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1、光伏逆变器的概述 一 逆变器的概述 通常 把将交流电能变换成直流电能的过程称为整流 把完成整流功能的电路称为整流电路 把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器 与之相对应 把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变 把完成逆变功能的电路称为逆变电路 把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器 1 光伏逆变器产品发展历程 SMA是全球最早生产光伏逆变器的生产企业 占全球市场33 左右的市场份额 为全球光伏逆变器领军企业 其产品发展历程具有一定的代表性 SMA公司光伏逆变器产品发展情况国内外技术对比分析 目前我国在小功率逆变器上与国际处于同一水平 在大功率并网逆变器上 合肥阳光电源大功率逆变器2005
2、年已经批量向国内 国际供货 该公司250KW 500KW等大功率产品都取得了国际 国内认证 部分技术指标已经超过国外产品水平 并在国内西部荒漠 世博会 奥运场馆等重点项目上运行 效果良好 2 光伏逆变器供应企业 国内逆变器的主要生产企业 3 光伏逆变器的分类 光伏逆变器按宏观可分为 1 普通型逆变器2 逆变 控制一体机3 邮电通信专用逆变器4 航天 军队专用逆变器 4 按逆变器输出交流电能的频率分 1 工频逆变器工频逆变器的频率为 的逆变器 2 中频逆器中频逆变器的频率一般为 到十几 3 高频逆变器高频逆变器的频率一般为十几K 到 5 按逆变器输出的相数分可分为 1 单相逆变器 2 三相逆变器
3、 3 多相逆变器按照逆变器输出电能的去向分可分为 1 有源逆变器 2 无源逆变器按逆变器主电路的形式分可分为 1 单端式逆变器 2 推挽式逆变器 3 半桥式逆变器 4 全桥式逆变器 6 按逆变器主开关器件的类型分可分为 1 晶闸管逆变器 2 晶体管逆变器 3 场效应逆变器 4 绝缘栅双极晶体管 IGBT 逆变器按直流电源分可分为 1 电压源型逆变器 VSI 2 电流源型逆变器 CSI 按逆变器控制方式分可分为 1 调频式 PFM 逆变器 2 调脉宽式 PWM 逆变器按逆变器开关电路工作方式分可分为 1 谐振式逆变器 2 定频硬开关式逆变器 3 定频软开关式逆变器 7 按逆变器输出电压或电流的波
4、形分可分为 1 方波逆变器方波逆变器输出的电压波形为方波 此类逆变器所使用的逆变电路也不完全相同 但共同的特点是线路比较简单 使用的功率开关数量很少 设计功率一般在百瓦至千瓦之间 方波逆变器的优点是 线路简单 维修方便 价格便宜 缺点是方波电压中含有大量的高次谐波 在带有铁心电感或变压器的负载用电器中将产生附加损耗 对收音机和某些通讯设备有干扰 此外 这类逆变器还有调压范围不够宽 保护功能不够完善 噪声比较大等缺点 2 阶梯波逆变器此类逆变器输出的电压波形为阶梯波 逆变器实现阶梯波输出也有多种不同的线路 输出波形的阶梯数目差别很大 阶梯波逆变器的优点是 输出波形比方波有明显改善 高次谐波含量减
5、少 当阶梯达到17个以上时输出波形可实现准正弦波 当采用无变压器输出时整机效率很高 缺点是阶梯波叠加线路使用的功率开关较多 其中还有些线路形式还要求有多组直流电源输入 这给太阳能电池方阵的分组与接线和蓄电池的均衡充电均带来麻烦 此外阶梯波电压对收音机和某些通讯设备仍有一些高频干扰 8 3 正弦波逆变器正弦波逆变器输出的电压波形为正弦波正弦波逆变器的优点是 输出波形好 失真度很低 对收音机及通讯设备干扰小 噪声低 此外 保护功能齐全 整机效率高 缺点是 线路相对复杂 对维修技术要求高 价格昂贵 按隔离方式光伏逆变器可分为 1 独立光伏系统逆变器独立逆变器包括边远地区的村庄供电系统 太阳能户用电源
