太陽能逆變器

太陽能逆變器簡介

　　太陽能交流發電系統是由太陽能電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發電系統則不包括逆變。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，把實現整流過程的裝置稱為整流設備或整流器。與之相對應，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，把實現逆變過程的裝置稱為逆變設備或逆變器。

　　逆變裝置的核心是逆變開關電路，簡稱為逆變電路。該電路通過電力電子開關的導通與關斷，來完成逆變的功能。電力電子開關器件的通斷，需要一定的驅動脈沖，這些脈沖可能通過改變一個電壓信號來調節。產生和調節脈沖的電路通常稱為控制電路或控制回路。逆變裝置的基本結構，除上述的逆變電路和控制電路外，還有保護電路、輸出電路、輸入電路、輸出電路等。

太陽能逆變器百科

　　逆變器又稱電源調整器、功率調節器，是光伏系統必不可少的一部分。光伏逆變器最主要的功能是把太陽能電池板所發的直流電轉化成家電使用的交流電，太陽能電池板所發的電全部都要通過逆變器的處理才能對外輸出。［1］ 通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經過調制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供系統終端用戶使用。有了逆變器，就可使用直流蓄電池為電器提供交流電。

　　簡介

　　太陽能交流發電系統是由太陽能電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發電系統則不包括逆變。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，把實現整流過程的裝置稱為整流設備或整流器。與之相對應，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，把實現逆變過程的裝置稱為逆變設備或逆變器。

　　逆變裝置的核心是逆變開關電路，簡稱為逆變電路。該電路通過電力電子開關的導通與關斷，來完成逆變的功能。電力電子開關器件的通斷，需要一定的驅動脈沖，這些脈沖可能通過改變一個電壓信號來調節。產生和調節脈沖的電路通常稱為控制電路或控制回路。逆變裝置的基本結構，除上述的逆變電路和控制電路外，還有保護電路、輸出電路、輸入電路、輸出電路等。

　　特點

　　由于建筑的多樣性，勢必導致太陽能電池板安裝的多樣性，為了使太陽能的轉換效率最高同時又兼顧建筑的外形美觀，這就要求我們的逆變器的多樣化，來實現最佳方式的太陽能轉換。

　　集中逆變

　　集中逆變一般用于大型光伏發電站（》10kW）的系統中，很多并行的光伏組串被連到同一臺集中逆變器的直流輸入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模塊，功率較小的使用場效應晶體管，同時使用DSP轉換控制器來改善所產出電能的質量，使它非常接近于正弦波電流。最大特點是系統的功率高，成本低。但受光伏組串的匹配和部分遮影的影響，導致整個光伏系統的效率和電產能。同時整個光伏系統的發電可靠性受某一光伏單元組工作狀態不良的影響。最新的研究方向是運用空間矢量的調制控制，以及開發新的逆變器的拓撲連接，以獲得部分負載情況下的高的效率。在SolarMax（索瑞·麥克）集中逆變器上，可以附加一個光伏陣列的接口箱，對每一串的光伏帆板串進行監控，如其中有一組串工作不正常，系統將會把這一信息傳到遠程控制器上，同時可以通過遠程控制將這一串停止工作，從而不會因為一串光伏串的故障而降低和影響整個光伏系統的工作和能量產出。

　　組串逆變

　　組串逆變器已成為現在國際市場上最流行的逆變器。組串逆變器是基于模塊化概念基礎上的，每個光伏組串（1kW-5kW）通過一個逆變器，在直流端具有最大功率峰值跟蹤，在交流端并聯并網。許多大型光伏電廠使用組串逆變器。優點是不受組串間模塊差異和遮影的影響，同時減少了光伏組件最佳工作點。與逆變器不匹配的情況，從而增加了發電量。技術上的這些優勢不僅降低了系統成本，也增加了系統的可靠性。同時，在組串間引入“主-從”的概念，使得在系統在單串電能不能使單個逆變器工作的情況下，將幾組光伏組串聯系在一起，讓其中一個或幾個工作，從而產出更多的電能。最新的概念為幾個逆變器相互組成一個“團隊”來代替“主-從”的概念，使得系統的可靠性又進了一步。

