太陽能逆變器簡介

　　太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變。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，把實現(xiàn)整流過程的裝置稱為整流設(shè)備或整流器。與之相對應，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，把實現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變設(shè)備或逆變器。

　　逆變裝置的核心是逆變開關(guān)電路，簡稱為逆變電路。該電路通過電力電子開關(guān)的導通與關(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)動脈沖，這些脈沖可能通過改變一個電壓信號來調(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，還有保護電路、輸出電路、輸入電路、輸出電路等。

太陽能逆變器百科

　　逆變器又稱電源調(diào)整器、功率調(diào)節(jié)器，是光伏系統(tǒng)必不可少的一部分。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(zhuǎn)化成家電使用的交流電，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。［1］ 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。

　　簡介

　　太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變。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，把實現(xiàn)整流過程的裝置稱為整流設(shè)備或整流器。與之相對應，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，把實現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變設(shè)備或逆變器。

　　逆變裝置的核心是逆變開關(guān)電路，簡稱為逆變電路。該電路通過電力電子開關(guān)的導通與關(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)動脈沖，這些脈沖可能通過改變一個電壓信號來調(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，還有保護電路、輸出電路、輸入電路、輸出電路等。

　　特點

　　由于建筑的多樣性，勢必導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，來實現(xiàn)最佳方式的太陽能轉(zhuǎn)換。

　　集中逆變

　　集中逆變一般用于大型光伏發(fā)電站（》10kW）的系統(tǒng)中，很多并行的光伏組串被連到同一臺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，功率較小的使用場效應晶體管，同時使用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，導致整個光伏系統(tǒng)的效率和電產(chǎn)能。同時整個光伏系統(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用空間矢量的調(diào)制控制，以及開發(fā)新的逆變器的拓撲連接，以獲得部分負載情況下的高的效率。在SolarMax（索瑞·麥克）集中逆變器上，可以附加一個光伏陣列的接口箱，對每一串的光伏帆板串進行監(jiān)控，如其中有一組串工作不正常，系統(tǒng)將會把這一信息傳到遠程控制器上，同時可以通過遠程控制將這一串停止工作，從而不會因為一串光伏串的故障而降低和影響整個光伏系統(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，每個光伏組串（1kW-5kW）通過一個逆變器，在直流端具有最大功率峰值跟蹤，在交流端并聯(lián)并網(wǎng)。許多大型光伏電廠使用組串逆變器。優(yōu)點是不受組串間模塊差異和遮影的影響，同時減少了光伏組件最佳工作點。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)勢不僅降低了系統(tǒng)成本，也增加了系統(tǒng)的可靠性。同時，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，讓其中一個或幾個工作，從而產(chǎn)出更多的電能。最新的概念為幾個逆變器相互組成一個“團隊”來代替“主-從”的概念，使得系統(tǒng)的可靠性又進了一步。

　　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，避免了其缺點，可應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，都可以被連在一個共同的逆變器上，同時每一組串都工作在它們各自的最大功率峰值上。同時，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光伏組件與一個逆變器相連，同時每個組件有一個單獨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)的連線的復雜性，維護困難。另一需要解決的是怎樣更有效的與電網(wǎng)并網(wǎng)，簡單的辦法是直接通過普通的交流電插座進行并網(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)的安全標準也許不允許這樣做，電力公司有可能反對發(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。

