光伏逆变器的简介

1、光伏逆变器的简介光科1103班 摘要：本文简单介绍了太阳能发电系统结构，叙述了光伏逆变器在光伏发电系统中的重要作用。具体介绍光伏逆变器的分类和工作原理。介绍和比较了单相电压型逆变器几种逆变主电路的电路拓扑结构的优缺点，逆变电路开关器件的选择和吸收保护原理。最后列举了光伏逆变器的主要性能指标。关键词：光伏发电系统 光伏逆变器 单相电压型逆变器 拓扑结构 性能指标一、太阳能发电系统简介21世纪，人类将面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在环境污染和资源短缺的双重制约下，能源问题更加突出，而太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、清洁环保等优点，因此太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视，成为理想

2、的替代能源。目前太阳能发电系统主要有独立系统和并网系统两大类，其构成分别如图1和图2 图1 独立型光伏发电系统图2 并网型光伏发电系统由图可见，无论是哪种发电系统，逆变器都是太阳能光伏发电系统中除了太阳能电池组件以外的最为重要的部分，是太阳能光伏发电的关键装置，因此对它的研究和开发是太阳能应用推广的必然要求，并存在着巨大的市场前景。太阳能光伏发电系统用逆变器直接决定了太阳能光伏发电系统的利用效率、系统可靠性、以及适用负载范围等性能。二、逆变器的作用太阳能光伏发电受日射强度、日射量、日照时间、日射变化以及输出电压等级的限制，并且其输出为直流电，无蓄电功能，不能直接给大部分负载提供电能，因此需要增

3、加逆变器，将直流电变换成稳定可靠、电品质优越的AC22050Hz交流电供给负载应用。逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。归纳起来有自动运行和停机功能、最大功率跟踪控制功能、防单独运行功能（并网系统用）、自动电压调整功能（并网系统用）、直流检测功能（并网系统用）、直流接地检测功能（并网系统用）。这里简单介绍自动运行和停机功能及最大功率跟踪控制功能。1、自动运行和停机功能早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳电池的输出也随之增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入运行后，逆变器便时时刻刻监视太阳电池组件的输出，只要太阳电

4、池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行；直到日落停机，即使阴雨天逆变器也能运行。当太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近0时，逆变器便形成待机状态。 2、最大功率跟踪控制功能太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度（芯片温度）而变化的。另外由于太阳电池组件具有电压随电流增大而下降的特性，因此存在能获取最大功率的最佳工作点。太阳辐射强度是变化着的，显然最佳工作点也是在变化的。相对于这些变化，始终让太阳电池组件的工作点处于最大功率点，系统始终从太阳电池组件获取最大功率输出，这种控制就是最大功率跟踪控制。太阳能发电系统用的逆变器的最大特点就是包括了最大功率点跟踪

5、（MPPT）这一功能。三、逆变器的分类有关逆变器分类的方法很多，例如：根据逆变器输出交流电压的相数，可分为单相逆变器和三相逆变器；根据逆变器使用的半导体器件类型 不同，又可分为晶体管逆变器、晶闸管逆变器及可关断晶闸管逆变器等。根据逆变器线路原理的不同，还可分为自激振荡型逆变器、阶梯波叠加型逆变器和脉宽调制型逆变器等。根据应用在并网系统还是离网系统中又可以分为并网逆变器和离网逆变器。为了便于光电用户选用逆变器，这 里仅以逆变器适用场合的不同进行分类。1、集中性逆变器。集中逆变技术是若干个并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相的IGB T功率模块，功率较小的使用场效

6、应晶体管，同时使用DSP转换控制器来改善所产出电能的质量，使它非常接近于 正弦波电流，一般用于大型光伏发电站(>10kW)的系统中。最大特点是系统的功率高，成本低，但由于不同光伏组 串的输出电压、电流往往不完全匹配(特别是光伏组串因多云、树荫、污渍等原因被部分遮挡时)，采用集中逆变的 方式会导致逆变过程的效率降低和电户能的下降。同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不 良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制以及开发新的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高效率。2、组串性逆变器组串逆变器是基于模块化概念基础上的，每个光伏组串(1-5kw)通过一个逆变器，在直流