　　多組串逆變

　　多組串逆變是取了集中逆變和組串逆變的優點，避免了其缺點，可應用于幾千瓦的光伏發電站。在多組串逆變器中，包含了不同的單獨的功率峰值跟蹤和直流到直流的轉換器，這些直流通過一個普通的直流到交流的逆變器轉換成交流電，并網到電網上。光伏組串的不同額定值（如：不同的額定功率、每組串不同的組件數、組件的不同的生產廠家等等）、不同的尺寸或不同技術的光伏組件、不同方向的組串（如：東、南和西）、不同的傾角或遮影，都可以被連在一個共同的逆變器上，同時每一組串都工作在它們各自的最大功率峰值上。同時，直流電纜的長度減少、將組串間的遮影影響和由于組串間的差異而引起的損失減到最小。

　　組件逆變

　　組件逆變器是將每個光伏組件與一個逆變器相連，同時每個組件有一個單獨的最大功率峰值跟蹤，這樣組件與逆變器的配合更好。通常用于50W到400W的光伏發電站，總效率低于組串逆變器。由于是在交流處并聯，這就增加了交流側的連線的復雜性，維護困難。另一需要解決的是怎樣更有效的與電網并網，簡單的辦法是直接通過普通的交流電插座進行并網，這樣就可以減少成本和設備的安裝，但往往各地的電網的安全標準也許不允許這樣做，電力公司有可能反對發電裝置直接和普通家庭用戶的普通插座相連。另一和安全有關的因素是是否需要使用隔離變壓器（高頻或低頻），或者允許使用無變壓器式的逆變器。這一逆變器在玻璃幕墻中使用最為廣泛。

　　太陽能逆變器的效率

　　太陽能逆變器的效率指由于對可再生能源的需求，太陽能逆變器 （光電逆變器） 的市場正在不斷增長。而這些逆變器需要極高的效率和可靠性。對這些逆變器中采用的功率電路進行了考察，并推薦了針對開關和整流器件的最佳選擇。光電逆變器的一般結構如圖1所示，有三種不同的逆變器可供選擇。太陽光照射在通過串聯方式連接的太陽能模塊上，每一個模塊都包含了一組串聯的太陽能電池（Solar Cell）單元。太陽能模塊產生的直流 （DC） 電壓在幾百伏的數量級，具體數值根據模塊陣列的光照條件、電池的溫度及串聯模塊的數量而定。這類逆變器的首要功能是把輸入的 DC電壓轉換為一穩定的值。該功能通過升壓轉換器來實現，并需要升壓開關和升壓二極管。在第一種結構中，升壓級之后是一個隔離的全橋變換器。全橋變壓器的作用是提供隔離。輸出上的第二個全橋變換器是用來從第一級的全橋變換器的直流DC變換成交流 （AC） 電壓。其輸出再經由額外的雙觸點繼電器開關連接到AC電網網絡之前被濾波，目的是在故障事件中提供安全隔離及在夜間與供電電網隔離。第二種結構是非隔離方案。其中，AC交流電壓由升壓級輸出的DC電壓直接產生。第三種結構利用功率開關和功率二極管的創新型拓撲結構，把升壓和AC交流產生部分的功能整合在一個專用拓撲中盡管太陽能電池板的轉換效率非常低，讓逆變器的效率盡可能接近100% 卻非常重要。在德國，安裝在朝南屋頂上的3kW串聯模塊預計每年可發電2550 kWh。若逆變器效率從95% 增加到 96%，每年便可以多發電25kWh。而利用額外的太陽能模塊產生這25kWh的費用與增加一個逆變器相當。由于效率從95% 提高到 96% 不會使到逆變器的成本加倍，故對更高效的逆變器進行投資是必然的選擇。對新興設計而言，以最具成本效益地提高逆變器效率是關鍵的設計準則。至于逆變器的可靠性和成本則是另外兩個設計準則。更高的效率可以降低負載周期上的溫度波動，從而提高可靠性，因此，這些準則實際上是相關聯的。模塊的使用也會提高可靠性。