　　太陽能逆變器的效率

　　太陽能逆變器的效率指由于對可再生能源的需求，太陽能逆變器 （光電逆變器） 的市場正在不斷增長。而這些逆變器需要極高的效率和可靠性。對這些逆變器中采用的功率電路進行了考察，并推薦了針對開關(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，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，升壓級之后是一個隔離的全橋變換器。全橋變壓器的作用是提供隔離。輸出上的第二個全橋變換器是用來從第一級的全橋變換器的直流DC變換成交流 （AC） 電壓。其輸出再經(jīng)由額外的雙觸點繼電器開關(guān)連接到AC電網(wǎng)網(wǎng)絡之前被濾波，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)新型拓撲結(jié)構(gòu)，把升壓和AC交流產(chǎn)生部分的功能整合在一個專用拓撲中盡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)模塊預計每年可發(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的費用與增加一個逆變器相當。由于效率從95% 提高到 96% 不會使到逆變器的成本加倍，故對更高效的逆變器進行投資是必然的選擇。對新興設(shè)計而言，以最具成本效益地提高逆變器效率是關(guān)鍵的設(shè)計準則。至于逆變器的可靠性和成本則是另外兩個設(shè)計準則。更高的效率可以降低負載周期上的溫度波動，從而提高可靠性，因此，這些準則實際上是相關(guān)聯(lián)的。模塊的使用也會提高可靠性。

　　升壓開關(guān)和二極管

　　圖1所示的所有拓撲都需要快速轉(zhuǎn)換的功率開關(guān)。升壓級和全橋變換級需要快速轉(zhuǎn)換二極管。此外，專門為低頻 （100Hz） 轉(zhuǎn)換而優(yōu)化的開關(guān)對這些拓撲也很有用處。對于任何特定的硅技術(shù)，針對快速轉(zhuǎn)換優(yōu)化的開關(guān)比針對低頻轉(zhuǎn)換應用優(yōu)化的開關(guān)具有更高的導通損耗。升壓級一般設(shè)計為連續(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，來選者使用600V還是1200V的器件。功率開關(guān)的兩個選擇是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：在升壓級的情況下并沒有什么問題，因為正常工作模式下體二極管不導通。MOSFET的導通損耗可根據(jù)導通阻抗RDS（ON）來計算，對于給定的MOSFET系列，這與有效裸片面積成比例關(guān)系。當額定電壓從600V 變化到1200V時，MOSFET的傳導損耗會大大增加，因此，即使額定RDS（ON） 相當，1200V的 MOSFET也不可用或是價格太高。對于額定600V的升壓開關(guān)，可采用超結(jié)MOSFET。對高頻開關(guān)應用，這種技術(shù)具有最佳的導通損耗。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。對于需要1200V功率開關(guān)的太陽能逆變器，IGBT是適當?shù)倪x擇。較先進的IGBT技術(shù)，比如NPT Trench 和 NPT Field Stop，都針對降低導通損耗做了優(yōu)化，但代價是較高的開關(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器件的缺點在于飽和壓降VCE（SAT） （3.0V 相對于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)點已足以彌補這一切。該器件還集成了反并聯(lián)二極管。在正常升壓工作下，該二極管不會導通。然而，在啟動期間或瞬變情況下，升壓電路有可能被驅(qū)使進入工作模式，這時該反并聯(lián)二極管就會導通。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。對升壓二極管，需要Stealth™ 或碳硅二極管這樣的快速恢復二極管。碳硅二極管具有很低的正向電壓和損耗。在選擇升壓二極管時，必須考慮到反向恢復電流 （或碳硅二極管的結(jié)電容） 對升壓開關(guān)的影響，因為這會導致額外的損耗。在這里，新推出的Stealth II 二極管 FFP08S60S可以提供更高的性能。當VDD=390V、 ID=8A、di/dt=200A/us，且外殼溫度為100ºC時，計算得出的開關(guān)損耗低于FFP08S60S的參數(shù)205mJ。而采用ISL9R860P2 Stealth 二極管，這個值則達225mJ。故此舉也提高了逆變器在高開關(guān)頻率下的效率。