7、端具有最大功率峰值跟踪，在交流端并联并网，已成为现在国际市场上最流行的逆变器。许多大型光伏电厂使用组串逆变器。优点是不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，从而增加了发电量。技术上的这些优势不仅降低了系统成本，也增加了系统的可靠性。同时，在组串间引人"主-从"的概念，使得系统在单串电能不能使单个逆变器工作的情况下，将几组光伏组串联系在一起，让其中一个或几个工作，从而产出更多的电能。3、微型逆变器在传统的PV系统中，每一路组串型逆变器的直流输入端，会由10块左右光伏电池板串联接入。当10块串联的 电池板中，若有一块不能良好工作，则这一

8、串都会受到影响。若逆变器多路输入使用同一个MPPT，那么各路输入 也都会受到影响，大幅降低发电效率。在实际应用中，云彩，树木，烟囱，动物，灰尘，冰雪等各种遮挡因素都 会引起上述因素，情况非常普遍。而在微型逆变器的PV系统中，每一块电池板分别接入一台微型逆变器，当电池 板中有一块不能良好工作，则只有这一块都会受到影响。其他光伏板都将在最佳工作状态运行，使得系统总体效 率更高，发电量更大。在实际应用中，若组串型逆变器出现故障，则会引起几千瓦的电池板不能发挥作用，而微 型逆变器故障造成的影响相当之小。最新的概念为几个逆变器相互组成一个"团队"来代替"主-从"的

9、概念，使得系统的可靠性又进了一步。目前，无变压器式组串逆变器已占了主导地位。4、功率优化逆变器太阳能发电系统加装功率优化器(Optimizer)可大幅提升转换效率，并将逆变器(Inverter)功能化繁为简降低 成本。为实现智慧型太阳能发电系统，装置功率优化器可确实让每一个太阳能电池发挥最佳效能，并随时监控电 池耗损状态。功率优化器是介于发电系统与逆变器之间的装置，主要任务是替代逆变器原本的最佳功率点追踪功 能。功率优化器藉由将线路简化以及单一太阳能电池即对应一个功率优化器等方式，以类比式进行极为快速的最 佳功率点追踪扫描，进而让每一个太阳能电池皆可确实达到最佳功率点追踪，除此之外，还能藉置入

10、通讯晶片随 时随地监控电池状态，即时回报问题让相关人员尽速维修。集中性逆变器组串性逆变器微型逆变器四、逆变器的基本工作原理总结逆变装置的核心，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。如图3.图3 逆变器简单原理图光伏发电系统是由太阳能电池、主电路、控制电路和负载组成。主电路包括DCDC电路、DCAC电路、滤波电路和隔离变压器。控制电路采用DSP作为主控单元，其中还包括逆变器的SPWM信号发生、闭环控制和最大功率点跟踪电路。如图4图4 逆变系统结构图1、逆变主电路的电路拓扑结构通常，单相电压型逆变器主要分为推挽式、半桥和全桥逆变电路三种。这三种方式根

11、据其不同的特点应用于不同的场合。推挽式逆变电路的主电路简单，如图5但是开关管需要承受2倍的线路峰值电压，所以适合于低输入电压的场合应用。同时变压器存在偏磁现象，初级绕组有中心抽头，流过的电流有效值和铜损较大，初级绕阻两部分应紧密耦合，绕制工艺复杂。图5 单相推挽式逆变电路与推挽式逆变电路相比半桥式逆变器在电路中所使用的功率开关晶体管的耐压要求较低，决不会超过线路峰值电压，其次，晶体管的饱和压降也减少到最小，不在是重要的影响因素。再者，对其输入滤波电容使用电压的要求也较低。由于半桥逆变电路的特殊结构如图6所示，其不存在直流偏磁问题，可以广泛应用于数百瓦一数千瓦的开关电源中。但是其晶体管导通时，集

12、电极电流增加一倍，电流的增大局限性对于中、小功率的开关电源来说，不会构成影响，但是对于大功率的开关电源，由于能够承受高电压，大电流的晶体管价格昂贵，就难以实现了。图6 单相半桥逆变电路全桥式逆变电路既保持了半桥式逆变电路的电压性质有兼有推挽式的电流性质。在逆变电路中，采用相同电压、电流容量的开关器件时，全桥式逆变电路可以达到最大功率输出，因此该电路常用于中大功率电源中，电路结构如图7所示。并且与半桥式逆变电路相比，它具有较好的逆变输出波形。图7 单相全桥式逆变电路2、逆变电路开关器件的选择在逆变系统中要求系统的响应快，保护功能强，可靠性高，对于逆变电路来说，开关器件应该具有合适的导通电流、关断