　　升壓開關和二極管

　　圖1所示的所有拓撲都需要快速轉換的功率開關。升壓級和全橋變換級需要快速轉換二極管。此外，專門為低頻 （100Hz） 轉換而優化的開關對這些拓撲也很有用處。對于任何特定的硅技術，針對快速轉換優化的開關比針對低頻轉換應用優化的開關具有更高的導通損耗。升壓級一般設計為連續電流模式轉換器。根據逆變器所采用的陣列中太陽能模塊的數量，來選者使用600V還是1200V的器件。功率開關的兩個選擇是MOSFET和 IGBT。一般而言，MOSFET比IGBT可以工作在更高的開關頻率下。此外，還必須始終考慮體二極管的影響：在升壓級的情況下并沒有什么問題，因為正常工作模式下體二極管不導通。MOSFET的導通損耗可根據導通阻抗RDS（ON）來計算，對于給定的MOSFET系列，這與有效裸片面積成比例關系。當額定電壓從600V 變化到1200V時，MOSFET的傳導損耗會大大增加，因此，即使額定RDS（ON） 相當，1200V的 MOSFET也不可用或是價格太高。對于額定600V的升壓開關，可采用超結MOSFET。對高頻開關應用，這種技術具有最佳的導通損耗。TO-220封裝、RDS（ON） 值低于100毫歐的MOSFET和采用TO-247封裝、RDS（ON） 值低于50毫歐的MOSFET。對于需要1200V功率開關的太陽能逆變器，IGBT是適當的選擇。較先進的IGBT技術，比如NPT Trench 和 NPT Field Stop，都針對降低導通損耗做了優化，但代價是較高的開關損耗，這使得它們不太適合于高頻下的升壓應用。在舊有NPT平面技術的基礎上開發了一種可以提高高開關頻率的升壓電路效率的器件FGL40N120AND，具有43uJ/A的EOFF ，比較采用更先進技術器件的EOFF為80uJ/A，但要獲得這種性能卻非常困難。FGL40N120AND器件的缺點在于飽和壓降VCE（SAT） （3.0V 相對于125ºC的 2.1V） 較高，不過它在高升壓開關頻率下開關損耗很低的優點已足以彌補這一切。該器件還集成了反并聯二極管。在正常升壓工作下，該二極管不會導通。然而，在啟動期間或瞬變情況下，升壓電路有可能被驅使進入工作模式，這時該反并聯二極管就會導通。由于IGBT本身沒有固有的體二極管，故需要這種共封裝的二極管來保證可靠的工作。對升壓二極管，需要Stealth™ 或碳硅二極管這樣的快速恢復二極管。碳硅二極管具有很低的正向電壓和損耗。在選擇升壓二極管時，必須考慮到反向恢復電流 （或碳硅二極管的結電容） 對升壓開關的影響，因為這會導致額外的損耗。在這里，新推出的Stealth II 二極管 FFP08S60S可以提供更高的性能。當VDD=390V、 ID=8A、di/dt=200A/us，且外殼溫度為100ºC時，計算得出的開關損耗低于FFP08S60S的參數205mJ。而采用ISL9R860P2 Stealth 二極管，這個值則達225mJ。故此舉也提高了逆變器在高開關頻率下的效率。

