光伏发电技术7.4逆变器

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1、第7章 光伏系统部件,7.5 逆变器 逆变器：是通过半导体功率开关的开通和关断作用，将直流电能转变成交流电能供给负载使用的一种转换装置，它是整流器的逆向变换功能器件。 逆变器的发展：随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机交流电动机的旋转方式逆变技术，发展到20世纪六、七十年代的晶闸管逆变技术。,21世纪的逆变技术多数采用了MOSFET（功率场效应管）、IGBT（绝缘栅极晶体管）、GTO（可关断晶体管）、IGCT（集成门极换流晶闸管）、MCT（MOS控制晶闸管）等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制，甚至采用数字信号处理器（DSP）控

2、制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用范围也扩大到了很多前所未有的领域。,逆变器制造企业 近年来，由于光伏市场的飞速发展，逆变器的技术水平迅速提高，生产规模不断扩大，出现了一批技术领先的企业，占有较大的市场份额。 国外：德国SMA公司，是逆变器制造领军企业，其2009年和2010年的全球市场占有率分别为43%和39%。 美国Power-one、奥地利Fronius、美国Satcon、美国Advanced Energy、德国KACO、西班牙Ingeteam、德国Siemens、意大利RPS Spa、意大利Senso

3、 Tecnologies S.r.l 国内：逆变器制造企业主要有合肥阳光电源有限公司（据报道其国内光伏逆变器市场占有率接近70%）、南京冠亚电源设备有限公司、江苏艾索新能源股份有限公司、北京科诺伟业科技有限公司、江苏山亿新能源有限公司、浙江昱能光伏科技集成有限公司等。,7.5.1 逆变器的分类 逆变器及逆变技术按输出波形、主电路拓扑结构、输出相数等方式来分类，具体如下： （1）按输出交流电相数分，有单相逆变器、三相逆变器和多项逆变器。 （2）按输出电压波形分，有方波逆变器、正弦波逆变器和阶梯波逆变器。 （3）按输出直流电源分，有电压源型逆变器和电流源型逆变器。 （4）按主电路拓扑结构分，有推挽

4、逆变器、半桥逆变器和全桥逆变器。 （5）按功率流动方向分，有单向逆变器和双向逆变器。,（6）按负载是否有源分，有无源逆变器和有源逆变器。 （7）按输出交流电的频率分，有低频逆变器、工频逆变器、中频逆变器和高频逆变器。 （8）按直流环节特性分，有低频环节逆变器和高频环节逆变器。 此外，光伏并网发电系统按照系统的设计要求不同还可以分为两种，一种是不可调度式光伏并网发电系统、不含储能环节；另一种是可调度式光伏并网发电系统，含有储能环节。 在不可调度式光伏并网发电系统中，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电直接转化为和电网电压同频同相的交流电，完全由日照和环境温度等因素来决定并网的时间和功率大小。,优点：

5、系统可以省去蓄电池而将电网作为自己的储能单元，当日照强烈时，光伏并网发电系统将发出的多余电能回馈电网，当需要电能时随时可以由电网输出电能。 可调度式光伏并网发电系统增加了储能环节，系统首先对储能环节进行充电，然后根据需要将光伏并网发电系统用做并网或经逆变后独立使用，系统的工作时间和并网功率的大小可人为设定。当电网发生断电或其他故障时，逆变器自动切断和电网的电气连接，同时可以根据需要选择是否进行独立逆变，用于对本地负载继续供电。,7.5.2 逆变器的技术性能 （1）额定输出电压 额定输出电压单相为220V，三相为380V。在稳定运行时，一般要求电压波动偏差不超过额定值的3%-5%。在负载突变时，

6、电压偏差不超过额定值的8%-10%。 （2）输出电压的不平衡度 在正常工作时，逆变器输出的三相电压不平衡程度不应超过5%-8%。 （3）输出电压的波形失真度 当输出为正弦波时，一般要求输出的电压波形失真度不超过5%。,（4）额定输出频率 逆变器输出频率应相对稳定，如工频59Hz，正常工作时，与额定输出频率的偏差应不超过1%。国标GB/T19064-2003规定的输出频率应在49-51Hz。 （5）负载功率因数 表征了逆变器带感性负载的能力，在正弦波条件下负载功率因数为0.7-0.9。 （6）额定输出电流 在规定的负载功率因数范围内逆变器的额定输出电流。 （7）额定输出容量 当输出功率因数为1（

