如何設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器

　一、前言

　　隨著我國光伏發(fā)電應(yīng)用規(guī)模與范圍的不斷擴大，光電市場對逆變器的需求量迅速增加。與此同時， 高質(zhì)量、低成本的逆變器產(chǎn)品逐漸成為光電系統(tǒng)開發(fā)人員和廣大用戶所關(guān)注的問題。逆變器是電力電子技術(shù)的一個重要應(yīng)用方面。電力電子技術(shù)是電力、電子、自動控制及半導(dǎo)體等多種技術(shù)相互滲透與有機結(jié)合的綜合技術(shù)。因此， 逆變器所涉及的知識領(lǐng)域和技術(shù)內(nèi)容十分廣泛， 本文僅從光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的角度， 對逆變器的基本工作原理、電路系統(tǒng)的構(gòu)成作一簡要介紹。近年來， 隨著“小家電”產(chǎn)品的日益增多， 愈來愈多的人在使用可充電電池， 許多家庭都備有小型蓄電池充電器。充電器的核心部件是整流器， 它的功能是將50 周波的交流電整流成為直流電。逆變器與整流器恰好相反， 它的功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這種對應(yīng)于整流的逆向過程， 稱之為“逆變”。太陽電池在陽光照射下產(chǎn)生直流電， 然而以直流電形式供電的系統(tǒng)有很大的局限性。例如： 日光燈、電視機、電冰箱、電風(fēng)扇等均不能直接用直流電源供電， 絕大多數(shù)動力機械也是如此。此外， 當供電系統(tǒng)需要升高電壓或降低電壓時，交流系統(tǒng)只需加一個變壓器即可， 而在直流系統(tǒng)中升降壓技術(shù)與裝置就要復(fù)雜得多了。因此， 除特殊用戶外， 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中都需要配備逆變器。逆變器還具有自動調(diào)壓或手動調(diào)壓功能， 可改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。綜上所述， 逆變器已成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可缺少的重要配套設(shè)備。

　　二、逆變器基本工作原理

　　逆變器的種類很多， 各自的具體工作原理、工作過程不盡相同， 但是最基本的逆變過程是相同的。下面以最基本的逆變電路———單相橋式逆變電路為例

　　具體說明逆變器的“逆變”過程。單相橋式逆變電路如圖1 （a） 所示。輸入直流電壓為E ， R 代表逆變器的純電阻性負載。當開關(guān)K1 、K3 接通時， 電流流過K1 、R 和K3 ， 負載上的電壓極性是左正右負; 當開關(guān)K1 、K3 斷開， K2 、K4 接通時， 電流流過K2 、R 和K4 ， 負載上的電壓極性反向。若兩組開關(guān)K123 、K224 以頻率f 交替切換工作時， 負載R 上便可得到頻率為f 的交變電壓Ur ， 其波形如圖1 （ b）所示。該波形為一方波， 其周期T = 1 / f 。圖1 （ a） 電路中的開關(guān)K1 、K2 、K3 、K4 ， 實際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型。逆變器電路中常用的功率開關(guān)器件有功率晶體管（ GTR） 、功率場效應(yīng)管（ POWER MOSF E T） 、可關(guān)斷晶閘管（ GTO） 及快速晶閘管（ SCR） 等。近年來又研

　　制出功耗更低、開關(guān)速度更快的絕緣柵雙極型晶體管（ IGB T） 。　　三、逆變器電路系統(tǒng)構(gòu)成

　　圖1 （ a） 所示電路是逆變器的逆變過程示意圖。實際上要構(gòu)成一臺實用型逆變器， 尚需增加許多重要的功能電路及輔助電路。輸出為正弦波電壓， 并具有一定保護功能的逆變器電路原理框圖如圖2 所示。

