光伏逆變器的結(jié)構(gòu)原理及其分類

　　逆變器又稱電源調(diào)整器，根據(jù)逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的用途可分為獨(dú)立型電源用和并網(wǎng)用二種。根據(jù)波形調(diào)制方式又可分為方波逆變器、階梯波逆變器、正弦波逆變器和組合式三相逆變器。對于用于并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器，根據(jù)有無變壓器又可分為變壓器型逆變器和無變變壓器型逆變器。

　　通常，把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(shí)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(yīng)，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(shí)現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變設(shè)備或逆變器。如上所述，逆變器有多種類型，因此在選擇機(jī)種和容量時(shí)需特別注意。尤其在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器效率的高低是決定太陽能電池容量和蓄電池容量大小的重要因素。。

　　光伏逆變器工作原理

　　逆變器是一種由半導(dǎo)體器件組成的電力調(diào)整裝置，主要用于把直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力。一般由升壓回路和逆變橋式回路構(gòu)成。升壓回路把太陽電池的直流電壓升壓到逆變器輸出控制所需的直流電壓;逆變橋式回路則把升壓后的直流電壓等價(jià)地轉(zhuǎn)換成常用頻率的交流電壓。逆變器主要由晶體管等開關(guān)元件構(gòu)成，通過有規(guī)則地讓開關(guān)元件重復(fù)開-關(guān)（ON-OFF），使直流輸入變成交流輸出。當(dāng)然，這樣單純地由開和關(guān)回路產(chǎn)生的逆變器輸出波形并不實(shí)用。一般需要采用高頻脈寬調(diào)制（SPWM），使靠近正弦波兩端的電壓寬度變狹，正弦波中央的電壓寬度變寬，并在半周期內(nèi)始終讓開關(guān)元件按一定頻率朝一方向動(dòng)作，這樣形成一個(gè)脈沖波列（擬正弦波）。然后讓脈沖波通過簡單的濾波器形成正弦波。

　　光伏逆變器的元件構(gòu)成

　　1、電流傳感器

　　光伏逆變器一般采用霍爾電流傳感器來進(jìn)行電流采樣，從小功率到大功率所采用的電流傳感器形式不一，列舉一些例子如下：

　　100KW：檢測電流是300A左右，一般都會(huì)采用JCE308-TS7電流傳感器

　　250KW：檢測電流是500A左右，一般都會(huì)采用JCE508-TS6電流傳感器

　　500KW：檢測電流是1000A左右，一般會(huì)采用JCE1005-FS電流傳感器

　　1MW：檢測電流是2000A左右，一般會(huì)采用JCE2005-FS電流傳感器

　　對于電流傳感器要求精度高、響應(yīng)時(shí)間快，而且耐低溫、高溫等環(huán)境要求

　　2、電流互感器

　　一般采用BRS系列電流互感器，從幾百到幾千A不等，輸出信號一般采用0-5A為標(biāo)準(zhǔn)

　　3、電抗器

　　光伏逆變器的分類

　　光伏逆變器有多種不同的分類方式，根據(jù)用途的不同可分為獨(dú)立型電源用逆變器和獨(dú)立型并網(wǎng)用逆變器（根據(jù)變壓器的有無，獨(dú)立型并網(wǎng)用逆變器還可分為變壓器型逆變器和無變壓器型逆變器）。根據(jù)波形調(diào)制方式的不同可分為方波型逆變器、階梯型逆變器、正弦波型逆變器和組合型三相逆變器。

　　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(jià)格便宜，實(shí)現(xiàn)較為容易。缺點(diǎn)是方波電壓中含有大量的高次諧波成分，在負(fù)載中會(huì)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(jì)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(diǎn)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(dāng)階梯波的階梯達(dá)到16個(gè)以上f付，輸出的波形為準(zhǔn)正弦波，整機(jī)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(diǎn)是輸出波形基本為正弦波，在負(fù)載中只有很少的諧波損耗，對通信設(shè)備干擾小，整機(jī)效率高。缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格高。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)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(gè)對角的開關(guān)功率管以每個(gè)對角線的二個(gè)開關(guān)管為一組，依次導(dǎo)通和關(guān)斷，在負(fù)載二端就產(chǎn)生交替的正負(fù)電壓，形成交流輸出。當(dāng)此交替導(dǎo)通的頻率與負(fù)載所需的交流頻率相同時(shí)，其輸出的電壓就為方波電壓。當(dāng)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(shí)，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(jī)芯片。構(gòu)成一臺實(shí)用型逆變器需要主功率電路、控制電路和輔助電路（如保護(hù)、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(jìn)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(fù)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)頻率可以兒百到兒十千赫。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(jì)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(yùn)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(dá)到與光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤的目的。變頻器作為可調(diào)節(jié)性負(fù)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(dòng)機(jī)類動(dòng)力性負(fù)荷盡量配合使用變頻器，以減少電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的沖擊，并可以靈活調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷。