7、即纯阻性负载）时，额定输出电压和额定输出电流的乘积。,（8）额定输出效率 在规定的工作条件下，输出功率与输入功率之比，通常应在70%以上。逆变器效率会随负载的大小而变化，当负载率低于20%和高于80%时，效率要低一些。标准规定逆变器输出功率大于或等于额定功率的75%时，效率应大于等于80%。 但是考虑到逆变器多数时间并不在标准测试条件下工作，而且同一个逆变器在不同的天气条件下其效率也不一样，若只比较在标准测试条件下的效率，并不完全合理。为了对不同的逆变器性能进行比较，提出了加权效率的概念。根据欧洲平均水平面上太阳年辐照量约为1000kwh/m2,使用加权效率的公式为 =0.035%+0.061

8、0%+0.1320%+0.130%+0.4850%+0.2100%,式中，效率的下标是指现场太阳辐照强度与标准太阳辐照强度(1000W/m2)之比的百分数。例如，5%表示现场的太阳辐照强度是标准太阳辐照强度的5%时逆变器的效率。 在南欧和美国南部，由于当地太阳辐照强度（平均水平面上太阳年辐照量约为1200W/m2）较大，加权效率考虑有个修正因子，通常称为加州效率，公式为 =0.0410%+0.0520%+0.1230%+0.2150%+0.5375%+0.05100% （9）带载能力 要求逆变器在特定的输出功率条件下能持续工作一定的时间。带载能力的标准如下：,输入电压与输出功率为额定值时，逆变

9、器应连续可靠工作4h以上。 输入电压和输出功率为额定值的125%，逆变器应连续可靠工作1min以上。 输入电压和输出功率为额定值的150%，逆变器应连续可靠工作10s以上。 （10）额定直流输入电压 光伏发电系统中输入逆变器的直流电压，小功率逆变器输入电压一般为12V和24V，中、大功率逆变器输入电压有24V、48V、110V、220V和500V等。 （11）额定直流输入电流 太阳能光伏发电系统为逆变器提供的额定直流工作电流。,（12）直流电压输入范围 光伏逆变器直流输入电压允许在额定直流输入电压的90%-120%范围内变化，而不影响输出电压的变化。 (13)使用环境条件 工作温度。逆变器功率

10、器件的工作温度直接影响到逆变器的输出电压、波形、频率、相位等许多重要特征，而工作温度又与环境温度、海拔高度、相对湿度以及工作状态有关。工作环境。对于高频高压型逆变器，其工作特性和工作环境、工作状态有关。在高海拔地区，空气稀薄，容易出现电路极间放电，影响工作；在高湿度地区则容易结露，造成局部短路。因此逆变器都规定了适用的工作范围。,光伏逆变器的正常使用条件为：环境温度-20+50，海拔5500m，相对湿度 93%，且无凝露；当工作环境和工作温度超出上述范围后，要考虑降低容量使用或重新设计定制。 （14）电磁干扰和噪声 逆变器中的开关电路极容易产生电磁干扰，容易在铁芯变压器上因振动而产生噪声。因而

11、在设计和制造中都必须控制电磁干扰和噪声指标，使之满足有关标准和用户的要求。其噪声要求是：当输入电压为额定值时，在设备高度的1/2、正面距离为3m处用声级计分别测量50%额定负载和满载时的噪声应小于等于65db。,（15）保护功能 太阳能光伏发电系统应该具有较高的可靠性和安全性，作为光伏发电系统重要组成部分的逆变器应具有以下保护功能。 欠压保护.当输入电压低于规定的欠压断开（LVD）值时，逆变器应能自动关机保护。过电流保护.当工作电流超过额定值的150%时，逆变器应能自动保护.电流恢复正常后设备又能正常工作。短路保护.当逆变器输出短路时，应具有短路保护措施。短路排除后，设备应能正常工作。极性反接

12、保护.逆变器的正极输入端和负极输入端反接时，逆变器应能自动保护。待极性正接后，设备应能正常工作。雷电保护.其防雷器件的技术指标应能保证吸收预期的冲击能量。,7.5.3 光伏逆变器的电路构成 逆变器的基本电路构成如下图所示，主要由输入电路、输出电路、主逆变开关电路（简称主逆变电路）、控制电路、辅助电路和保护电路等构成。,各电路作用如下： （1）输入电路 逆变器的输入电路主要是为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流工作电压。 （2）主逆变电路 是逆变器的核心，它的主要作用是通过半导体器件开关的导通和关断完成逆变的功能。逆变电路分为隔离式和非隔离式两大类。 （3）输出电路 主要是对主逆变电路输出的交