　　其工作過程簡述如下： 由太陽電池方陣（或蓄電池） 送來的直流電進入逆變器主回路，經(jīng)逆變轉(zhuǎn)換成交流方波，再經(jīng)濾波器濾波后成為正弦波電壓，最后由變壓器升壓后送至用電負載。 逆變器主回路中功率開關(guān)管的開關(guān)過程，是由系統(tǒng)控制單元通過驅(qū)動回路進行控制的。 逆變器電路各部分的工作狀態(tài)及工作參量，經(jīng)由不同功能的傳感器變換為可識別的電信號后，通過檢測回路將信息送入系統(tǒng)控制單元進行比較、分析與處理。 根據(jù)判斷結(jié)果，系統(tǒng)控制單元對逆變器各回路的工況進行調(diào)控。 例如：通過電壓調(diào)節(jié)回路可調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓值。 當檢測回路送來的是短路信息時，系統(tǒng)控制單元通過保護回路，立即關(guān)斷逆變器主回路的功率開關(guān)管，從而起到保護逆變器的作用。 逆變器工作的主要狀態(tài)信息及故障情況，通過系統(tǒng)控制單元可以送至顯示與報警回路。 根據(jù)逆變器功率大小，功能多少的不同，圖2 中的系統(tǒng)控制單元，簡單的可以是一塊組件構(gòu)成的邏輯電路或?qū)Ｓ眯酒?復(fù)雜的可以是單片微處理器或16 位微處理器等等。 此外，圖2 所示的是逆變器典型的電路系統(tǒng)原理，實際的逆變器電路系統(tǒng)可以比圖2 簡單許多，也可較之更復(fù)雜。 最后要說明的是，一臺功能完善、性能良好的逆變器，除具有如圖2 所示的全部功能電路外，還要有二次電源。 該電源負責(zé)向逆變器所有用電部件、元器件、儀表等，提供不同等級的低壓工作用電壓。

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　　四、光伏系統(tǒng)中逆變器分類及特點

　　有關(guān)逆變器分類的原則很多， 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)制型逆變器等等。為了便于光電用戶選用逆變器， 這里僅以逆變器輸出交流電壓波形的不同進行分類， 并對不同輸出波形逆變器的特點做一簡要說明。　　1 方波逆變器

　　方波逆變器輸出的交流電壓波形為方波， 如圖3（a） 所示。此類逆變器所使用的逆變線路也不完全相同， 但共同的特點是線路比較簡單， 使用的功率開關(guān)管數(shù)量很少。設(shè)計功率一般在幾十瓦至幾百瓦之間。方波逆變器的優(yōu)點是： 價格便宜， 維修簡單。缺點是： 由于方波電壓中含有大量高次諧波， 在以變壓器為負載的用電器中將產(chǎn)生附加損耗， 對收音機和某些通訊設(shè)備也有干擾。此外， 這類逆變器中有的調(diào)壓范圍不夠?qū)挘?有的保護功能不夠完善， 噪聲比較大。

　　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， 如圖3 （ b） 所示。逆變器實現(xiàn)階梯波輸出也有多種不同的線路， 輸出波形的階梯數(shù)目也不一樣。階梯波逆變器的優(yōu)點是： 輸出波形比方波有明顯改善， 高次諧波含量減少， 當階梯達到17 個以上對輸出波形可實現(xiàn)準正弦波。當采用無變壓器輸出時， 整機效率很高。缺點是： 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， 階梯波電壓對收音機和某些通訊設(shè)備仍有一些高頻干擾。

　　3 正弦波逆變器

　　這類逆變器輸出的交流電壓波形為正弦波， 如圖3 （c） 所示。正弦波逆變器的特點是： 綜合技術(shù)性能好， 功能完善， 但線路復(fù)雜。正弦波逆變器的優(yōu)點是： 輸出波形好， 失真度很低， 對收音機及通訊設(shè)備無干擾， 噪聲也很低。此外， 保護功能齊全， 整機效率高。缺點是： 線路相對復(fù)雜， 對維修技術(shù)要求高，價格較貴。上述三種類型逆變器的分類， 有利于光電系統(tǒng)開發(fā)人員和用戶對逆變器進行識別和選型。實際上， 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。有關(guān)其它分類方法與特點， 讀者如有興趣， 可參閱有關(guān)電力電子專業(yè)方面的書刊。