6、系统 通信信号电源 阴极保护 太阳能路灯等带有蓄电池的独立发电系统 9 2 并网光伏系统逆变器并网发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统 通过光伏组件将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电 经过逆变器逆变后转换后向电网输出与电网电压同频 同相的正弦交流电流 逆变器的特点 逆变器的主要特点包括 10 1 要求具有较高的效率由于目前太阳能电池的价格偏高 为了最大限度的利用太阳能电池 提高系统效率 必须设法提高逆变器的效率 2 要求具有较高的可靠性目前光伏电站系统主要用于边远地区 许多电站无人值守和维护 这就要求逆变器有合理的电路结构 严格的元器件筛选 并要求逆变器具备各
7、种保护功能 如 输入直流极性接反保护 交流输出短路保护 过热 过载保护等 3 要求输入电压有较宽的适应范围由于太阳能电池的端电压随负载和日照强度变化而变化 特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大 如12V的蓄电池 其端电压可能在10V 16V之间变化 这就要求逆变器在较大的直流输入电压范围内保证正常工作 11 光伏逆变器的工作原理 逆变装置的核心 是逆变开关电路 简称为逆变电路 该电路通过电力电子开关的导通与关断 来完成逆变的功能 逆变器简单原理图 12 几种逆变技术分析 1 低频环节逆变技术此技术可以分为 方波逆变 阶梯合成逆变 脉宽调制逆变三种 但这三种逆变器的共同点都是用来实现电器隔
8、离和调整变压比的变压器工作频率等于输出电压频率 所以称为低频环节逆变器 该电路结构由工频或高频逆变器 工频变压器以及输入 输出滤波器构成 如图1所示 具有电路结构简洁 单级功率变换 变换效率高等优点 但同时也有变压器体积和重量大 音频噪音大等缺点 图1低频环节逆变原理图 13 2 高频环节逆变技术高频环节逆变电路如图2所示 就是利用高频变压器替代低频变压器进行能量传输 并实现变流装置的一 二次侧电源之间的电器隔离 从而减小了变压器的体积和重量 降低了音频噪音 此外逆变器还具有变换效率高 输出电压纹波小等优点 此类技术中也有不用变压器隔离的 在逆变器前面直接用一级高频升压环节 这级高频环节可以提
9、高逆变侧的直流电压 使得逆变器输出与电网电压相当 但是这样方式没有实现输入输出的隔离 比较危险 相比这两种技术来讲 高频环节的逆变器比低频逆变器技术难度高 造价高 拓扑结构复杂 图2高频环节逆变原理图 14 单相逆变电路拓扑的介绍 实现逆变有很多种典型的电路拓扑 主要有推挽逆变拓扑 半桥逆变拓扑 全桥逆变拓扑三种 下文将对这三种拓扑进行介绍 推挽逆变拓扑 图3所示的推挽电路只用两个开关元器件 比全桥电路少用了一半的开关器件 可以提高能量利用率 另外驱动电路具有公共地 驱动简单 适用原边电压比较低的场合 但由于本身电路的结构特点 推挽电路拓扑无法输出正弦电压波形 只能输出方波电压波形 适用于1K
10、W以下的方波电压方案 图3推挽逆变原理图 15 半桥逆变拓扑 图4所示的半桥逆变电路 其功率开关元器件也比较少 结构简单 但主电路交流输出的电压幅值仅为ui 2 在同等容量下 其功率开关的额定电流为全桥逆变电路中的功率元器件额定电流的2倍 由于分压电容的作用 该电路还具有较强的抗电压输出不平衡能力 图4半桥逆变原理图 16 全桥逆变拓扑 图5所示的全桥逆变电路 使用了4个开关元器件 开关端电压为Ui 在相同的直流输入电压下 其最大输出电压是半桥逆变电路的两倍 这就意味着在输出相同功率的情况下 全桥逆变器输出电流和通过开关元器件的电流均为半桥逆变电路的一半 但驱动电路相比于前面两种来得复杂 图5
11、全桥逆变电路 17 并网逆变器的电路结构 上图为并逆变器内部功能模块框图 光伏输入在逆变器直流侧汇总 升压电路将输入直流电压提高到逆变器所需的值 MPP跟踪器保证光伏阵列产生直流电能能最大程度地被逆变器所使用 IGBT全桥电路将直流电转换成交流电压和电流 保护功能电路在逆变器运行过程中监测运行状况 在非正常工作条件下可触发内部继电器从而保护逆变器内部元器件免受损坏 18 逆变器的控制方案 逆变器的控制方法主要有采用经典控制理论的控制策略和采用现代控制理论的控制策略两种 1 经典控制理论的控制策略1 电压均值反馈控制他是给定一个电压均值 反馈采样输出电压的均值 两者相减得到一个误差 对误差进行P
