光伏逆變器工作原理

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。

特點：

（1）要求具有較高的效率

由于目前太陽能電池的價格偏高，為了最大限度的利用太陽能電池，提高系統(tǒng)效率，必須設法提高逆變器的效率。

（2）要求具有較高的可靠性

目前光伏電站系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū)，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變器有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴格的元器件篩選，并要求逆變器具 備各種保護功能，如：輸入直流極性接反保護、交流輸出短路保護、過熱、過載保護等。

（3）要求輸入電壓有較寬的適應范圍

由于太陽能電池的端電壓隨負載和日照強度變化而變化。特別是當蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，如12V的蓄電池，其端電壓可能在 10V~16V之間變化，這就要求逆變器在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作。

光伏逆變器分類

有關逆變器分類的方法很多，例如：根據(jù)逆變器輸出交流電壓的相數(shù)，可分為單相逆變器和三相逆變器；根據(jù)逆變器使用的半導體器件類型 不同，又可分為晶體管逆變器、晶閘管逆變器及可關斷晶閘管逆變器等。根據(jù)逆變器線路原理的不同，還可分為自激振蕩型逆變器、階梯波疊加型逆變器和脈寬調(diào)制型逆變器等。根據(jù)應用在并網(wǎng)系統(tǒng)還是離網(wǎng)系統(tǒng)中又可以分為并網(wǎng)逆變器和離網(wǎng)逆變器。為了便于光電用戶選用逆變器，這里僅以逆變器適用場合的不同進行分類。

1、集中型逆變器

集中逆變技術是若干個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IGB T功率模塊，功率較小的使用場效應晶體管，同時使用DSP轉(zhuǎn)換控制器來改善所產(chǎn)出電能的質(zhì)量，使它非常接近于 正弦波電流，一般用于大型光伏發(fā)電站(>10kW)的系統(tǒng)中。最大特點是系統(tǒng)的功率高，成本低，但由于不同光伏組 串的輸出電壓、電流往往不完全匹配(特別是光伏組串因多云、樹蔭、污漬等原因被部分遮擋時)，采用集中逆變的 方式會導致逆變過程的效率降低和電戶能的下降。同時整個光伏系統(tǒng)的發(fā)電可靠性受某一光伏單元組工作狀態(tài)不 良的影響。最新的研究方向是運用空間矢量的調(diào)制控制以及開發(fā)新的逆變器的拓撲連接，以獲得部分負載情況下的高效率。

2、組串型逆變器

組串逆變器是基于模塊化概念基礎上的，每個光伏組串(1-5kw)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(lián)并網(wǎng)，已成為現(xiàn)在國際市場上最流行的逆變器。

許多大型光伏電廠使用組串逆變器。優(yōu)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(fā)電量。技術上的這些優(yōu)勢不僅降低了系統(tǒng)成本，也增加了系統(tǒng)的可靠性。同時，在組串間引人"主-從"的概念，使得系統(tǒng)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(lián)系在一起，讓其中一個或幾個工作，從而產(chǎn)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(tǒng)的可靠性又進了一步。目前，無變壓器式組串逆變器已占了主導地位。

3、微型逆變器

在傳統(tǒng)的PV系統(tǒng)中，每一路組串型逆變器的直流輸入端，會由10塊左右光伏電池板串聯(lián)接入。當10塊串聯(lián)的 電池板中，若有一塊不能良好工作，則這一串都會受到影響。若逆變器多路輸入使用同一個MPPT，那么各路輸入 也都會受到影響，大幅降低發(fā)電效率。在實際應用中，云彩，樹木，煙囪，動物，灰塵，冰雪等各種遮擋因素都 會引起上述因素，情況非常普遍。而在微型逆變器的PV系統(tǒng)中，每一塊電池板分別接入一臺微型逆變器，當電池 板中有一塊不能良好工作，則只有這一塊都會受到影響。其他光伏板都將在最佳工作狀態(tài)運行，使得系統(tǒng)總體效 率更高，發(fā)電量更大。在實際應用中，若組串型逆變器出現(xiàn)故障，則會引起幾千瓦的電池板不能發(fā)揮作用，而微 型逆變器故障造成的影響相當之小。

