正弦和修正逆變器的區(qū)別分析

1.1逆變器功率器件的選擇

目前，國(guó)內(nèi)的光伏發(fā)電系統(tǒng)（PhotoVoltaic Sys-tem，簡(jiǎn)稱PVS）主要是以直流系統(tǒng)為主，但最普遍的用電負(fù)載是交流負(fù)載，這使直流供電的光伏電源很難作為商品普及推廣。同時(shí)，由于太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電可以不要蓄電池，且維護(hù)簡(jiǎn)單，而節(jié)省投資是光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)。這些都必須采用交流供電方式，因此逆變器在PVS中的應(yīng)用也就越來(lái)越重要了。逆變器是將直流電變換為交流電的電力變換裝置，逆變技術(shù)在電力電子技術(shù)中已較為成熟。例如：UPS電源 中的逆變器，變頻技術(shù)中的逆變技術(shù)、特種電源中的逆變技術(shù)和功率調(diào)節(jié)器中的逆變技術(shù)等，這些都已經(jīng)以產(chǎn)品的形式推向市場(chǎng)，并受到社會(huì)的廣泛認(rèn)可

在小容量、低壓PVS中，功率器件多使用金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。因其在低壓時(shí)，具有較低的通態(tài)壓降和較高的開(kāi)關(guān)頻率，但隨MOSFET電壓的升高，其通態(tài)電阻增大。因此，在大容量、高壓PVS 中，一般使用絕緣柵晶體管（IGBT）作為功率器件；在100kVA以上特大容量的PVS中，一般采用門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）作為功率器件。PVS中的逆變驅(qū)動(dòng)電路主要針對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的門極驅(qū)動(dòng)。要得到好的PWM脈沖波形，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)很重要。近年來(lái)，隨著微電子及集成電路技術(shù)的發(fā)展，陸續(xù)推出了許多多功能專用集成芯片，如：HIP4801,TLP520,IR2130,EXB841等，它們給應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便[1，2]。逆變電源中常用的控制電路主要是為驅(qū)動(dòng)電路提供要求的邏輯和波形，如PWM，SPWM控制信號(hào)等。目前，較常用的芯片有國(guó)外生產(chǎn)的8XC196，MP16，PIC16C73 和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的TMS320F206，TMS320F240 ，SG3525 等。

1.2 PVS 中逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在使用蓄電池儲(chǔ)能的太陽(yáng)能PVS 中，蓄電池組的公稱電壓一般是12V，24V 或48V，因此，逆變電路一般都需進(jìn)行升壓來(lái)滿足220V 常用交流負(fù)載的用電需求。逆變器可按升壓原理的不同分為工頻和高頻兩種逆變器，應(yīng)用中它們的性能差別很大。

(1)工頻逆變器

圖1示出采用工頻變壓器升壓的逆變電路。它首先把直流電逆變成工頻低壓交流電；再通過(guò)工頻變壓器升壓成220V，50Hz的交流電供負(fù)載使用。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各種保護(hù)功能均可在較低電壓下實(shí)現(xiàn)。因其逆變電源與負(fù)載之間存有工頻變壓器，故逆變器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、過(guò)負(fù)荷能力和抗沖擊能力強(qiáng)，且能夠抑制波形中的高次諧波成分。然而，工頻變壓器也存在笨重和價(jià)格高的問(wèn)題，而且其效率也比較低。按目前水平制作的小型工頻逆變器，其額定負(fù)荷效率一般不超過(guò)90%，同時(shí)因工頻變壓器在滿負(fù)荷和輕負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)鐵損基本不變，因而使其在輕負(fù)荷下運(yùn)行的空載損耗較大，效率也較低。

(2)高頻逆變器

圖2示出采用高頻變壓器升壓的逆變電路。它首先通過(guò)高頻 DC/DC 變換技術(shù)，將低壓直流電逆變?yōu)楦哳l低壓交流電；然后經(jīng)過(guò)高頻變壓器升壓后，再經(jīng)過(guò)高頻整流濾波電路整流成通常均在300V以上的高壓直流電；最后通過(guò)工頻逆變電路得到220V工頻交流電供負(fù)載使用。由于高頻逆變器采用的是體積小，重量輕的高頻磁芯材料，因而大大提高了電路的功率密度，從而使逆變電源的空載損耗很小，逆變效率得到提高。通常，用于中小型PVS 中的高頻逆變器，其峰值轉(zhuǎn)換效率能達(dá)90% 以上

比較兩種逆變器可知，高頻逆變器的體積小，重量輕，效率高，空載負(fù)荷低，但不能接滿負(fù)荷的感性負(fù)載，且過(guò)載能力差。

1.3 PVS 中逆變器輸出波形

(1)方波逆變器

示出方波逆變器的輸出電壓波形。雖然方波逆變器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在效率較低，損耗多，諧波成分大，使用負(fù)載受限制等缺點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載為大功率電機(jī)負(fù)載或帶有變壓器的用電器負(fù)載時(shí)，因其負(fù)載的飽和磁通都是按正弦波的上升速率設(shè)計(jì)的，而方波的上升速度過(guò)快，因而造成其鐵心飽和，負(fù)載會(huì)出現(xiàn)起動(dòng)困難、鐵心過(guò)熱及發(fā)出噪聲等問(wèn)題。而且方波逆變器的效率遠(yuǎn)低于修正波和正弦波逆變器的效率，一般不到60% 。由于太陽(yáng)能PVS的發(fā)電成本較高，因此在太陽(yáng)能PVS 電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)中，方波逆變器已經(jīng)很少應(yīng)用了。

