太陽能逆變器

　　直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變。逆變器是一種電源轉(zhuǎn)換裝置，逆變器按激勵(lì)方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負(fù)載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。有了逆變器，就可使用直流蓄電池為電器提供交流電。

　　多樣性

　　由于建筑的多樣性，勢(shì)必導(dǎo)致太陽能電池板安裝的多樣性，為了使太陽能的轉(zhuǎn)換效率最高同時(shí)又兼顧建筑的外形美觀，這就要求我們的逆變器的多樣化，來實(shí)現(xiàn)最佳方式的太陽能轉(zhuǎn)換。現(xiàn)在世界上比較通行的太陽能逆變方式為：集中逆變器、組串逆變器，多組串逆變器和組件逆變，現(xiàn)將幾種逆變器運(yùn)用的場(chǎng)合加以分析。

　　集中逆變

　　集中逆變一般用與大型光伏發(fā)電站(>10kW)的系統(tǒng)中，很多并行的光伏組串被連

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　　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IGBT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。最大特點(diǎn)是系統(tǒng)的功率高，成本低。但受光伏組串的匹配和部分遮影的影響，導(dǎo)致整個(gè)光伏系統(tǒng)的效率和電產(chǎn)能。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)載情況下的高的效率。在SolarMax(索瑞·麥克)集中逆變器上，可以附加一個(gè)光伏陣列的接口箱，對(duì)每一串的光伏帆板串進(jìn)行監(jiān)控，如其中有一組串工作不正常，系統(tǒng)將會(huì)把這一信息傳到遠(yuǎn)程控制器上，同時(shí)可以通過遠(yuǎn)程控制將這一串停止工作，從而不會(huì)因?yàn)橐淮夥墓收隙档秃陀绊懻麄€(gè)光伏系統(tǒng)的工作和能量產(chǎn)出。

　　組串逆變

　　組串逆變器已成為現(xiàn)在國際市場(chǎng)上最流行的逆變器。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(1kW-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)

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　　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)，在組串間引入“主-從”的概念，使得在系統(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。

　　多組串逆變

　　多組串逆變是取了集中逆變和組串逆變的優(yōu)點(diǎn)，避免了其缺點(diǎn)，可應(yīng)用于幾千瓦的光伏發(fā)電站。在多組串逆變器中，包含了不同的單獨(dú)的功率峰值跟蹤和直流到直流的轉(zhuǎn)換器，這些直流通過一個(gè)普通的直流到交流的逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，并網(wǎng)到電網(wǎng)上。光伏組串的不同額定值(如：不同的額定功率、每組串不同的組件數(shù)、組件的不同的生產(chǎn)廠家等等)、不同的尺寸或不同技術(shù)的光伏組件、不同方向的組串(如：東、南和西)、不同的傾角或遮影，都可以被連在一個(gè)共同的逆變器上，同時(shí)每一組串都工作在它們各自的最大功率峰值上。同時(shí)，直流電纜的長度減少、將組串間的遮影影響和由于組串間的差異而引起的損失減到最小。

　　組件逆變

　　組件逆變器是將每個(gè)光伏組件與一個(gè)逆變器相連，同時(shí)每個(gè)組件有一個(gè)單獨(dú)的最大功率峰值跟蹤，這樣組件與逆變器的配合更好。通常用于50W到400W的光伏發(fā)電站，總效率低于組串逆變器。由于是在交流處并聯(lián)，這就增加了交流側(cè)的連線的復(fù)雜性，維護(hù)困難。另一需要解決的是怎樣更有效的與電網(wǎng)并網(wǎng)，簡(jiǎn)單的辦法是直接通過普通的交流電插座進(jìn)行并網(wǎng)，這樣就可以減少成本和設(shè)備的安裝，但往往各地的電網(wǎng)的安全標(biāo)準(zhǔn)也許不允許這樣做，電力公司有可能反對(duì)發(fā)電裝置直接和普通家庭用戶的普通插座相連。另一和安全有關(guān)的因素是是否需要使用隔離變壓器(高頻或低頻)，或者允許使用無變壓器式的逆變器。這一逆變器在玻璃幕墻中使用最為廣泛。