　　橋接開關和二極管

　　MOSFET全橋濾波之后，輸出橋產生一個50Hz的正弦電壓及電流信號。一種常見的實現方案是采用標準全橋結構 （圖2）。圖中若左上方和右下方的開關導通，則在左右終端之間加載一個正電壓；右上方和左下方的開關導通，則在左右終端之間加載一個負電壓。對于這種應用，在某一時段只有一個開關導通。一個開關可被切換到PWM高頻下，另一開關則在50Hz低頻下。由于自舉電路依賴于低端器件的轉換，故低端器件被切換到PWM高頻下，而高端器件被切換到50Hz低頻下。這應用采用了600V的功率開關，故600V超結MOSFET非常適合這個高速的開關器件。由于這些開關器件在開關導通時會承受其它器件的全部反向恢復電流，因此快速恢復超結器件如600V FCH47N60F是十分理想的選擇。它的RDS（ON） 為73毫歐，相比其它同類的快速恢復器件其導通損耗很低。當這種器件在50Hz下進行轉換時，無需使用快速恢復特性。這些器件具有出色的dv/dt和di/dt特性，比較標準超結MOSFET可提高系統的可靠性。另一個值得探討的選擇是采用FGH30N60LSD器件。它是一顆飽和電壓VCE（SAT） 只有1.1V的30A/600V IGBT。其關斷損耗EOFF非常高，達10mJ ，故只適合于低頻轉換。一個50毫歐的MOSFET在工作溫度下導通阻抗RDS（ON） 為100毫歐。因此在11A時，具有和IGBT的VCE（SAT） 相同的VDS。由于這種IGBT基于較舊的擊穿技術，VCE（SAT） 隨溫度的變化不大。因此，這種IGBT可降低輸出橋中的總體損耗，從而提高逆變器的總體效率。FGH30N60LSD IGBT在每半周期從一種功率轉換技術切換到另一種專用拓撲的做法也十分有用。IGBT在這里被用作拓撲開關。在較快速的轉換時則使用常規及快速恢復超結器件。對于1200V的專用拓撲及全橋結構，前面提到的FGL40N120AND是非常適合于新型高頻太陽能逆變器的開關。當專用技術需要二極管時，Stealth II、Hyperfast™ II 二極管及碳硅二極管是很好的解決方案。

　　功能作用

　　逆變器不只具有直交流變換功用，還具有最大限制地發揚太陽電池功能的功用和系統毛病維護功用。歸結起來有主動運轉和停機功用、最大功率跟蹤節制功用、防獨自運轉功用（并網系統用）、主動電壓調整功用（并網系統用）、直流檢測功用（并網系統用）、直流接地檢測功用（并網系統用）。這里簡略引見主動運轉和停機功用及最大功率跟蹤節制功用。1、主動運轉和停機功用：早晨日出后，太陽輻射強度逐步加強，太陽電池的輸出也隨之增大，當到達逆變器任務所需的輸出功率后，逆變器即主動開端運轉。進入運轉后，逆變器便每時每刻看管太陽電池組件的輸出，只需太陽電池組件的輸出功率大于逆變器任務所需的輸出功率，逆變器就繼續運轉；直到日落停機，即便陰雨天逆變器也能運轉。當太陽電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時，逆變器便構成待機形態。2、最大功率跟蹤節制功用：太陽電池組件的輸出是隨太陽輻射強度和太陽電池組件本身溫度（芯片溫度）而轉變的。別的因為太陽電池組件具有電壓隨電流增大而下降的特征，因而存在能獲取最大功率的最佳任務點。太陽輻射強度是轉變著的，明顯最佳任務點也是在轉變的。相關于這些轉變，一直讓太陽電池組件的任務點處于最大功率點，系統一直從太陽電池組件獲取最大功率輸出，這種節制就是最大功率跟蹤節制。太陽能發電系統用的逆變器的最大特點就是包羅了最大功率點跟蹤（MPPT）這一功用。