4、功率優(yōu)化器

太陽能發(fā)電系統(tǒng)加裝功率優(yōu)化器(Optimizer)可大幅提升轉(zhuǎn)換效率，并將逆變器(Inverter)功能化繁為簡降低 成本。為實現(xiàn)智慧型太陽能發(fā)電系統(tǒng)，裝置功率優(yōu)化器可確實讓每一個太陽能電池發(fā)揮最佳效能，并隨時監(jiān)控電 池耗損狀態(tài)。功率優(yōu)化器是介于發(fā)電系統(tǒng)與逆變器之間的裝置，主要任務是替代逆變器原本的最佳功率點追蹤功 能。功率優(yōu)化器藉由將線路簡化以及單一太陽能電池即對應一個功率優(yōu)化器等方式，以類比式進行極為快速的最 佳功率點追蹤掃描，進而讓每一個太陽能電池皆可確實達到最佳功率點追蹤，除此之外，還能藉置入通訊晶片隨 時隨地監(jiān)控電池狀態(tài)，即時回報問題讓相關人員盡速維修。

光伏逆變器的功能

逆變器不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護功能。歸納起來有自動運行和停機功能、最大功率跟蹤控制功能、防單獨運行功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、自動電壓調(diào)整功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流檢測功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流接地檢測功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）。這里簡單介紹自動運行和停機功能及最大功率跟蹤控制功能。

（1）自動運行和停機功能

早晨日出后，太陽輻射強度逐漸增強，太陽電池的輸出也隨之增大，當達到逆變器工作所需的輸出功率后，逆變器即自動開始運行。進入運行后，逆變器便時時刻刻監(jiān)視太陽電池組件的輸出，只要太陽電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率，逆變器就持續(xù)運行；直到日落停機，即使陰雨天逆變器也能運行。當太陽電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時，逆變器便形成待機狀態(tài)。

（2）最大功率跟蹤控制功能

太陽電池組件的輸出是隨太陽輻射強度和太陽電池組件自身溫度（芯片溫度）而變化的。另外由于太陽電池組件具有電壓隨電流增大而下降的特性，因此存在能獲取最大功率的最佳工作點。太陽輻射強度是變化著的，顯然最佳工作點也是在變化的。相對于這些變化，始終讓太陽電池組件的工作點處于最大功率點，系統(tǒng)始終從太陽電池組件獲取最大功率輸出，這種控制就是最大功率跟蹤控制。太陽能發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器的最大特點就是包括了最大功率點跟蹤（MPPT）這一功能。

光伏逆變器的主要技術指標

1．輸出電壓的穩(wěn)定度

在光伏系統(tǒng)中，太陽電池發(fā)出的電能先由蓄電池儲存起來，然后經(jīng)過逆變器逆變成220V或380V的交流電。但是蓄電池受自身充放電的影響，其輸出電壓的變化范圍較大，如標稱12V的蓄電池，其電壓值可在10．8～14．4V之間變動(超出這個范圍可能對蓄電池造成損壞)。對于一個合格的逆變器，輸入端電壓在這個范圍內(nèi)變化時，其穩(wěn)態(tài)輸出電壓的變化量應不超過額定值的±5％，同時當負載發(fā)生突變時，其輸出電壓偏差不應超過額定值的±10％。

2．輸出電壓的波形失真度

對正弦波逆變器，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，其值應不超過5％(單相輸出允許l0％)。由于逆變器輸出的高次諧波電流會在感性負載上產(chǎn)生渦流等附加損耗，如果逆變器波形失真度過大，會導致負載部件嚴重發(fā)熱，不利于電氣設備的安全，并且嚴重影響系統(tǒng)的運行效率。

3．額定輸出頻率

對于包含電機之類的負載，如洗衣機、電冰箱等，由于其電機最佳頻率工作點為50Hz，頻率過高或者過低都會造成設備發(fā)熱，降低系統(tǒng)運行效率和使用壽命，所以逆變器的輸出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±l％以內(nèi)。

4．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。正弦波逆變器的負載功率因數(shù)為0．7～0．9，額定值為0．9。在負載功率一定的情況下，如果逆變器的功率因數(shù)較低，則所需逆變器的容量就要增大，一方面造成成本增加，同時光伏系統(tǒng)交流回路的視在功率增大，回路電流增大，損耗必然增加，系統(tǒng)效率也會降低。

