逆變器

逆變器的的功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為“逆向”的整流過程，因此稱為“逆變”。光伏陣列所發(fā)的電能為直流電能，然而許多負載需要交流電能，如變壓器和電機等。直流供電系統(tǒng)有很大的局限性，不便于變換電壓，負載應(yīng)用范圍也有限。除特殊用電負荷外，均需要使用逆變器將直流電變換為交流電。逆變器除能將直流電能變換為交流電能外，還具有自動穩(wěn)壓的功能，可以改善風光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，在聯(lián)網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)也需要使用具有并網(wǎng)功能的交流逆變器。逆變器種類很多，根據(jù)逆變器線路逆變原理的不同，有自激振蕩型逆變器、階梯波疊加逆變器和脈寬調(diào)制(PWM)逆變器等。根據(jù)逆變器主回路拓撲結(jié)構(gòu)不同，可分為半橋結(jié)構(gòu)、全橋結(jié)構(gòu)、推挽結(jié)構(gòu)等。

逆變器的控制可以使用邏輯電路或?qū)Ｓ玫目刂菩酒?，也可以使用通用單片機或DSP芯片等，控制功率開關(guān)管的門極驅(qū)動電路。逆變器輸出可以帶有一定的穩(wěn)壓能力，以橋式逆變器為例，如果設(shè)計逆變器輸出的交流母線額定電壓峰值比其直流母線額定電壓低10%~20%(目的是儲備一定的穩(wěn)壓能力)，則逆變器經(jīng)PWM調(diào)制輸出其幅值可以有向高10%~20%調(diào)節(jié)的裕量，向低調(diào)節(jié)則不受限制，只需降低PWM的開通占空比即可。因此逆變器輸人直流電壓波動范圍向下可以到-15%~20% ,向上只要器件耐壓允許則不受限制，只需調(diào)小輸出脈寬即可(相當于斬波)。當蓄電池或光伏電池輸出電壓較低時，逆變器內(nèi)部需配置升壓電路，升壓可以使用開關(guān)電源方式升壓也司以使用直流充電泵原理升壓。逆變器使用輸出變壓器形式升壓，即逆變器電壓與蓄電池或光伏電池陣列電壓相匹配，逆變器輸出較低的交流電壓，再經(jīng)工頻變壓器升壓送人輸電線路。需要說明的是，不論是變壓器還是電子電路升壓，都要損失一部分能量。最佳逆變器工作模式是直流輸人電壓與輸電線路所需要的電壓相匹配，直流電力只經(jīng)過一層逆變環(huán)節(jié)，以降低變換環(huán)節(jié)的損耗。一般來說逆變器的效率在90%以上。逆變環(huán)節(jié)損耗的能量轉(zhuǎn)換為功率管、變壓器的熱形式能量，該熱量對逆變器的運行是不利的，威脅裝置的安全，要使用散熱器、風扇等將此熱量排出裝置以外。逆變損耗通常包括二部分:導通損耗和開關(guān)損耗，MOSFET管開關(guān)頻率較高，導通阻抗較大，由其構(gòu)成的逆變器多工作在幾十到上百千赫茲頻率下;而IGBT則導通壓降相對較小，開關(guān)損耗較大，開關(guān)頻率在幾千到幾十千赫茲之間一般選擇十千赫茲以下。開關(guān)并非理想開關(guān)，當其開通過程中電流有一上升過程，管子端電壓有一下降過程，電壓與電流交叉過程的損耗就是開通損耗，關(guān)斷損耗為電壓電流相反變化方向的交叉損耗。降低逆變器損耗主要是要降低開關(guān)損耗，新型的諧振型開關(guān)逆變器，在電壓或電流過零點處實施開通或關(guān)斷，從而可以降低開關(guān)損耗。

一般來說，逆變器的技術(shù)指標包括:使用環(huán)境為海拔不超過3000m, 溫度0~+40C (也有特殊用途的逆變器要求低溫為- 10C或更低的)，相對濕度90以下，直流輸人額定電壓士15%,輸出電壓波動范圍不超過-5%,頻率波動范圍不超過-1%,諧波畸變率不超過10%，允許負載功率因數(shù)變化范圍0. 5~1, 0。三相輸出電壓不對稱度小于5%,噪聲小于80dB，具有過載200%額定輸出電流1分鐘的能力，逆變器在額定負載下應(yīng)能夠可靠地啟動。 逆變器保護功能應(yīng)具有:輸出短路保護、輸出過電流保護、輸出過電壓保護、輸出欠電壓保護、輸出缺相保護、功率電路超溫保護等。例如，當傳感器檢測到輸出有短路時，控制電路立即關(guān)閉功率管的驅(qū)動從而關(guān)斷功率管的輸出，實現(xiàn)對逆變器的保護。

1.方波逆變器

此逆變器輸出的電壓波形為方波，逆變器線路簡單，價格便宜，實現(xiàn)較為容易。缺點是方波電壓中含有大量的高次諧波成分，在負載中會產(chǎn)生附加的損耗，并對通信等設(shè)備產(chǎn)生較大的干擾，需要外加額外的濾波器。此類逆變器多見于早期，設(shè)計功率不超過幾百瓦的小容量逆變器。

2.階梯波逆變器

階梯波逆變器輸出的電壓波形為階梯波形，階梯波逆變器的優(yōu)點是輸出波形接近正弦波，比方波有明顯的改善，高次諧波含量減少。當階梯波的階梯達到16個以上時，輸出的波形為準正弦波，整機效率較高。但此逆變器往往需要多組直流電源供電，需要的功率開關(guān)管也較多，給光伏陣列分組和蓄電池分組帶來不便。