(2)修正波逆變器

圖3b示出修正波逆變器的輸出電壓波形。與方波相比，修正波的波形有明顯改善，而且高次諧波含量也減少了。傳統(tǒng)的修正波逆變器是通過(guò)對(duì)方波電壓進(jìn)行階梯迭加而產(chǎn)生的，這種方式存在控制電路復(fù)雜，迭加線路所用的功率開(kāi)關(guān)管較多，以及逆變器的體積和重量較大等諸多問(wèn)題。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，已普遍采用PWM脈寬調(diào)制方式生成修正波輸出。目前，修正波逆變器已廣泛用于邊遠(yuǎn)地區(qū)的用戶系統(tǒng)，因?yàn)檫@些用戶系統(tǒng)對(duì)用電質(zhì)量要求不是很高，而它能夠滿足大部分用電設(shè)備的需求，但它還是存在20% 的諧波失真，在運(yùn)行精密設(shè)備時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，也會(huì)對(duì)通訊設(shè)備造成高頻干擾，因此此時(shí)必須使用正弦波逆變器

(3)正弦波逆變器

示出正弦波逆變器的輸出電壓波形。它的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形好，失真度很低，且其輸出波形與市電電網(wǎng)的交流電波形基本一致，實(shí)際上優(yōu)良的正弦波逆變器提供的交流電比電網(wǎng)的質(zhì)量更高。正弦波逆變器對(duì)收音機(jī)和通訊設(shè)備及精密設(shè)備的干擾小，噪聲低，負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)，能滿足所有交流負(fù)載的應(yīng)用，而且整機(jī)效率較高；它的缺點(diǎn)是線路和相對(duì)修正波逆變器復(fù)雜，對(duì)控制芯片和維修技術(shù)的要求高，價(jià)格較貴。在太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，為避免對(duì)公共電網(wǎng)的電力

污染，也必須使用正弦波逆變器。

2 太陽(yáng)能PVS 中逆變器分類

2.1 獨(dú)立型逆變器

圖4示出獨(dú)立PVS 結(jié)構(gòu)圖。它通常由光伏陣列、蓄電池、控制器、逆變器及用電負(fù)載等5部分組成。目前也有把蓄電池充放電控制器和逆變器做成一體的獨(dú)立型逆變器。例如：Solarix 正弦波逆變器，它既有將直流電逆變成交流電的功能；也有對(duì)蓄電池充放電進(jìn)行管理的功能。

根據(jù)獨(dú)立型逆變器在PVS 中的運(yùn)行特點(diǎn)，可對(duì)用于獨(dú)立PVS 的逆變器進(jìn)行下述性能評(píng)價(jià)。

(1)可靠性

從以往PVS 的運(yùn)行來(lái)看，逆變器是影響系統(tǒng)可靠性的主要因素之一。由于獨(dú)立型逆變器一般工作在邊遠(yuǎn)地區(qū)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題維修很不方便，所以獨(dú)立型逆變器的首要要求是必須運(yùn)行可靠安全。

(2)額定輸出容量

在獨(dú)立型逆變器中，額定輸出容量也是一個(gè)很重要的參考因素，它表示逆變器向負(fù)載供電的能力。額定輸出容量值高的逆變器可帶更多的用電負(fù)載。在此需特別指出的是，當(dāng)逆變器不是純阻性負(fù)載時(shí)，逆變器的負(fù)載能力將小于它所給出的額定輸出容量值。

(3)逆變器效

逆變器效率的高低對(duì)系統(tǒng)提高有效發(fā)電量和降低發(fā)電成本有著重要的影響。由于目前太陽(yáng)電池的成本仍然比較高，而且近年也不會(huì)有大的降低，因此對(duì)于獨(dú)立型逆變器，則要求有高的效率，特別是低負(fù)荷供電時(shí)，仍然有較高的效率，低的空載負(fù)荷是獨(dú)立PVS 中專用逆變器相對(duì)普通逆變器的更高要求。

(4)起動(dòng)性能

一般電感性負(fù)載，如電機(jī)、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、大功率水泵等，在起動(dòng)時(shí)，功率可能是額定功率的5～6倍。因此，通常電感負(fù)載起動(dòng)時(shí)，逆變器將承受大的瞬時(shí)浪涌功率。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(dòng)，高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿負(fù)荷起動(dòng)而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全, 有時(shí)需采用軟起動(dòng)或限流起動(dòng)。

(5)諧波失真

當(dāng)獨(dú)立型逆變器輸出波形是方波和修正波時(shí)，逆變器的輸出電流中除了基波外還有高次諧波，高次諧波電流會(huì)在電感性負(fù)載上產(chǎn)生渦流等附加損耗，導(dǎo)致部件嚴(yán)重發(fā)熱，不利于電氣設(shè)備的安全。方波逆變器的諧波失真大約在 40% 左右，一般只適用于電阻負(fù)載；修正波逆變器的諧波失真小于20%，適合用于大部分負(fù)載；正弦波逆變器的諧波失真小于3%，其波形質(zhì)量比市電電網(wǎng)的質(zhì)量還好，能夠適用于所有的交流用電負(fù)載。

(6) 輸出電壓穩(wěn)定能力

它指逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力。獨(dú)立太陽(yáng)能PVS中蓄電池端電壓在充放電過(guò)程中波動(dòng)很大，通常鉛酸蓄電池端電壓的起伏可達(dá)標(biāo)稱電壓的30 %左右，這就要求逆變器有較好的調(diào)壓性能，能在較大直流輸入范圍內(nèi)保證正常工作。高頻逆變器因采用了二次調(diào)寬和二次穩(wěn)壓技術(shù)，故相對(duì)工頻逆變器有更好的穩(wěn)定輸出電壓的能力。