12、I调节 去控制输出 他是一个恒值调节系统 优点是输出可以达到无净差 缺点是快速性不好 2 电压单闭环瞬时值反馈控制电压单闭环瞬时值反馈控制采用的电压瞬时值给定 输出电压瞬时值反馈 对误差进行PI调节 去输出控制 他是一个随动调节系统 由于积分环节存在相位滞后 系统不可能达到无净差 所以这种控制方法的稳态误差比较大 但快速性比较好 3 电压单闭环瞬时值和电压均值相结合的控制方法由于电压瞬时值单闭环控制系统的稳态误差比较大 而电压均值反馈误差比较小 可以再PI控制的基础上再增设一个均值电压反馈 以提高系统的稳态误差 19 4 电压电流双闭环瞬时控制电压单闭环控制在抵抗负载扰动方面的缺点与直流电机的
13、转速单闭环控制比较类似 具体表现在只有当负载 电流 转矩 扰动的影响最终在系统输出端 电压 转速 表现出来后 控制器才开始有反应 基于这一点 可以再电压外环基础上加一个电流内环 利用电流内环快速 及时的抗扰性来抑制负载波动的影响 同时由于电流内环对被控对象的改造作用 使得电压外环调节可以大大的简化 2 现代控制理论的控制策略 1 多变量状态反馈控制多变量状态反馈控制的优点在于可以大大改善系统的动态品质 因为它可以任意的配置系统的极点 但是建立逆变器的状态模型时很难将负载的动态特性考虑在内 所以 状态反馈只能针对空载或假定负载进行 对此应采用负载电流前馈补偿 预先进行鲁棒性分析 才能使系统有好的
14、稳态和动态性能 2 无差拍控制无差拍控制的基本思想是将给定的正弦参考波形等间隔的划分成若干个周期 根据每个采样周期的起始值采用预测算法计算出在采样结束时 20 负载应输出的值 通过合理计算这个值的大小使系统输出在采样周期结束时与参考波形完全重合 没有任何相位和幅值偏差 3 滑模变结构控制滑模变结构控制是一种非线性的控制方法 他的基本思想是利用某种不连续的开关控制策略来强迫系统的状态变量沿着某一设计好的滑模面运动 滑模变结构控制的优点是对系统参数变化和外部扰动不敏感 具有较强的鲁棒性 然而 对逆变电源系统来说 要确定一个理想的滑模面是很困难的 并且 在用数字式方法来实现这种控制方式时 开关频率必
15、须足够高 4 模糊控制模糊控制属于智能控制的范畴 与传统的控制方式相比 智能控制最大的优点是不依赖于系统的数学模型 它是控制理论发展的高级阶段 主要用来处理哪些对象不确定性 高度非线性的问题 5 重复控制重复控制是根据内膜原理 对指令和扰动信号均设了一个内膜 因此可以达到输出无净差 缺点是 动态响应比较慢 且需要比较大的内存 21 正弦脉宽调制技术 采样控制理论中有一个重要结论 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 其效果基本相同 PWM控制技术就是以该结论为理论基础 对半导体开关器件的导通和关断进行控制 使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲 用这些脉冲来代替正弦波或其他所
16、需要的波形 按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制 既可改变逆变电路输出电压的大小 也可以改变输出频率 如果把一个正弦半波分成N等分 然后把每一等份的正弦曲线与横轴包围的面积 用与它等面积的等高而不等宽的矩形脉冲代替 矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合 根据冲量相等 效果相同的原理 这样的一系列的矩形脉冲与正弦半波是等效的 对于正弦波的负半周也可以用同样的方法得到PWM波形 像这样的脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形就是SPWM波 SPWM有两种控制方式 一种是单极式 一种双极式 两种控制方式调制方法相同 输出基本电压的大小和频率也都是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的 只是功率开关器件通断的情况不一样 采用单极式控制时 正弦波的半个周期内每相只有一个开关元器件开通或关断 而双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断 处于互补工作方式 双极式比单极式调制输出的电流变化率较大 外界干扰较强 22 单相桥式SPWM逆变电源采用单极式倍频调制方式时的输出SPWM波形如图6所示 它是采用2个相位相反的而幅值相等的三角波与一正弦波相比较 可看成将三角载波进行全波整流
