逆變器的原理及其在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用

目前我國光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽電池發(fā)出的電能給蓄電池充電，而蓄電池直接給負載供電，如我國西北地區(qū)使用較多的太陽能戶用照明系統(tǒng)以及遠離電網的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結構簡單，成本低廉，但由于負載直流電壓的不同（如１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ等），很難實現(xiàn)系統(tǒng)的標準化和兼容性，特別是民用電力，由于大多為交流負載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進入市場。另外，光伏發(fā)電最終將實現(xiàn)并網運行，這就必須采用成熟的市場模式，今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變電源的要求采用交流電力輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和逆變器四部分組成（并網發(fā)電系統(tǒng)一般可省去蓄電池），而逆變器是關鍵部件。光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器要求較高：

１．要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設法提高逆變器的效率。

２．要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū)，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變器具有合理的電路結構，嚴格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護，交流輸出短路保護，過熱、過載保護等。

３．要求直流輸入電壓有較寬的適應范圍，由于太陽電池的端電壓隨負載和日照強度而變化，蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有重要作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內阻的變化而波動，特別是當蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，如１２Ｖ蓄電池，其端電壓可在１０Ｖ～１６Ｖ之間變化，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。

４．在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載為通信或儀表設備，這些設備對電網品質有較高的要求，當中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網運行時，為避免與公共電網的電力污染，也要求逆變器輸出正弦波電流。逆變器將直流電轉化為交流電，若直流電壓較低，則通過交流變壓器升壓，即得到標準交流電壓和頻率。對大容量的逆變器，由于直流母線電壓較高，交流輸出一般不需要變壓器升壓即能達到２２０Ｖ，在中、小容量的逆變器中，由于直流電壓較低，如１２Ｖ、２４Ｖ，就必須設計升壓電路。中、小容量逆變器一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種，推挽電路，將升壓變壓器的中性插頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電力，由于功率晶體管共地邊接，驅動及控制電路簡單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點是變壓器利用率低，帶動感性負載的能力較差。全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點，功率晶體管調節(jié)輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有續(xù)流回路，即使對感性負載，輸出電壓波形也不會畸變。該電路的缺點是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專門驅動電路或采用隔離電源。

另外，為防止上、下橋臂發(fā)生共同導通，必須設計先關斷后導通電路，即必須設置死區(qū)時間，其電路結構較復雜。　推挽電路和全橋電路的輸出都必須加升壓變壓器，由于升壓變壓器體積大，效率低，價格也較貴，隨著電力電子技術和微電子技術的發(fā)展，采用高頻升壓變換技術實現(xiàn)逆變，可實現(xiàn)高功率密度逆變，這種逆變電路的前級升壓電路采用推挽結構，但工作頻率均在２０ＫＨｚ以上，升壓變壓器采用高頻磁芯材料，因而體積小、重量輕，高頻逆變后經過高頻變壓器變成高頻交流電，又經高頻整流濾波電路得到高壓直流電（一般均在３００Ｖ以上）再通過工頻逆變電路實現(xiàn)逆變。采用該電路結構，使逆變器功率大大提高，逆變器的空載損耗也相應降低，效率得到提高，該電路的缺點是電路復雜，可靠性比上述兩種電路低。