光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器的基本知識

逆變器的概念
     
      通常，把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(xiàn)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(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變設備或逆變器。
     
      現(xiàn)代逆變技術(shù)是研究逆變電路理論和應用的一門科學技術(shù)。它是建立在工業(yè)電子技術(shù)、半導體器件技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、半導體變流技術(shù)、脈寬調(diào)制（ＰＷＭ）技術(shù)等學科基礎之上的一門實用技術(shù)。它主要包括半導體功率集成器件及其應用、逆變電路和逆變控制技術(shù)３大部分。
     
      逆變器的分類
     
      逆變器的種類很多，可按照不同的方法進行分類。
     
      １．按逆變器輸出交流電能的頻率分，可分為工頻逆變器、中頻逆器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為５０～６０Ｈｚ的逆變器；中頻逆變器的頻率一般為４００Ｈｚ到十幾ｋＨｚ；高頻逆變器的頻率一般為十幾ｋＨｚ到ＭＨｚ。
     
      ２．按逆變器輸出的相數(shù)分，可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器。
     
      ３．按照逆變器輸出電能的去向分，可分為有源逆變器和無源逆變器。凡將逆變器輸出的電能向工業(yè)電網(wǎng)輸送的逆變器，稱為有源逆變器；凡將逆變器輸出的電能輸向某種用電負載的逆變器稱為無源逆變器。
     
      ４．按逆變器主電路的形式分，可分為單端式逆變器，推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。
     
      ５．按逆變器主開關(guān)器件的類型分，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場效應逆變器和絕緣柵雙極晶體管（ＩＧＢＴ）逆變器等。又可將其歸納為“半控型”逆變器和“全控制”逆變器兩大類。前者，不具備自關(guān)斷能力，元器件在導通后即失去控制作用，故稱之為“半控型”普通晶閘管即屬于這一類；后者，則具有自關(guān)斷能力，即無器件的導通和關(guān)斷均可由控制極加以控制，故稱之為“全控型”，電力場效應晶體管和絕緣柵雙權(quán)晶體管（ＩＧＢＴ）等均屬于這一類。
     
      ６．按直流電源分，可分為電壓源型逆變器（ＶＳＩ）和電流源型逆變器（ＣＳＩ）。前者，直流電壓近于恒定，輸出電壓為交變方波；后者，直流電流近于恒定，輸也電流為交變方波。
     
      ７．按逆變器輸出電壓或電流的波形分，可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。
     
      ８．按逆變器控制方式分，可分為調(diào)頻式（ＰＦＭ）逆變器和調(diào)脈寬式（ＰＷＭ）逆變器。
     
      ９．按逆變器開關(guān)電路工作方式分，可分為諧振式逆變器，定頻硬開關(guān)式逆變器和定頻軟開關(guān)式逆變器。
     
      １０．按逆變器換流方式分，可分為負載換流式逆變器和自換流式逆變器。
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      逆變器的基本結(jié)構(gòu)
     
      逆變器的直接功能是將直流電能變換成為交流電能，其示意圖如圖１所示。
     
     
     
     
     
      逆變裝置的核心，是逆變開關(guān)電路，簡稱為逆變電路。該電路通過電力電子開關(guān)的導通與關(guān)斷，來完成逆變的功能。電力電子開關(guān)器件的通斷，需要一定的驅(qū)動脈沖，這些脈沖可能通過改變一個電壓信號來調(diào)節(jié)。產(chǎn)生和調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)，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，如圖２所示。
     
     
     
     
     
      逆變器的工作原理
     
      １．全控型逆變器工作原理：圖３所示，為通常使用的單相輸出的全橋逆變主電路，圖中，交流元件采用ＩＧＢＴ管Ｑ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４。并由ＰＷＭ脈寬調(diào)制控制ＩＧＢＴ管的導通或截止。
      當逆變器電路接上直流電源后，先由Ｑ１１、Ｑ１４導通，Ｑ１、Ｑ１３截止，則電流由直流電源正極輸出，經(jīng)Ｑ１１、Ｌ或感、變壓器初級線圈圖１－２，到Ｑ１４回到電源負極。當Ｑ１１、Ｑ１４截止后，Ｑ１２、Ｑ１３導通，電流從電源正極經(jīng)Ｑ１３、變壓器初級線圈２－１電感到Ｑ１２回到電源負極。此時，在變壓器初級線圈上，已形成正負交變方波，利用高頻ＰＷＭ控制，兩對ＩＧＢＴ管交替重復，在變壓器上產(chǎn)生交流電壓。由于ＬＣ交流濾波器作用，使輸出端形成正弦波交流電壓。
      當Ｑ１１、Ｑ１４關(guān)斷時，為了釋放儲存能量，在ＩＧＢＴ處并聯(lián)二級管Ｄ１１、Ｄ１２，使能量返回到直流電源中去。
     
     
     
     
     
