淺談“非主流”光伏技術(shù)（十一）：解析逆變器（上）

逆變器是電力電子技術(shù)和電氣技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。光伏并網(wǎng)逆變器是整個(gè)光伏系統(tǒng)的心臟，地位非常重要。本文從元器件的角度“解剖”逆變器。

1.關(guān)鍵元器件清單

表 1

上表是組串、集中逆變器通用的一個(gè)關(guān)鍵元器件清單，和主流生產(chǎn)廠家。圖1 是逆變器的電氣拓?fù)鋱D，本文按照順序介紹各個(gè)元器件的作用和要求。

圖1

2.元器件介紹

一臺(tái)逆變器的元器件排布順序：直流開關(guān)、直流濾波、直流母線(電容)、IBGT(功率模塊)、DSP(運(yùn)算控制模塊)、LCL或者LC濾波、交流接觸器(繼電器)、交流斷路器，以及傳感器、風(fēng)機(jī)等附件。

2.1 直流開關(guān)、直流斷路器

顧名思義，直流開關(guān)就是分合直流電流作用的。直流開關(guān)又稱為直流快速開關(guān)或直流快速自動(dòng)開關(guān)，它是一種操作和保護(hù)，能對(duì)直流額定電壓600～1500V電路中直流電機(jī)、整流機(jī)組和直流饋線等進(jìn)行分閘、合閘操作，并在短路、過載、逆流(反向)時(shí)起保護(hù)跳閘作用。

直流斷路器有限流性能，能準(zhǔn)確保護(hù)繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置免受過載、短路等故障危害。直流斷路器具備的限流、滅弧能力。

需要指出的是，國(guó)內(nèi)絕大部分逆變器的直流側(cè)都選擇使用直流開關(guān)，不使用只留斷路器。

2.2 直流濾波

IGBT在工作時(shí)，不僅僅向交流側(cè)傳遞干擾信號(hào)，同時(shí)也向直流側(cè)傳導(dǎo)干擾信號(hào)，直流側(cè)的干擾信號(hào)通過電池板的鋁合金邊框向周圍環(huán)境釋放被放大的干擾信號(hào)，這樣的信號(hào)不僅僅可以干擾手機(jī)通訊，干擾視頻信號(hào)，也可以干擾監(jiān)控信號(hào)。

當(dāng)有多臺(tái)逆變器并聯(lián)時(shí)，如果沒有直流濾波，逆變器之間會(huì)互相干擾，會(huì)產(chǎn)生通訊異常，造成遠(yuǎn)程無法控制。同時(shí)，逆變器對(duì)直流線纜產(chǎn)生的干擾，會(huì)通過各種途徑耦合到交流測(cè)，對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。

目前逆變器主要使用濾波電容作為濾波元器件，很少使用濾波模塊。濾波電容并聯(lián)在逆變器電源電路輸入端，用以降低直流脈動(dòng)波紋系數(shù)、平滑直流輸出的一種儲(chǔ)能器件。濾波電容不僅使電源直流輸出平穩(wěn)，降低了交變脈動(dòng)波紋對(duì)電子電路的影響，同時(shí)還可吸收電子電路工作過程中產(chǎn)生的電流波動(dòng)和經(jīng)由交流電源串入的干擾，使得電子電路的工作性能更加穩(wěn)定。

濾波電容在電路中的符號(hào)一般用“C"表示。為了獲得好的濾波效果，選擇的濾波電容的電容量都比較大，最常用的為數(shù)百至數(shù)千微法的電解電容，在幾十千赫茲甚至更高頻率的場(chǎng)合，對(duì)頻率特性的要求比對(duì)容量的要求顯得重要得多。

2.3 母線支撐電容

母線支撐電容是逆變器的主要元器件，也就是我們常問起的，“XX廠家逆變器是電解的還是薄膜的”。母線電容也叫母線支撐電容，它安裝在IGBT模塊前端，起的主要作用穩(wěn)定IGBT母線上的電壓值。