　　能逆變器的效率

　　太陽能逆變器的效率指由于對(duì)可再生能源的需求，太陽能逆變器 (光電逆變器) 的市場(chǎng)正在不斷增長。而這些逆變器需要極高的效率和可靠性。對(duì)這些逆變器中采用的功率電路進(jìn)行了考察，并推薦了針對(duì)開關(guān)和整流器件的最佳選擇。光電逆變器的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，有三種不同的逆變器可供選擇。太陽光照射在通過串聯(lián)方式連接的太陽能模塊上，每一個(gè)模塊都包含了一組串聯(lián)的太陽能電池 (Solar Cell)單元。太陽能模塊產(chǎn)生的直流 (DC) 電壓在幾百伏的數(shù)量級(jí)，具體數(shù)值根據(jù)模塊陣列的光照條件、電池的溫度及串聯(lián)模塊的數(shù)量而定。

　　這類逆變器的首要功能是把輸入的 DC電壓轉(zhuǎn)換為一穩(wěn)定的值。該功能通過升壓轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，并需要升壓開關(guān)和升壓二極管。在第一種結(jié)構(gòu)中，升壓級(jí)之后是一個(gè)隔離的全橋變換器。全橋變壓器的作用是提供隔離。輸出上的第二個(gè)全橋變換器是用來從第一級(jí)的全橋變換器的直流DC變換成交流 (AC) 電壓。其輸出再經(jīng)由額外的雙觸點(diǎn)繼電器開關(guān)連接到AC電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之前被濾波，目的是在故障事件中提供安全隔離及在夜間與供電電網(wǎng)隔離。第二種結(jié)構(gòu)是非隔離方案。其中，AC交流電壓由升壓級(jí)輸出的DC電壓直接產(chǎn)生。第三種結(jié)構(gòu)利用功率開關(guān)和功率二極管的創(chuàng)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把升壓和AC交流產(chǎn)生部分的功能整合在一個(gè)專用拓?fù)渲斜M管太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率非常低，讓逆變器的效率盡可能接近100% 卻非常重要。在德國，安裝在朝南屋頂上的3kW串聯(lián)模塊預(yù)計(jì)每年可發(fā)電2550 kWh。若逆變器效率從95% 增加到 96%，每年便可以多發(fā)電25kWh。而利用額外的太陽能模塊產(chǎn)生這25kWh的費(fèi)用與增加一個(gè)逆變器相當(dāng)。由于效率從95% 提高到 96% 不會(huì)使到逆變器的成本加倍，故對(duì)更高效的逆變器進(jìn)行投資是必然的選擇。對(duì)新興設(shè)計(jì)而言，以最具成本效益地提高逆變器效率是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。至于逆變器的可靠性和成本則是另外兩個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。更高的效率可以降低負(fù)載周期上的溫度波動(dòng)，從而提高可靠性，因此，這些準(zhǔn)則實(shí)際上是相關(guān)聯(lián)的。模塊的使用也會(huì)提高可靠性。

　　用于升壓級(jí)的開關(guān)和二極管

　　圖1所示的所有拓?fù)涠夹枰焖俎D(zhuǎn)換的功率開關(guān)。升壓級(jí)和全橋變換級(jí)需要快速轉(zhuǎn)換二極管。此外，專門為低頻 (100Hz) 轉(zhuǎn)換而優(yōu)化的開關(guān)對(duì)這些拓?fù)湟埠苡杏锰?。?duì)于任何特定的硅技術(shù)，針對(duì)快速轉(zhuǎn)換優(yōu)化的開關(guān)比針對(duì)低頻轉(zhuǎn)換應(yīng)用優(yōu)化的開關(guān)具有更高的導(dǎo)通損耗。

　　升壓級(jí)一般設(shè)計(jì)為連續(xù)電流模式轉(zhuǎn)換器。根據(jù)逆變器所采用的陣列中太陽能模塊的數(shù)量，來選擇使用600V還是1200V的器件。功率開關(guān)的兩個(gè)選擇是MOSFET和 IGBT。一般而言，MOSFET比IGBT可以工作在更高的開關(guān)頻率下。此外，還必須始終考慮體二極管的影響：在升壓級(jí)的情況下并沒有什么問題，因?yàn)檎９ぷ髂Ｊ较麦w二極管不導(dǎo)通。MOSFET的導(dǎo)通損耗可根據(jù)導(dǎo)通阻抗RDS(ON)來計(jì)算，對(duì)于給定的MOSFET系列，這與有效裸片面積成比例關(guān)系。當(dāng)額定電壓從600V 變化到1200V時(shí)，MOSFET的傳導(dǎo)損耗會(huì)大大增加，因此，即使額定RDS(ON) 相當(dāng)，1200V的 MOSFET也不可用或是價(jià)格太高。