     
      ２．半控型逆變器工作原理：半控型逆變器采用晶閘管元件。改進型并聯(lián)逆變器的主電路如圖４所示。圖中，Ｔｈ１、Ｔｈ２為交替工作的晶閘管，設Ｔｈ１先觸發(fā)導通，則電流通過變壓器流經(jīng)Ｔｈ１，同時由于變壓器的感應作用，換向電容器Ｃ被充電到大的２倍的電源電壓。按著Ｔｈ２被觸發(fā)導通，因Ｔｈ２的陽極加反向偏壓，Ｔｈ１截止，返回阻斷狀態(tài)。這樣，Ｔｈ１與Ｔｈ２換流，然后電容器Ｃ又反極性充電。如此交替觸發(fā)晶閘管，電流交替流向變壓器的初級，在變壓器的次級得到交流電。
      在電路中，電感Ｌ可以限制換向電容Ｃ的放電電流，延長放電時間，保證電路關(guān)斷時間大于晶閘管的關(guān)斷時間，而不需容量很大的電容器。Ｄ１和Ｄ２是２只反饋二極管，可將電感Ｌ中的能量釋放，將換向剩余的能量送回電源，完成能量的反饋作用。
     
     
      逆變器的主要技術(shù)性能及評價選用
     
      技術(shù)性能
     
      表征逆變器性能的基本參數(shù)與技術(shù)條件內(nèi)容很多，下面僅就評價時常用的參數(shù)做一簡要說明。
     
      １．額定輸出電壓
      在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動范圍內(nèi)，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(wěn)定準確度一般有如下規(guī)定：
      （１）在穩(wěn)態(tài)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（額定負載０％→５０％→１００％）或有其他干擾因素影響的動態(tài)情況下，其輸出電壓偏差不應超過額定值的±８％或±１０％。
     
      ２．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(guī)定值，一般以％表示，如５％或８％。
     
      ３．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(guī)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％）。
     
      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(wěn)定的值，通常為工頻５０Ｈｚ。正常工作條件下其偏差應在±１％以內(nèi)。
     
      ５．負載功率因數(shù)
     
      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(shù)為０．７～０．９（滯后），額定值為０．９。
     
      ６．額定輸出電流（或額定輸出容量）
     
      表示在規(guī)定的負載功率因數(shù)范圍內(nèi)逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產(chǎn)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(shù)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。
     
      ７．額定輸出效率
     
      逆變器的效率是在規(guī)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。
     
      ８．保護
     
      （１）過電壓保護：對于沒電壓穩(wěn)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。
      （２）過電流保護：逆變器的過電流保護，應能保證在負載發(fā)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。
     
      ９．起動特性
     
      表征逆變器帶負載起動的能力和動態(tài)工作時的性能。逆變器應保證在額定負載下可靠起動。
     
      １０．噪聲
     
      電力電子設備中的變壓器、濾波電感、電磁開關(guān)及風扇等部件均會產(chǎn)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。
     
      逆變器的主要技術(shù)性能及評價選用
     
      評價
      為正確選用光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器，應對逆變器的技術(shù)性能進行評價。根據(jù)逆變器對離網(wǎng)型主要光伏發(fā)電系統(tǒng)運行特性的影響和光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器性能的要求，評價內(nèi)容有如下幾項：
      １．額定輸出容量
      表征逆變器向負載供電的能力。額定輸出容量值高的逆變器可帶更多的用電負載。但當逆變器的負載不是純阻性時，也就是輸出功率小于１時，逆變器的負載能力將小于所給出的額定輸出容量值。
      ２．輸出電壓穩(wěn)定度
      表征逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力。多數(shù)逆變器產(chǎn)品給出的是輸入直流電壓在允許波動范圍內(nèi)該逆變器輸出電壓的偏差％，通常稱為電壓調(diào)整率。高性能的逆變器應同時給出當負載由０％→１００％變化時，該逆變器輸出電壓的偏差％，通常稱為負載調(diào)整率。性能良好的逆變器的電壓調(diào)整率應≤±３％，負載調(diào)整率應≤±６％。
      ３．整機效率
      表征逆變器自身功率損耗的大小，通常以％表示。容量較大的逆變器還應給出滿負荷效率值和低負荷效率值。ｋＷ級以下逆變器的效率應為８０％～８５％，１０ｋＷ級逆變器的效率應為８５％～９０％。逆變器效率的高低對光伏發(fā)電系統(tǒng)提高有效發(fā)電量和降低發(fā)電成本有重要影響。
      ４．保護功能
      過電壓、過電流及短路保護是保證逆變器安全運行的最基本措施。功能完美的正弦波逆變器還具有欠電壓保護、缺相保護及溫度越限報警等功能。
      ５．起動性能
      逆變器應保證在額定負載下可靠起動。高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿負荷起動而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全，有時采用軟起動或限流起動。
      對于大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的波形失真度和噪聲水平等技術(shù)性能也十分重要。
     