5．逆變器效率

逆變器的效率是指在規(guī)定的工作條件下，其輸出功率與輸入功率之比，以百分數(shù)表示，一般情況下，光伏逆變器的標稱效率是指純阻負載，80％負載情況下的效率。由于光伏系統(tǒng)總體成本較高， 因此應該最大限度地提高光伏逆變器的效率，降低系統(tǒng)成本，提高光伏系統(tǒng)的性價比。目前主流逆變器標稱效率在80％～95％之間，對小功率逆變器要求其效率不低于85％。在光伏系統(tǒng)實際設計過程中，不但要選擇高效率的逆變器，同時還應通過系統(tǒng)合理配置，盡量使光伏系統(tǒng)負載工作在最佳效率點附近。

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、保護措施

一款性能優(yōu)良的逆變器，還應具備完備的保護功能或措施，以應對在實際使用過程中出現(xiàn)的各種異常情況，使逆變器本身及系統(tǒng)其他部件免受損傷。

(1)輸入欠壓保護：

當輸入端電壓低于額定電壓的85％時，逆變器應有保護和顯示。

(2)輸入過壓保護：

當輸入端電壓高于額定電壓的130％時，逆變器應有保護和顯示。

(3)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。當工作電流超過額定的150％時，逆變器應能自動保護。

(4)輸出短路保護:

逆變器短路保護動作時間應不超過0．5s。

(5)輸入反接保護：

當輸入端正、負極接反時，逆變器應有防護功能和顯示。

(6)防雷保護：

逆變器應有防雷保護。

(7)過溫保護等

另外，對無電壓穩(wěn)定措施的逆變器，逆變器還應有輸出過電壓防護措施，以使負載免受過電壓的損害。

8．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。

9.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(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。

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，這是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)技術經(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。

安裝注意事項及維護

1、在安裝前首先應該檢查逆變器是否在運輸過程中有無損壞。

2、在選擇安裝場地時，應該保證周圍內(nèi)沒有任何其他電力電子設備的干擾。

3、在進行電氣連接之前，務必采用不透光材料將光伏電池板覆蓋或斷開直流側(cè)斷路器。暴露于陽光，光伏陣列將會產(chǎn)生危險電壓。

4、所有安裝操作必須且僅由專業(yè)技術人員完成。

5、光伏系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中所使用線纜必須連接牢固，良好絕緣以及規(guī)格合適。

逆變器的使用與維護檢修

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，并及時通知逆變器生產(chǎn)廠家給予解決。

發(fā)展趨勢

對于太陽能逆變器來講，提高電源的轉(zhuǎn)換效率是一個永恒的課題，但是當系統(tǒng)的效率越來越高，幾乎接近100%時，進一步的效率改善會伴隨著性價比的低下，因此，如何保持一個很高的效率，又能維持很好的價格競爭力將是當前的重要課題。

與逆變器效率的改善努力相比，如何提高整個逆變系統(tǒng)的效率，正逐漸成為太陽能系統(tǒng)的另一個重要課題。在一個太陽能陣列中，當局部的2~3%面積的陰影出現(xiàn)時，對采用一個MPPT功能的逆變器來講，此時的系統(tǒng)輸出電力惡劣時甚至會出現(xiàn)20%左右的功率下降！為了更好地適應類似這樣的狀況針對單一或部分太陽能組件，采用一對一的MPPT或多個MPPT控制功能是十分有效的方法。

由于逆變系統(tǒng)處于并網(wǎng)運行的狀況，系統(tǒng)對地的漏電會造成嚴重的安全問題；此外，為了提高系統(tǒng)的效率，太陽能陣列大多會被串聯(lián)成很高的直流輸出電壓使用；為此，在電極間因異常狀況的發(fā)生，很容易產(chǎn)生出直流電弧，由于直流電壓高，非常不容易滅弧，極容易導致火災。隨著太陽能逆變系統(tǒng)的廣泛采用，系統(tǒng)安全性的問題也將是逆變技術的重要部分。

此外，電力系統(tǒng)正在迎來智能電網(wǎng)技術的快速發(fā)展和普及。大量的太陽能等新能源電力的系統(tǒng)并網(wǎng)，給智能電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了新的技術挑戰(zhàn)。設計出能夠更加快速、準確、智能化地兼容智能電網(wǎng)的逆變系統(tǒng)，將成為今后太陽能逆變系統(tǒng)的必要條件。

總的來說，逆變技術的發(fā)展是隨著電力電子技術、微電子技術和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展而發(fā)展。隨著時間的推移，逆變技術正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發(fā)展。

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