　　性能參數

　　描述逆變器性能的參量和技術條件很多，這里僅就評價逆變器時常用的技術參數做一扼要說明。1、逆變器的使用環境條件，逆變器正常使用條件：海拔高度不超過1000m，空氣溫度0～+40℃。2、直流輸入電源條件，輸入直流電壓波動范圍：蓄電池組額定電壓值的±15%。3、額定輸出電壓，在規定的輸入直流電壓允許的波動范圍內，它表示逆變器應能輸出的額定電壓值。對輸出額定電壓值的穩定準確度一般有如下規定：（1）在穩態運行時，電壓波動范圍應有一個限定，例如其偏差不超過額定值的±3%或±5%。（2）在負載突變或有其他干擾因素影響的動態情況下，其輸出電壓偏差不應超過額定值的±8%或±10%。4、額定輸出頻率，逆變器輸出交流電壓的頻率應是一個相對穩定的值，通常為工頻50Hz。正常工作條件下其偏差應在±1%以內。5、額定輸出電流（或額定輸出容量），表示在規定的負載功率因數范圍內逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產品給出的是額定輸出容量，其單位以VA或kVA表示。逆變器的額定容量是當輸出功率因數為1（即純阻性負載）時，額定輸出電壓為額定輸出電流的乘積。6、額定輸出效率，逆變器的效率是在規定的工作條件下，其輸出功率對輸入功率之比，以%表示。逆變器 在額定輸出容量下的效率為滿負荷效率，在10%額定輸出容量的效率為低負荷效率。7、逆變器的最大諧波含量，正弦波逆變器，在阻性負載下，輸出電壓的最大諧波含量應≤10%。8、逆變器的過載能力，在規定的條件下，在較短時間內，逆變器輸出超過額定電流值的能力。逆變器的過載能力應在規定的負載功率因數下，滿足一定的要求。9、逆變器的效率，在額定輸出電壓、輸出電流和規定的負載功率因數下，逆變器輸出有功功率與輸入有功功率（或直流功率）之比。10、負載功率因數，表征逆變器帶感性負載或容性負載的能力。在正弦波條件下，負載功率因數為0.7～0.9（滯后），額定值為0.9。11、負載的非對稱性，在10%的非對稱負載下，固定頻率的三相逆變器輸出電壓的非對稱性應≤10%。12、輸出電壓的不平衡度，在正常工作條件下，逆變器輸出的三相電壓不平衡度（逆序分量對正序分量之比）應不超過一個規定值，一般以%表示，如5%或8%。13、起動特性，在正常工作條件下，逆變器在滿載負載和空載運行條件下，應能連續5次正常起動。14、保護功能，逆變器應設置：短路保護、過電流保護、過溫保護、過電壓保護、欠電壓保護及缺相保護。其中過電壓保護是指對于沒電壓穩定措施的逆變器，應有輸出過電壓防護措施，以使負截免受輸出過電壓的損害。過電流保護是指逆變器的過電流保護，應能保證在負載發生短路或電流超過允許值時及時動作，使其免受浪涌電流的損傷。15、干擾與抗干擾，逆變器應在規定的正常工作條件下，能承受一般環境下的電磁干擾。逆變器的抗干擾性能和電磁兼容性應符合有關標準的規定。16、不經常操作、監視和維護的逆變器，應≤95db；經常操作、監視和維護的逆變器，應≤80db。17、顯示，逆變器應設有交流輸出電壓、輸出電流和輸出頻率等參數的數據顯示，并有輸入帶電、通電和故障狀態的信號顯示。18、通信功能，遠程通信功能能夠讓用戶不必到現場就能查看機器的運轉狀態以及存儲的數據。19、。輸出電壓的波形失真度，當逆變器輸出電壓為正弦度時，應規定允許的最大波形失真度（或諧波含量）。通常以輸出電壓的總波形失真度表示，其值不應超過5%（單相輸出允許10%）。20、起動特性，表征逆變器帶負載起動的能力和動態工作時的性能。逆變器應保證在額定負載下可靠起動。21、噪聲，電力電子設備中的變壓器、濾波電感、電磁開關及風扇等部件均會產生噪聲。逆變器正常運行時，其噪聲應不超過80dB，小型逆變器的噪聲應不超過65dB。

　　逆變器怎樣和太陽能控制器連接

　　逆變器和太陽能控制器連接需要中間儲備器件進行連接，一般選用蓄電池，太陽能控制器與蓄電池連接充電，蓄電池再與逆變器連接將其電壓升高，將升高的電壓與太陽能控制器進行連接。

　　控制器分組合邏輯控制器和微程序控制器，兩種控制器各有長處和短處。組合邏輯控制器設計麻煩，結構復雜，一旦設計完成，就不能再修改或擴充，但它的速度快。微程序控制器設計方便，結構簡單，修改或擴充都方便，修改一條機器指令的功能，只需重編所對應的微程序；要增加一條機器指令，只需在控制存儲器中增加一段微程序，但是，它是通過執行一段微程。具體對比如下：組合邏輯控制器又稱硬布線控制器，由邏輯電路構成，完全靠硬件來實現指令的功能。