　　對(duì)于額定600V的升壓開關(guān)，可采用超結(jié)MOSFET。對(duì)高頻開關(guān)應(yīng)用，這種技術(shù)具有最佳的導(dǎo)通損耗。目前市面上有采用TO-220封裝、RDS(ON) 值低于100毫歐的MOSFET和采用TO-247封裝、RDS(ON) 值低于50毫歐的MOSFET。對(duì)于需要1200V功率開關(guān)的太陽能逆變器，IGBT是適當(dāng)?shù)倪x擇。較先進(jìn)的IGBT技術(shù)，比如NPT Trench 和 NPT Field Stop，都針對(duì)降低導(dǎo)通損耗做了優(yōu)化，但代價(jià)是較高的開關(guān)損耗，這使得它們不太適合于高頻下的升壓應(yīng)用。

　　在舊有NPT平面技術(shù)?的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種可以提高高開關(guān)頻率的升壓電路效率的器件FGL40N120AND，具有43uJ/A的EOFF? ，比較采用更先進(jìn)技術(shù)器件的EOFF為80uJ/A，但要獲得這種性能卻非常困難。FGL40N120AND器件的缺點(diǎn)在于飽和壓降VCE(SAT) (3.0V 相對(duì)于125oC的 2.1V) 較高，不過它在高升壓開關(guān)頻率下開關(guān)損耗很低的優(yōu)點(diǎn)已足以彌補(bǔ)這一切。該器件還集成了反并聯(lián)二極管。在正常升壓工作下，該二極管不會(huì)導(dǎo)通。然而，在啟動(dòng)期間或瞬變情況下，升壓電路有可能被驅(qū)使進(jìn)入工作模式，這時(shí)該反并聯(lián)二極管就會(huì)導(dǎo)通。由于IGBT本身沒有固有的體二極管，故需要這種共封裝的二極管來保證可靠的工作。對(duì)升壓二極管，需要Stealth? 或碳硅二極管這樣的快速恢復(fù)二極管。碳硅二極管具有很低的正向電壓和損耗。不過目前它們的價(jià)格都很高昂。在選擇升壓二極管時(shí)，必須考慮到反向恢復(fù)電流 (或碳硅二極管的結(jié)電容) 對(duì)升壓開關(guān)的影響，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致額外的損耗。在這里，新推出的Stealth II 二極管 FFP08S60S可以提供更高的性能。當(dāng)VDD=390V、 ID=8A、di/dt=200A/us，且外殼溫度為100oC時(shí)，計(jì)算得出的開關(guān)損耗低于FFP08S60S的參數(shù)205mJ。而采用ISL9R860P2 Stealth 二極管，這個(gè)值則達(dá)225mJ。故此舉也提高了逆變器在高開關(guān)頻率下的效率。

　　用于橋接和專用級(jí)的開關(guān)和二極管

　　MOSFET全橋?yàn)V波之后，輸出橋產(chǎn)生一個(gè)50Hz的正弦電壓及電流信號(hào)。一種常見的實(shí)現(xiàn)方案是采用標(biāo)準(zhǔn)全橋結(jié)構(gòu) (圖2)。圖中若左上方和右下方的開關(guān)導(dǎo)通，則在左右終端之間加載一個(gè)正電壓;右上方和左下方的開關(guān)導(dǎo)通，則在左右終端之間加載一個(gè)負(fù)電壓。對(duì)于這種應(yīng)用，在某一時(shí)段只有一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通。一個(gè)開關(guān)可被切換到PWM高頻下，另一開關(guān)則在50Hz低頻下。由于自舉電路依賴于低端器件的轉(zhuǎn)換，故低端器件被切換到PWM高頻下，而高端器件被切換到50Hz低頻下。這應(yīng)用采用了600V的功率開關(guān)，故600V超結(jié)MOSFET非常適合這個(gè)高速的開關(guān)器件。由于這些開關(guān)器件在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)會(huì)承受其它器件的全部反向恢復(fù)電流，因此快速恢復(fù)超結(jié)器件如600V FCH47N60F是十分理想的選擇。它的RDS(ON) 為73毫歐，相比其它同類的快速恢復(fù)器件其導(dǎo)通損耗很低。當(dāng)這種器件在50Hz下進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，無需使用快速恢復(fù)特性。這些器件具有出色的dv/dt和di/dt特性，比較標(biāo)準(zhǔn)超結(jié)MOSFET可提高系統(tǒng)的可靠性。