13、承受反压以及尽量小的导通压降和关断时的拖尾电流、尽量短的开通和关断时间、尽量小的开关损耗和可靠稳定的导通和关断性能。3、逆变电路的吸收保护3.1直流侧电容的选择对于光伏并网系统直流侧电容器的选择需要满足下式：3.2逆变器输出滤波电路设计滤波器是影响输出波形质量的一个重要环节，在输入电压和输出电压确定的情况下，输出滤波电感的最小值主要由设定的电感电流纹波大小来决定。电流纹波一般取1520的额定电流。4、光伏逆变器的控制系统逆变器的控制系统部分是逆变器设计的重点部分，采用先进的控制技术是提高逆变电源性能不可或缺的方法。包括逆变器输出电压、电流采样和滤波，正弦波发生，输出波形控制，接收功率器件发出的

14、过流、过压等保护信号，实现自动保护功能等等。随着逆变电源对输出波形质量的不断提高，传统的模拟控制型正弦波逆变器已经渐渐的不能满足用户的要求，同时，随着各种高性能微处理器的出现和现代控制技术的发展，使逆变电源的数字控制成为可能，图8为以DSP为控制核心的逆变器控制系统结构框图。与传统的模拟控制方式相比，采用DSP为核心的控制方法具有如下特点：1)控制灵活、方便，可以在线设置参数，实时完善系统。2)易于采用先进的控制方法和控制策略，使逆变器的性能更完美。3)可以应用通讯接口实现多机并联或与上位机的通讯，以实现远程控制。4)用软件实现不同功能，减少硬件电路。5)系统的可靠性、抗干扰能力进一步提高。图

15、8 逆变器控制系统结构图4.1、并网逆变器输出控制光伏并网系统是将太阳能电池板发出的直流电转化为正弦交流电，从而向用户以及电网供电的装置。并网逆变器的控制目标为：控制逆变电路输出的交流电流为稳定的、高品质的正弦波，且与电网电压同频、同相，同时希望通过调节输出电流的幅值使光伏阵列工作在最大功率点。目前，逆变器的输出控制模式主要有两种：电压型控制模式和电流型控制模式。电压型控制模式的原理是以输出电压作为受控量，系统输出与电网电压同频同相的电压信号，整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源；电流型控制模式的原理则是以输出电感电流作为受控目标，系统输出与电网电压同频同相的电流信号，整个系统相当于一个内阻

16、较大的受控电流源。由于电网可视为容量无穷大的交流电压源，如果光伏并网逆变器输出采用电压控制，则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统，这种情况下要保证系统的稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步。在稳定运行的基础上，可通过调整逆变器输出电压的大小和相移来控制系统的有功输出和无功输出，但是这种控制方式逆变器输出电压值不易精确控制，并且可能出现环流等问题，不易获得优异性能。4.2、逆变电源控制方法4.2.1 电压反馈控制电压反馈控制技术是以输出电压作为控制对象，其控制原理如图9所示。将逆变器输出电压既町与基准电压相比较后得到误差以，经PI调节后与三角载波信号经过比较器比较，产生占空比

17、变化的SPWM信号去驱动逆变器，这是电压型控制技术的基本原理。图9电压瞬时值反馈原理框图如果反馈采用输出电压的平均值与一个电压平均值基准相比较进行的控制叫做电压平均值反馈控制；而如果反馈电压为输出电压的瞬时值，与一个电压瞬时值基准进行比较实现的控制称为电压瞬时值反馈控制。这两种控制策略中，电压平均值控制是恒值调节系统，其优点是输出可以达到无静差，缺点为是响应快速性较差，而电压瞬时值反馈控制策略是一个随动调节系统，由于积分环节存在的相位滞后，统不可能达到无静差，但相对平均值反馈控制，其快速性较好。电压型反馈控制设计和分析较为简单，具有较强的抗干扰能力，但当输入电源电压、负载、功率电路元器件参数发