　　橋接開關(guān)和二極管

　　MOSFET全橋濾波之后，輸出橋產(chǎn)生一個50Hz的正弦電壓及電流信號。一種常見的實現(xiàn)方案是采用標準全橋結(jié)構(gòu) （圖2）。圖中若左上方和右下方的開關(guān)導通，則在左右終端之間加載一個正電壓；右上方和左下方的開關(guān)導通，則在左右終端之間加載一個負電壓。對于這種應用，在某一時段只有一個開關(guān)導通。一個開關(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。這應用采用了600V的功率開關(guān)，故600V超結(jié)MOSFET非常適合這個高速的開關(guān)器件。由于這些開關(guān)器件在開關(guān)導通時會承受其它器件的全部反向恢復電流，因此快速恢復超結(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器件其導通損耗很低。當這種器件在50Hz下進行轉(zhuǎn)換時，無需使用快速恢復特性。這些器件具有出色的dv/dt和di/dt特性，比較標準超結(jié)MOSFET可提高系統(tǒng)的可靠性。另一個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10mJ ，故只適合于低頻轉(zhuǎn)換。一個50毫歐的MOSFET在工作溫度下導通阻抗RDS（ON） 為100毫歐。因此在11A時，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撲的做法也十分有用。IGBT在這里被用作拓撲開關(guān)。在較快速的轉(zhuǎn)換時則使用常規(guī)及快速恢復超結(jié)器件。對于1200V的專用拓撲及全橋結(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)。當專用技術(shù)需要二極管時，Stealth II、Hyperfast™ II 二極管及碳硅二極管是很好的解決方案。

　　功能作用

　　逆變器不只具有直交流變換功用，還具有最大限制地發(fā)揚太陽電池功能的功用和系統(tǒng)毛病維護功用。歸結(jié)起來有主動運轉(zhuǎn)和停機功用、最大功率跟蹤節(jié)制功用、防獨自運轉(zhuǎn)功用（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、主動電壓調(diào)整功用（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流檢測功用（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流接地檢測功用（并網(wǎng)系統(tǒng)用）。這里簡略引見主動運轉(zhuǎn)和停機功用及最大功率跟蹤節(jié)制功用。1、主動運轉(zhuǎn)和停機功用：早晨日出后，太陽輻射強度逐步加強，太陽電池的輸出也隨之增大，當?shù)竭_逆變器任務所需的輸出功率后，逆變器即主動開端運轉(zhuǎn)。進入運轉(zhuǎn)后，逆變器便每時每刻看管太陽電池組件的輸出，只需太陽電池組件的輸出功率大于逆變器任務所需的輸出功率，逆變器就繼續(xù)運轉(zhuǎn)；直到日落停機，即便陰雨天逆變器也能運轉(zhuǎn)。當太陽電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時，逆變器便構(gòu)成待機形態(tài)。2、最大功率跟蹤節(jié)制功用：太陽電池組件的輸出是隨太陽輻射強度和太陽電池組件本身溫度（芯片溫度）而轉(zhuǎn)變的。別的因為太陽電池組件具有電壓隨電流增大而下降的特征，因而存在能獲取最大功率的最佳任務點。太陽輻射強度是轉(zhuǎn)變著的，明顯最佳任務點也是在轉(zhuǎn)變的。相關(guān)于這些轉(zhuǎn)變，一直讓太陽電池組件的任務點處于最大功率點，系統(tǒng)一直從太陽電池組件獲取最大功率輸出，這種節(jié)制就是最大功率跟蹤節(jié)制。太陽能發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器的最大特點就是包羅了最大功率點跟蹤（MPPT）這一功用。

　　性能參數(shù)