　　另一個(gè)值得探討的選擇是采用FGH30N60LSD器件。它是一顆飽和電壓VCE(SAT) 只有1.1V的30A/600V IGBT。其關(guān)斷損耗EOFF非常高，達(dá)10mJ ，故只適合于低頻轉(zhuǎn)換。一個(gè)50毫歐的MOSFET在工作溫度下導(dǎo)通阻抗RDS(ON) 為100毫歐。因此在11A時(shí)，具有和IGBT的VCE(SAT) 相同的VDS。由于這種IGBT基于較舊的擊穿技術(shù)，VCE(SAT) 隨溫度的變化不大。因此，這種IGBT可降低輸出橋中的總體損耗，從而提高逆變器的總體效率。FGH30N60LSD IGBT在每半周期從一種功率轉(zhuǎn)換技術(shù)切換到另一種專用拓?fù)涞淖龇ㄒ彩钟杏?。IGBT在這里被用作拓?fù)溟_關(guān)。在較快速的轉(zhuǎn)換時(shí)則使用常規(guī)及快速恢復(fù)超結(jié)器件。對(duì)于1200V的專用拓?fù)浼叭珮蚪Y(jié)構(gòu)，前面提到的FGL40N120AND是非常適合于新型高頻太陽能逆變器的開關(guān)。當(dāng)專用技術(shù)需要二極管時(shí)，Stealth II、Hyperfast? II 二極管及碳硅二極管是很好的解決方案。逆變器把直流電轉(zhuǎn)換為交流電的效率，目前，歐洲逆變器效率普遍較高，可達(dá)到97.2%。

??????? 類型與應(yīng)用范圍分類

　　(1)普通型逆變器

　　直流12V或24V輸入，交流220V、50Hz輸出，功率從75W到5000W,有些型號(hào)具有交、直流轉(zhuǎn)換即UPS功能。

　　(2)逆變/充電一體機(jī)

　　在此類逆變器中，用戶可以使用各種形式的電源為交流負(fù)載供電：有交流電時(shí)，通過逆變器使用交流電為負(fù)載供電，或?yàn)樾铍姵爻潆?無交流電時(shí)，用蓄電池為交流負(fù)載供電。它可與各種電源結(jié)合使用：如蓄電池、發(fā)電機(jī)、太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。

　　(3)郵電通信專用逆變器

　　為郵電、通信提供高品質(zhì)的48V逆變器，其產(chǎn)品質(zhì)量好、可靠性高、模塊式(模塊為1KW)逆變器，并具有N+1冗余功能、可擴(kuò)充(功率從2KW到20KW)。

　　(4)航空、軍隊(duì)專用逆變器

　　此類逆變器為28Vdc輸入，可提供下列交流輸出：26Vac、115Vac、230Vac，其輸出頻率可為：50Hz、60Hz及400Hz,輸出功率從30VA到3500VA不等。還有供航空專用的DC-DC轉(zhuǎn)換器及變頻器。

　　輸出波形分類

　　(1)方波逆變器

　　方波逆變器輸出的交流電壓波形為方波。此類逆變器所使用的逆變線路也不完全相同，但共同的特點(diǎn)是線路比較簡(jiǎn)單，使用的功率開關(guān)管數(shù)量很少。設(shè)計(jì)功率一般在百瓦至千瓦之間。方波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維修方便。缺點(diǎn)是由于方波電壓中含有大量高次諧波，在帶有鐵心電感或變壓器的負(fù)載用電器中將產(chǎn)生附加損耗，對(duì)收音機(jī)和某些通訊設(shè)備有干擾。此外，這類逆變器還有調(diào)壓范圍不夠?qū)?，保護(hù)功能不夠完善，噪聲比較大等缺點(diǎn)。