如果直流輸入功率突然變化，會(huì)造成直流母線和電容本身里面的寄生電感產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，會(huì)造成直流母線上的電壓大幅度婦變化。影響IBGT的工作，也影響輸出電壓波形。所以在IGBT前端需要并聯(lián)大容量的直流母線電容。

圖3 500KW逆變器的直流母線電容組

2.3.1 薄膜電容和電解電容

薄膜電容器是以金屬箔當(dāng)電極，將其和聚乙酯，聚丙烯，聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜，從兩端重疊后，卷繞成圓筒狀的構(gòu)造之電容器。(見圖3)而依塑料薄膜的種類又被分別稱為聚乙酯電容又稱Mylar電容，聚丙烯電容又稱PP電容，聚苯乙烯電容又稱PS電容和聚碳酸電容。

薄膜電容器由于具有很多優(yōu)良的特性，因此是一種性能優(yōu)秀的電容器。它的主要特性如下：無極性，絕緣阻抗很高，頻率特性優(yōu)異(頻率響應(yīng)寬廣)，而且介質(zhì)損失很小?；谝陨系膬?yōu)點(diǎn)，所以薄膜電容器被大量使用在模擬電路上。尤其是在信號(hào)交連的部分，必須使用頻率特性良好，介質(zhì)損失極低的電容器，方能確保信號(hào)在傳送時(shí)，不致有太大的失真情形發(fā)生。在所有的塑料薄膜電容當(dāng)中，又以聚丙烯(PP)電容和聚苯乙烯(PS)電容的特性最為顯著，當(dāng)然這兩種電容器的價(jià)格也比較高。

由于價(jià)格較高，在2010年左右，有很多廠家用電解電容來做母線支撐電容，導(dǎo)致很多燒毀逆變器的事故。目前整個(gè)行業(yè)基本上都用薄膜電容做母線支持電容了。

電解電容器通常是由金屬箔(鋁/鉭)作為正電極，金屬箔的絕緣氧化層(氧化鋁/鉭五氧化物)作為電介質(zhì)，電解電容器以其正電極的不同分為鋁電解電容器和鉭電解電容器。鋁電解電容器的負(fù)電極由浸過電解質(zhì)液(液態(tài)電解質(zhì))的薄紙/薄膜或電解質(zhì)聚合物構(gòu)成;鉭電解電容器的負(fù)電極通常采用二氧化錳。由于均以電解質(zhì)作為負(fù)電極(注意和電介質(zhì)區(qū)分)，電解電容器因而得名。

2.3.2 電解電容和薄膜電容的區(qū)別

電容器容抗是隨著頻率的變化呈反比例關(guān)系，電容器的有功損耗是隨著電流的增大而增大，且為電流平方成正比關(guān)系，所以電容器的損耗則成為在電容器運(yùn)行過程中安全可靠的至關(guān)重要的因素。

金屬化膜直流支撐電容固有損耗非常小，整臺(tái)電容器損耗小于2‰，僅為鋁電解電容器1%，且采用聚丙烯薄膜作為介質(zhì)，產(chǎn)品頻率特性很穩(wěn)定，在中、高頻環(huán)境使用，由于其良好的頻率、電流特性可以保證其安全長(zhǎng)壽命，在額定工況下預(yù)期壽命≥80000小時(shí)，且在壽命期內(nèi)隨環(huán)境的變化電氣性能基本保持不變，不影響電容器的壽命，保證配套設(shè)備運(yùn)行安全可靠。

鋁電解電容器的損耗非常大，其中無功損耗可以占到總無功容量的20%，且鋁電解電容器有功損耗隨著頻率的增大而增大，頻率超過1000赫茲損耗變化率逐漸增大，當(dāng)頻率超過10000赫茲后變化率急劇增加，有功損耗增大，發(fā)熱量增大。這是長(zhǎng)久以來在中、高頻大功率環(huán)境下采用鋁電解直流濾波電容器發(fā)熱量大、故障率高、壽命非常短，額定工況下預(yù)期壽命≤50000小時(shí)，隨著工況的變化容量急劇變化，壽命降低的原因，甚至由一些企業(yè)在中、高頻環(huán)境使用鋁電解電容器壽命不足10000小時(shí)，常常由于電容器故障影響到整臺(tái)設(shè)備的使用。