      在選用離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器時，除依據(jù)上述５項基本評價內(nèi)容外，還應注意以下幾點：
     
      （１）應具有足夠的額定輸出容量和負載能力。逆變器的選用，首先要考慮具有足夠的額定容量，以滿足最大負荷下設備對電功率的要求。對于以單一設備為負載的逆變器，其額定容量的選取較為簡單，當用電設備為純阻性負載或功率因數(shù)大于０．９時，選取逆變器的額定容量為電設備容量的１．１～１．１５倍即可。在逆變器以多個設備為負載時，逆變器容量的選取要考慮幾個用電設備同時工作的可能性，即“負載同時系數(shù)”。
      （２）應具有較高的電壓穩(wěn)定性能。在離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中均以蓄電池為儲能設備。當標稱電壓為１２Ｖ的蓄電池處于浮充電狀態(tài)時，端電壓可達１３．５Ｖ，短時間過充電狀態(tài)可達１５Ｖ。蓄電池帶負荷放電終了時端電壓可降至１０．５Ｖ或更低。蓄電池端電壓的起伏可達標稱電壓的３０％左右。這就要求逆變器具有較好的調(diào)壓性能，才能保證光伏發(fā)電系統(tǒng)以穩(wěn)定的交流電壓供電。
      （３）在各種負載下具有高效率或較高效率。整機效率高是光伏發(fā)電用逆變器區(qū)別于通用型逆變器的一個顯著特點。１０ｋＷ級的通用型逆變器實際效率只有７０％～８０％，將其用于光伏發(fā)電系統(tǒng)時將帶來總發(fā)電量２０％～３０％的電能損耗。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)專用逆變器在設計中應特別注意減少自身功率損耗，提高整機效率。因此這是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟指標的一項重要措施。在整機效率方面對光伏發(fā)電專用逆變器的要求是：ｋＷ級以下逆變器額定負荷效率 ≥８０％～８５％，低負荷效率≥６５％～７５％；１０ｋＷ級逆變器額定負荷效率≥８５％～９０％，低負荷效率≥７０％～８０％。
      （４）應具有良好的過電流保護與短路保護功能。光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運行過程中，因負載故障、人員誤操作及外界干擾等原因而引起的供電系統(tǒng)過電流或短路，是完全可能的。逆變器對外電路的過電電流及短路現(xiàn)象最為敏感，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在選用逆變器時，必須要求具備有良好的對過電流及短路的自我保護功能。
      （５）維護方便。高質(zhì)量的逆變器在運行若干年后，因元器件失效而出現(xiàn)故障，應屬于正?，F(xiàn)象。除生產(chǎn)廠家需有良好的售后服務系統(tǒng)外，還要求生產(chǎn)廠家在逆變器生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)及元器件選型方面具有良好的可維護性。例如，損壞元器件有充足的備件或容易買到，元器件的互換性好；在工藝結(jié)構(gòu)上，元器件容易拆裝，更換方便。這樣，即使逆變器出現(xiàn)故障，也可迅速恢復正常。
     
      光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的操作使用與維護檢修
     
      操作使用
     
      １．嚴格按照逆變器使用維護說明書的要求進行設備的連接和安裝。在安裝時，應認真檢查：線徑是否符合要求；各部件及端子在運輸中有否松動；應絕緣處是否絕緣良好；系統(tǒng)的接地是否符合規(guī)定。
      ２．應嚴格按照逆變器使用維護說明書的規(guī)定操作使用。尤其是：在開機前要注意輸入電壓是否正常；在操作時要注意開關(guān)機的順序是否正確，各表頭和指示燈的指示是否正常。
      ３．逆變器一般均有斷路、過電流、過電壓、過熱等項目的自動保護，因此在發(fā)生這些現(xiàn)象時，無需人工停機；自動保護的保護點，一般在出廠時已設定好，無需再行調(diào)整。
      ４．逆變器機柜內(nèi)有高壓，操作人員一般不得打開柜門，柜門平時應鎖死。
      ５．在室溫超過３０℃時，應采取散熱降溫措施，以防止設備發(fā)生故障，延長設備使用壽命。
     
      維護檢修
     
      １．應定期檢查逆變器各部分的接線是否牢固，有無松動現(xiàn)象，尤其應認真檢查風扇、功率模塊、輸入端子、輸出端子以及接地等。
      ２．一旦報警停機，不準馬上開機，應查明原因并修復后再行開機，檢查應嚴格按逆變器維護手冊的規(guī)定步驟進行。
      ３．操作人員必須經(jīng)過專門培訓，能夠判斷一般故障的產(chǎn)生原因，并能進行排除，例如能熟練地更換保險絲、組件以及損壞的電路板等。未經(jīng)培訓的人員，不得上崗操作使用設備。
      ４．如發(fā)生不易排除的事故或事故的原因不清，應做好事故詳細記錄，并及時通知生產(chǎn)工廠給予解決。