　　(2)階梯波逆變器

　　此類逆變器輸出的交流電壓波形為階梯波，逆變器實(shí)現(xiàn)階梯波輸出也有多種不同線路，輸出波形的階梯數(shù)目差別很大。階梯波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是，輸出波形比方波有明顯改善，高次諧波含量減少，當(dāng)階梯達(dá)到17個(gè)以上時(shí)輸出波形可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)正弦波。當(dāng)采用無變壓器輸出時(shí)，整機(jī)效率很高。缺點(diǎn)是，階梯波疊加線路使用的功率開關(guān)管較多，其中有些線路形式還要求有多組直流電源輸入。這給太陽電池方陣的分組與接線和蓄電池的均衡充電均帶來麻煩。此外，階梯波電壓對(duì)收音機(jī)和某些通訊設(shè)備仍有一些高頻干擾。

　　(3)正弦波逆變器

　　正弦波逆變器輸出的交流電壓波形為正弦波。正弦波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是，輸出波形好，失真度很低，對(duì)收音機(jī)及設(shè)備干擾小，噪聲低。此外，保護(hù)功能齊全，整機(jī)效率高。缺點(diǎn)是：線路相對(duì)復(fù)雜，對(duì)維修技術(shù)要求高，價(jià)格較貴。

　　上述三種類型逆變器的分類，有利于光伏系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和用戶對(duì)逆變器進(jìn)行識(shí)別和選型。實(shí)際上，波形相同的逆變器在線路原理，使用器件及控制方法等等方面仍有很大區(qū)別。

　　性能參數(shù)

　　描述逆變器性能的參量和技術(shù)條件很多，這里僅就評(píng)價(jià)逆變器時(shí)常用的技術(shù)參數(shù)做一扼要說明。

　　1.逆變器的使用環(huán)境條件，逆變器正常使用條件：海拔高度不超過1000m，空氣溫度0～+40℃。

　　2.直流輸入電源條件，輸入直流電壓波動(dòng)范圍：蓄電池組額定電壓值的±15%。

　　太陽能逆變器3.額定輸出電壓，在規(guī)定的輸入電源條件下，輸出額定電流時(shí)，逆變器應(yīng)輸出的額定電壓值。電壓波動(dòng)范圍：?jiǎn)蜗?20V±5%，三相380±5%。

　　4.額定輸出電流，在規(guī)定的輸出頻率和負(fù)載功率因數(shù)下，逆變器應(yīng)輸出的額定電流值。

　　5.額定輸出頻率，在規(guī)定的條件下，固定頻率逆變器的額定輸出頻率為50Hz：

　　頻率波動(dòng)范圍：50Hz±2%。

　　6.逆變器的最大諧波含量，正弦波逆變器，在阻性負(fù)載下，輸出電壓的最大諧波含量應(yīng)≤10%。

　　7.逆變器的過載能力，在規(guī)定的條件下，在較短時(shí)間內(nèi)，逆變器輸出超過額定電流值的能力。逆變器的過載能力應(yīng)在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)下，滿足一定的要求。

　　8.逆變器的效率，在額定輸出電壓、輸出，乜流和規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)下，逆變器輸出有功功率與輸入有功功率(或直流功率)之比。

　　9.負(fù)載功率因數(shù)，逆變器負(fù)載功率因數(shù)的允許變化范圍，推薦值0.7—1.0。

　　10.負(fù)載的非對(duì)稱性，在10%的非對(duì)稱負(fù)載下，固定頻率的三相逆變器輸出電壓的非對(duì)稱性應(yīng)≤10%。

　　11.輸出電壓的不對(duì)稱度，在正常工作條件下，各相負(fù)載對(duì)稱，輸出電壓的不對(duì)稱度應(yīng)≤5%。

　　太陽能逆變器12.起動(dòng)特性，在正常工作條件下，逆變器在滿載負(fù)載和空載運(yùn)行條件下，應(yīng)能連續(xù)5次正常起動(dòng)。

　　13.保護(hù)功能，逆變器應(yīng)設(shè)置：短路保護(hù)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)及缺相保護(hù)。

　　15.干擾與抗干擾，逆變器應(yīng)在規(guī)定的正常工作條件下，能承受一般環(huán)境下的電磁干擾。逆變器的抗干擾性能和電磁兼容性應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

　　16.不經(jīng)常操作、監(jiān)視和維護(hù)的逆變器，應(yīng)≤95db;經(jīng)常操作、監(jiān)視和維護(hù)的逆變器，應(yīng)≤80db。

　　17.顯示，逆變器應(yīng)設(shè)有交流輸出電壓、輸出電流和輸出頻率等參數(shù)的數(shù)據(jù)顯示，并有輸入帶電、通電和故障狀態(tài)的信號(hào)顯示。