18、生变化时，只有等到输出电压变化后才能起到调节作用，故其动态响应较慢。4.2.2电流反馈控制电流反馈控制是一种新颖的控制方法，具有其独特的优点。对于电压型的电流反馈系统，当交流侧电压发生波动时，若PWM开关频率固定，则电流跟踪偏差大小也发生波动。然而当交流侧电压发生波动的同时，若PWM的开关频率也作相应的波动时，则电流跟踪的偏差几乎不变。滞环控制是一种应用广泛的闭环电流反馈控制方法，其主要优点是响应速度快、结构简单。图10为采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图。图中将指令电流Ia和实际并网电流Inet，进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，

19、该PWM信号经驱动电路控制功率器件的通断，从而控制并网电流Inet的变化。图10 采用滞环比较器的电流瞬时值比较原理图电流滞环跟踪控制方式特点有：1系统具有快速的瞬态响应：由于电流反馈作用，当输入直流电压波动或负载突变引起输出电压变化时，都将引起电感电流的变化，使功率器件的开关状态产生变化，从而改变输出电压波形。2系统具有较高的稳定性：前述具有电压单环反馈控制系统是一个二阶系统，是一种有条件的稳定系统，需要对电路作精心的校正设计；相反，具有电流单环反馈控制系统则是一个一阶系统，是一种无条件稳定系统。3电流型全桥电路容易产生失控：电流脉宽不等固然可以维持电感端压的伏秒值平衡。但却会导致电容电荷的

20、安秒值不平衡，在全桥电路结构中，这种不平衡会导致直流侧分压电容端压不等，电源中点漂移，恶性循环的结果将使电路失控。4开关频率不固定：由于器件的丌关点完全取决于电流到达上下限值的时间，因此滞环控制的丌关频率并不固定，这与电压型控制下载波频率恒定的PWM控制有很大不同。由于开关频率是变化的，电路工作可靠性下降，输出电压的频谱特性变差，所有这些对系统性能都是不利的。除了上面介绍的电流滞环跟踪控制法，还有很多电流型控制策略的电路拓扑，例如，定时控制的电流瞬时值比较法，三角波比较方式的电流跟踪法等等，在此就不在详细介绍。五、光伏逆变器的主要技术指标1、输出电压的稳定度在光伏系统中，太阳电池发出的电能先由

21、蓄电池储存起来，然后经过逆变器逆变成220V或380V的交流电。但是蓄电池受自身充放电的影响，其输出电压的变化范围较大，如标称12V的蓄电池，其电压值可在108144V之间变动(超出这个范围可能对蓄电池造成损坏)。对于一个合格的逆变器，输入端电压在这个范围内变化时，其稳态输出电压的变化量应不超过额定值的±5，同时当负载发生突变时，其输出电压偏差不应超过额定值的±10。2、输出电压的波形失真度对正弦波逆变器，应规定允许的最大波形失真度(或谐波含量)。通常以输出电压的总波形失真度表示，其值应不超过5(单相输出允许l0)。由于逆变器输出的高次谐波电流会在感性负载上产生涡流等附加损

22、耗，如果逆变器波形失真度过大，会导致负载部件严重发热，不利于电气设备的安全，并且严重影响系统的运行效率。3、额定输出功率对于包含电机之类的负载，如洗衣机、电冰箱等，由于其电机最佳频率工作点为50Hz，频率过高或者过低都会造成设备发热，降低系统运行效率和使用寿命，所以逆变器的输出频率应是一个相对稳定的值，通常为工频50Hz，正常工作条件下其偏差应在±l以内。4、负载功率因素表征逆变器带感性负载或容性负载的能力。正弦波逆变器的负载功率因数为0709，额定值为09。在负载功率一定的情况下，如果逆变器的功率因数较低，则所需逆变器的容量就要增大，一方面造成成本增加，同时光伏系统交流回路的视在功率增大，回路电流增大，损耗必然增加，系统效率也会降低。5、逆变器效率逆变器的效率是指在规定的工作条件下，其输出功率与输入功率之比，以百分数表示，一般情况下，光伏逆变器的标称效率是指纯阻负载，80负载情况下的效率。由于光伏系统总体成本较高， 因此应该最大限度地提高光伏