另外，鋁電解電容器在容量偏差由于其固有的材料、結(jié)構(gòu)特性的影響，在額定電容量及容量溫度穩(wěn)定性方面偏差較金屬化電容器有較大的差距：鋁電解電容器由于無法控制鋁極板氧化面積致使容量無法準(zhǔn)確控制，而金屬化電容器產(chǎn)品可以通過直接控制極板面積精確控制產(chǎn)品電容量，偏差可以控制在-2%～+2%之間，對(duì)線路的精確性提供了可靠的保證。

金屬化膜電容器中絕緣介質(zhì)材料為高分子聚合物薄膜，可以通過控制薄膜厚度(精度在0.2微米以上)來提高電容器產(chǎn)品的額定電壓;鋁電解電容器由于絕緣介質(zhì)是鋁箔表面的氧化鋁層，難以控制氧化層厚度及均勻性，所以難以達(dá)到高的耐壓及過壓倍數(shù)。

因?yàn)镽、L、C是組成電路的基本元素，各種電容(C)，存在與一個(gè)復(fù)雜的電路中。不可能所有的電解電容都會(huì)被薄膜電容代替。

3.IGBT模塊

IGBT非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。 圖1所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)(包括P+ 和P 一區(qū))(溝道在該區(qū)域形成)，稱為亞溝道區(qū)( Subchannel region )。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)( Drain injector )，它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極?！GBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴(少子)，對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

并網(wǎng)逆變器用IGBT模塊

4.交流濾波

交流濾波器是逆變器一個(gè)重要組成部分，可以補(bǔ)償IGBT消耗的無功功率，同時(shí)濾除和減少換流過程中產(chǎn)生的諧波以避免對(duì)交流系統(tǒng)造成影響。

光伏逆變器常用的交流濾波方式主要有LC和LCL兩種形式。

4.1 LC濾波和LCL濾波電路

LC濾波器也稱為無源濾波器，是傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置。LC濾波器之所以稱為無源濾波器，顧名思義，就是該裝置不需要額外提供電源。LC濾波器一般是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，與“諧波源”并聯(lián)，除起濾波作用外，還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰６铱蔀V除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對(duì)主要次諧波(3、5、7)構(gòu)成低阻抗旁路。

Lc濾波電路

通常電流源的逆變器(并網(wǎng)逆變器)會(huì)使用LCL濾波器，電壓源的逆變器(UPS)會(huì)使用LC濾波器。原因是電流源逆變器一般都是與電網(wǎng)相連接，如果使用LC濾波器就會(huì)為電網(wǎng)注入開關(guān)次諧波，當(dāng)然這是在電網(wǎng)很強(qiáng)的情況下，如果電網(wǎng)就弱，即系統(tǒng)阻抗較大，其實(shí)使用LC濾波器也是沒有問題的。

但LCL濾波器存在兩個(gè)諧振點(diǎn)，控制參數(shù)沒有設(shè)計(jì)好會(huì)發(fā)生諧振，其次如果系統(tǒng)較弱，背景諧波電壓會(huì)通過系統(tǒng)阻抗與LCL濾波器的C發(fā)生諧振，所以一般都會(huì)在C上串一個(gè)電阻，如果不串電阻最好檢測(cè)C上電流，做反饋，也就是虛擬阻抗的方法。

電壓源逆變器一般不與電網(wǎng)連接，直接為負(fù)荷供電，比如UPS，這時(shí)只要電壓紋波系數(shù)小于一定值就可以了，即負(fù)荷能承受了，這樣就可以省去一組L。如果UPS非要使用LCL也沒問題。

目前絕大多數(shù)三相并網(wǎng)逆變器都使用LCL濾波方式，優(yōu)點(diǎn)是可以極大的減少電感量和重量，假設(shè)LC濾波的逆變器L的重量是30kg電感量是3ml，那么LCL電路中兩個(gè)L的重量之和是10kg，電感量是1ml。體積也減小了，所以很多以前2米長(zhǎng)的逆變器做到1.6米，主要賴于使用了LCL濾波。