　　逆變器作為光伏發(fā)電的重要組成部分，主要的作用是將光伏組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)變成交流電。目前，市面上常見的逆變器主要分為集中式逆變器與組串式逆變器，還有新潮的集散式逆變器。

　　1、集中式逆變器

　　集中式逆變器顧名思義是將光伏組件產(chǎn)生的直流電匯總轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姾筮M(jìn)行升壓、并網(wǎng)。因此，逆變器的功率都相對較大。光伏電站中一般采用500kW以上的集中式逆變器。

　　集中式逆變器的優(yōu)點(diǎn)如下：

　　（1）功率大，數(shù)量少，便于管理；元器件少，穩(wěn)定性好，便于維護(hù)；

　?。?）諧波含量少，電能質(zhì)量高；保護(hù)功能齊全，安全性高；

　　（3）有功率因素調(diào)節(jié)功能和低電壓穿越功能，電網(wǎng)調(diào)節(jié)性好。

　　集中式逆變器存在如下問題：

　?。?）集中式逆變器MPPT電壓范圍較窄，不能監(jiān)控到每一路組件的運(yùn)行情況，因此不可能使每一路組件都處于最佳工作點(diǎn)，組件配置不靈活；

　　（2）集中式逆變器占地面積大，需要專用的機(jī)房，安裝不靈活；

　　（3）自身耗電以及機(jī)房通風(fēng)散熱耗電量大。

　　2、組串式逆變器

　　組串式逆變器顧名思義是將光伏組件產(chǎn)生的直流電直接轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妳R總后升壓、并網(wǎng)。因此，逆變器的功率都相對較小。光伏電站中一般采用50kW以下的組串式逆變器。

　　組串式逆變器優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）不受組串間模塊差異，和陰影遮擋的影響，同時(shí)減少光伏電池組件最佳工作點(diǎn)與逆變器不匹配的情況，最大程度增加了發(fā)電量；

　?。?）MPPT電壓范圍寬，組件配置更加靈活；在陰雨天，霧氣多的部區(qū)，發(fā)電時(shí)間長；

　?。?）體積較小，占地面積小，無需專用機(jī)房，安裝靈活；

　?。?）自耗電低、故障影響小。

　　組串式逆變器存在問題：

　　（1）功率器件電氣間隙小，不適合高海拔地區(qū)；元器件較多，集成在一起，穩(wěn)定性稍差；

　?。?）戶外型安裝，風(fēng)吹日曬很容易導(dǎo)致外殼和散熱片老化；

　?。?）逆變器數(shù)量多，總故障率會(huì)升高，系統(tǒng)監(jiān)控難度大；

　?。?）不帶隔離變壓器設(shè)計(jì)，電氣安全性稍差，不適合薄膜組件負(fù)極接地系統(tǒng)。

　　3、集散式逆變器

　　集散式逆變器是近兩年來新提出的一種逆變器形式，其主要特點(diǎn)是“集中逆變”和“分散MPPT跟蹤”。集散式逆變器是聚集了集中式逆變器和組串式逆變器兩種逆變器優(yōu)點(diǎn)的產(chǎn)物，達(dá)到了“集中式逆變器的低成本，組串式逆變器的高發(fā)電量”。

　　集散式逆變器優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）與集中式對比，“分散MPPT跟蹤”減小了失配的幾率，提升了發(fā)電量；

　　（2）與集中式及組串式對比，集散式逆變器具有升壓功能，降低了線損；

　　（3）與組串式對比，“集中逆變”在建設(shè)成本方面更具優(yōu)勢。

　　集散式逆變器問題；

　　（1）工程經(jīng)驗(yàn)少。較前兩類而言，尚屬新形式，在工程項(xiàng)目方面的應(yīng)用相對較少；

　?。?）安全性、穩(wěn)定性以及高發(fā)電量等特性還需要經(jīng)歷工程項(xiàng)目的檢驗(yàn)；

　　（3）因?yàn)椴捎?ldquo;集中逆變”，因此，占地面積大，需專用機(jī)房的缺點(diǎn)也存在于集散式逆變器中。