　　描述逆變器性能的參量和技術(shù)條件很多，這里僅就評價逆變器時常用的技術(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，輸入直流電壓波動范圍：蓄電池組額定電壓值的±15%。3、額定輸出電壓，在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動范圍內(nèi)，它表示逆變器應能輸出的額定電壓值。對輸出額定電壓值的穩(wěn)定準確度一般有如下規(guī)定：（1）在穩(wěn)態(tài)運行時，電壓波動范圍應有一個限定，例如其偏差不超過額定值的±3%或±5%。（2）在負載突變或有其他干擾因素影響的動態(tài)情況下，其輸出電壓偏差不應超過額定值的±8%或±10%。4、額定輸出頻率，逆變器輸出交流電壓的頻率應是一個相對穩(wěn)定的值，通常為工頻50Hz。正常工作條件下其偏差應在±1%以內(nèi)。5、額定輸出電流（或額定輸出容量），表示在規(guī)定的負載功率因數(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輸出功率因數(shù)為1（即純阻性負載）時，額定輸出電壓為額定輸出電流的乘積。6、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荷效率，在10%額定輸出容量的效率為低負荷效率。7、逆變器的最大諧波含量，正弦波逆變器，在阻性負載下，輸出電壓的最大諧波含量應≤10%。8、逆變器的過載能力，在規(guī)定的條件下，在較短時間內(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在規(guī)定的負載功率因數(shù)下，滿足一定的要求。9、逆變器的效率，在額定輸出電壓、輸出電流和規(guī)定的負載功率因數(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。10、負載功率因數(shù)，表征逆變器帶感性負載或容性負載的能力。在正弦波條件下，負載功率因數(shù)為0.7～0.9（滯后），額定值為0.9。11、負載的非對稱性，在10%的非對稱負載下，固定頻率的三相逆變器輸出電壓的非對稱性應≤10%。12、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（逆序分量對正序分量之比）應不超過一個規(guī)定值，一般以%表示，如5%或8%。13、起動特性，在正常工作條件下，逆變器在滿載負載和空載運行條件下，應能連續(xù)5次正常起動。14、保護功能，逆變器應設(shè)置：短路保護、過電流保護、過溫保護、過電壓保護、欠電壓保護及缺相保護。其中過電壓保護是指對于沒電壓穩(wěn)定措施的逆變器，應有輸出過電壓防護措施，以使負截免受輸出過電壓的損害。過電流保護是指逆變器的過電流保護，應能保證在負載發(fā)生短路或電流超過允許值時及時動作，使其免受浪涌電流的損傷。15、干擾與抗干擾，逆變器應在規(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符合有關(guān)標準的規(guī)定。16、不經(jīng)常操作、監(jiān)視和維護的逆變器，應≤95db；經(jīng)常操作、監(jiān)視和維護的逆變器，應≤80db。17、顯示，逆變器應設(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)的信號顯示。18、通信功能，遠程通信功能能夠讓用戶不必到現(xiàn)場就能查看機器的運轉(zhuǎn)狀態(tài)以及存儲的數(shù)據(jù)。19、。輸出電壓的波形失真度，當逆變器輸出電壓為正弦度時，應規(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，其值不應超過5%（單相輸出允許10%）。20、起動特性，表征逆變器帶負載起動的能力和動態(tài)工作時的性能。逆變器應保證在額定負載下可靠起動。21、噪聲，電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開關(guān)及風扇等部件均會產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運行時，其噪聲應不超過80dB，小型逆變器的噪聲應不超過65dB。

　　逆變器怎樣和太陽能控制器連接

　　逆變器和太陽能控制器連接需要中間儲備器件進行連接，一般選用蓄電池，太陽能控制器與蓄電池連接充電，蓄電池再與逆變器連接將其電壓升高，將升高的電壓與太陽能控制器進行連接。

　　控制器分組合邏輯控制器和微程序控制器，兩種控制器各有長處和短處。組合邏輯控制器設(shè)計麻煩，結(jié)構(gòu)復雜，一旦設(shè)計完成，就不能再修改或擴充，但它的速度快。微程序控制器設(shè)計方便，結(jié)構(gòu)簡單，修改或擴充都方便，修改一條機器指令的功能，只需重編所對應的微程序；要增加一條機器指令，只需在控制存儲器中增加一段微程序，但是，它是通過執(zhí)行一段微程。具體對比如下：組合邏輯控制器又稱硬布線控制器，由邏輯電路構(gòu)成，完全靠硬件來實現(xiàn)指令的功能。