3.正弦波PWM逆變器

正弦波逆變器的優(yōu)點是輸出波形基本為正弦波，在負載中只有很少的諧波損耗，對通信設(shè)備干擾小，整機效率高。缺點是設(shè)備復雜、價格高。隨著電力電子技術(shù)的進步，脈寬調(diào)制技術(shù)的普及，大容量PWM型正弦波逆變器逐漸成為逆變器的主流產(chǎn)品。以典型的單相全橋式逆變器為例，四個對角的開關(guān)功率管以每個對角線的二個開關(guān)管為一組，依次導通和關(guān)斷，在負載二端就產(chǎn)生交替的正負電壓，形成交流輸出。當此交替導通的頻率與負載所需的交流頻率相同時，其輸出的電壓就為方波電壓。當開關(guān)管以比逆變交流輸出電壓高許多的頻率開關(guān)，且每次開關(guān)的脈寬按照正弦波的幅值調(diào)制時，就變成了正弦波脈寬調(diào)制輸出的逆變器，加濾波器后其輸出的電壓波形就是正弦波輸出逆變器。

PWM型逆變器廣泛使用功率場效應(yīng)管(Power MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、可關(guān)斷型晶閘管(GTO)等作為開關(guān)管，而控制部分使用專用型PWM開關(guān)集成電路以及帶有PWM輸出的DSP和單片機芯片。構(gòu)成一臺實用型逆變器需要主功率電路、控制電路和輔助電路(如保護、測量和監(jiān)控等)。其逆變過程為光伏陣列或蓄電池輸出的直流電進人逆變器直流母線，經(jīng)開關(guān)電路(如橋式電路)將直流電變成正反方向輸出的、脈寬為正弦調(diào)制的交流脈沖波，此脈寬調(diào)制的交流電壓經(jīng)濾波電路變成正弦交流電壓輸出，如需要升壓則外接升壓變壓器，再經(jīng)輸電線路將交流電力送往負載。PWM調(diào)制輸出信號頻率稱作逆變器的調(diào)制頻率或開關(guān)頻率，它一般是逆變器輸出交流基波頻率的十幾倍、幾十倍到上百倍。典型的逆變器交流輸出頻率為50Hz,逆變器開關(guān)頻率可以幾百到幾十千赫。PWM調(diào)制的開關(guān)頻率愈高，則逆變器輸出波形諧波愈小，但開關(guān)過程帶來的功率損耗則愈大，要權(quán)衡選取開關(guān)管PWM調(diào)制的開關(guān)頻率。

逆變器輸出所接的濾波器通常為低通濾波器，由電感器和電容器構(gòu)成T型低通濾波形式。濾波器的設(shè)計要考慮濾波能力也要考慮可能帶來的電磁諧振。逆變器按輸出類型，又分為電壓型逆變器和電流型逆變器。

4.變頗器

變頻器是由三相整流器、電壓源的無源逆變器和控制器構(gòu)成，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電力為直流的特殊性，光伏變頻器不需要三相整流器，而直接將變頻器的直流母線接到光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流母線上。鑒于光伏電力受光照的自然環(huán)境影響較大，直流母線一般要加蓄電池來穩(wěn)定變頻器的運行;在變頻器控制端子要加弱電控制信號，不停地調(diào)節(jié)變頻器的設(shè)定頻率，改變變頻器輸出功率，以達到與光伏陣列最大功率點跟蹤的目的。變頻器作為可調(diào)節(jié)性負載要與光伏陣列的MPPT聯(lián)合控制，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電動機類動力性負荷盡量配合使用變頻器，以減少電動機啟動電流的沖擊，并可以靈活調(diào)節(jié)電動機負荷。

光伏并網(wǎng)逆變器的工作原理

逆變器將直流電轉(zhuǎn)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(shè)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(qū)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(diào)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(qū)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(shè)計先關(guān)斷后導通電路，即必須設(shè)置死區(qū)時間，其電路結(jié)構(gòu)較復雜。

光伏并網(wǎng)逆變器逆變電路的控制電路:

上述幾種逆變器的主電路均需要有控制電路來實現(xiàn)，一般有方波和正旋波兩種控制方式，方波輸出的逆變電源電路簡單，成本低，但效率低，諧波成份大。正弦波輸出是逆變器的發(fā)展趨勢，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，有PWM功能的微處理器也已問世，因此正弦波輸出的逆變技術(shù)已經(jīng)成熟。

1.方波輸出的逆變器目前多采用脈寬調(diào)制集成電路，如SG3525，TL494等。實踐證明，采用SG3525集成電路，并采用功率場效應(yīng)管作為開關(guān)功率元件，能實現(xiàn)性能價格比較高的逆變器，由于SG3525具有直接驅(qū)動功率場效應(yīng)管的能力并具有內(nèi)部基準源和運算放大器和欠壓保護功能，因此其外圍電路很簡單。

2.正弦波輸出的逆變器控制集成電路，正弦波輸出的逆變器，其控制電路可采用微處理器控制，如INTEL公司生產(chǎn)的80C196MC、摩托羅拉公司生產(chǎn)的MP16以及MI-CROCHIP公司生產(chǎn)的PIC16C73等，這些單片機均具有多路PWM發(fā)生器，并可設(shè)定上、上橋臂之間的死區(qū)時間，采用INTEL公司80C196MC實現(xiàn)正弦波輸出的電路，80C196MC完成正弦波信號的發(fā)生，并檢測交流輸出電壓，實現(xiàn)穩(wěn)壓。