變器還應(yīng)具有抗容性和感性負(fù)載沖擊的能力。

　　對(duì)一般電感性負(fù)載，如電機(jī)、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、大功率水泵等，在起動(dòng)時(shí)，其瞬時(shí)功率可能是其額定功率的5～6倍，此時(shí)，逆變器將承受很大的瞬時(shí)浪涌。針對(duì)此類系統(tǒng)，逆變器的額定容量應(yīng)留有充分的余量，以保證負(fù)載能可靠起動(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)需采用軟起動(dòng)或限流起動(dòng)的方式。

　　安裝注意事項(xiàng)及維護(hù)

　　1、在安裝前首先應(yīng)該檢查逆變器是否在運(yùn)輸過程中有無損壞。

　　2、在選擇安裝場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)該保證周圍內(nèi)沒有任何其他電力電子設(shè)備的干擾。

　　3、在進(jìn)行電氣連接之前，務(wù)必采用不透光材料將光伏電池板覆蓋或斷開直流側(cè)斷路器。暴露于陽光，光伏陣列將會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)電壓。

　　4、所有安裝操作必須且僅由專業(yè)技術(shù)人員完成。

　　5、光伏系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中所使用線纜必須連接牢固，良好絕緣以及規(guī)格合適。

　　發(fā)展趨勢(shì)

　　對(duì)于太陽能逆變器來講，提高電源的轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)永恒的課題，但是當(dāng)系統(tǒng)的效率越來越高，幾乎接近100%時(shí)，進(jìn)一步的效率改善會(huì)伴隨著性價(jià)比的低下，因此，如何保持一個(gè)很高的效率，又能維持很好的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力將是當(dāng)前的重要課題。

　　與逆變器效率的改善努力相比，如何提高整個(gè)逆變系統(tǒng)的效率，正逐漸成為太陽能系統(tǒng)的另一個(gè)重要課題。在一個(gè)太陽能陣列中，當(dāng)局部的2~3%面積的陰影出現(xiàn)時(shí)，對(duì)采用一個(gè)MPPT功能的逆變器來講，此時(shí)的系統(tǒng)輸出電力惡劣時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)20%左右的功率下降！為了更好地適應(yīng)類似這樣的狀況針對(duì)單一或部分太陽能組件，采用一對(duì)一的MPPT或多個(gè)MPPT控制功能是十分有效的方法。

　　由于逆變系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行的狀況，系統(tǒng)對(duì)地的漏電會(huì)造成嚴(yán)重的安全問題；此外，為了提高系統(tǒng)的效率，太陽能陣列大多會(huì)被串聯(lián)成很高的直流輸出電壓使用；為此，在電極間因異常狀況的發(fā)生，很容易產(chǎn)生出直流電弧，由于直流電壓高，非常不容易滅弧，極容易導(dǎo)致火災(zāi)。隨著太陽能逆變系統(tǒng)的廣泛采用，系統(tǒng)安全性的問題也將是逆變技術(shù)的重要部分。

　　此外，電力系統(tǒng)正在迎來智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和普及。大量的太陽能等新能源電力的系統(tǒng)并網(wǎng)，給智能電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)出能夠更加快速、準(zhǔn)確、智能化地兼容智能電網(wǎng)的逆變系統(tǒng)，將成為今后太陽能逆變系統(tǒng)的必要條件。

　　總的來說，逆變技術(shù)的發(fā)展是隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展而發(fā)展。隨著時(shí)間的推移，逆變技術(shù)正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發(fā)展。

責(zé)任編輯：lixin

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