13、流电的波形、频率、电压、电流的幅值、相位等进行修正、补偿、调理，使之能满足使用需求。,（4）控制电路 主要是为主逆变电路提供一系列的控制脉冲来控制逆变开关器件的导通与关断，配合主逆变电路完成逆变功能。 （5）辅助电路 主要是将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。辅助电路还包含多种检测、显示电路。逆变器的显示功能主要包括：直流输入电压和电流的测量值，交流输出电压和电流的测量值，逆变器的工作状态（运行、故障、停机等）。 （6）保护电路 主要包括输入过压、欠压保护，输出过压、欠压保护，过载保护，过流和短路保护，接反保护，过热保护。,7.5.4 光伏逆变器的电路原理 1.单相逆变器电路原理 逆变

14、器的工作原理是通过功率半导体开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的。单相逆变器的基本电路有推挽式、半桥式和全桥式三种，虽然电路结构不同，但工作原理类似。电路中都使用具有开关特性的半导体功率器件，由控制电路周期性的对功率器件发出开、关脉冲控制信号，控制各个功率器件轮流导通和关断，再经过变压器耦合升压或降压后，整形滤波输出符合要求的交流电。,（1）推挽式逆变电路 组成:两只共负极连接的功率开关管和一个初级带有中心抽头的升压变压器。 升压变压器的中心抽头 接直流电源正极； 两只功率开关管在控制 电路的作用下交替工作， 输出方波或三角波的交流 电力。由于功率开关管的共负极（地）连接，使得

15、该电路的驱动和控制电路可以比较简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。 该电路的缺点：变压器效率低，带感性负载的能力较差，不适合直流电压过高的场合。,（2）半桥式逆变电路 原理如图所示，组成：两只功率开关管、两只储能电容器和耦合变压器等组成。该电路将两只串联电容的中点作为参考点，当功率开关管VT1在控制电路的作用下导通时，电容C1上的能量通过变压器初级释放，当功率开关管VT2导通时，电容C2上的能量通过变压器初级释放，VT1和VT2的轮流导通，在变压器次级获得了交流电能。,半桥式逆变电路结构简单，由于两只串联电容器的作用，不会产生磁偏或直流分量，非常适合后级

16、带动变压器负载。 但该电路工作在工频（50Hz或60Hz）时，需要较大的电容容量，使电路的成本上升，因此该电路更适合于高频逆变器电路中。,（3）全桥式逆变电路 组成：四只功率开关管和变压器等。该电路克服了推挽式逆变电路的缺点，功率开关管VT1、VT4和VT2、VT3反相， VT1、VT3和VT2、VT4轮流导通，使负载两端得到交流电能。 图中E为输入的直流电源， R为逆变器的纯电阻性负载。 为便于理解，用等效电路对全桥式逆变电路进行分析。,开关K1K4等效于VT1VT4。当开关K2，K4断开，开关K1，K3接通时，电流流过K1，R，K3，负载R上的电压极性是左正右负。 当开关K1，K3断开，开

17、关K2，K4接通时，电流流过K2，R，K4，负载R上的电压极性相反。 若两组开关K1、K3和K2、K4以频率f交替切换工作时，负载R上便可得到频率 为f的交变电流（交变电压） 该波形为一方波，其周期 T=1/f,上述几种电路都是逆变器的最基本电路，在实际应用中，除了小功率光伏逆变器主电路采用这种单级的（DC-AC）转换电路外，中、大功率光伏逆变器主电路都采用两级（DC-DC-AC）或三级（ DC-AC-DC-AC)的电路结构形式。一般来说，中、小功率光伏系统的太阳电池组件或方阵输出的直流电压都不太高，而且功率开关管的额定耐压值也都比较低，因此逆变电压也比较低，要得到220V或者380V的交流电，无论是推挽式还是全桥式的逆变电路，其输出都必须加工频升压变压器，由于工频变压器体积大、效率低、笨重，因此只能在小功率场合应用。随着电力电子技术的发展，新型光伏逆变器电路都采用高频开关技术和软开关技术来实现高功率密度的多级逆变。,