技術(shù)干貨 | 光伏逆變器全方位概述

2017-10-25 10:49:31 solarzoom 　點(diǎn)擊量：評論 (0)

逆變器也稱逆變電源，是將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的變流裝置。光伏逆變器就是應(yīng)用在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器，是光伏系統(tǒng)中的一個重要部件。逆變器效率的高低影響著光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的高低，因此，

逆變器也稱逆變電源，是將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的變流裝置。光伏逆變器就是應(yīng)用在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器，是光伏系統(tǒng)中的一個重要部件。逆變器效率的高低影響著光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的高低，因此，逆變器的選擇非常重要。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏逆變器也將向著體積更小、效率更高、性能指標(biāo)更優(yōu)越的方向發(fā)展。

　　工作原理：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(dǎo)通與關(guān)斷，來完成逆變的功能。

特點(diǎn)：

　　（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(shè)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(yuǎn)地區(qū)，許多電站無人值守和維護(hù)，這就要求逆變器有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護(hù)功能，如：輸入直流極性接反保護(hù)、交流輸出短路保護(hù)、過熱、過載保護(hù)等。

　　（3）要求輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍。

　　由于太陽能電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度變化而變化。特別是當(dāng)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。

　　有關(guān)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(dǎo)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(guān)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(yīng)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(jìn)行分類。

　　集中逆變器

　　集中逆變技術(shù)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(yīng)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(diǎn)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(dǎo)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(yùn)用空間矢量的調(diào)制控制以及開發(fā)新的逆變器的拓?fù)溥B接，以獲得部分負(fù)載情況下的高效率。

　　組串逆變器

　　組串逆變器是基于模塊化概念基礎(chǔ)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(diǎn)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(diǎn)與逆變器不匹配的情況，從而增加了發(fā)電量。技術(shù)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(tuán)隊"來代替"主-從"的概念，使得系統(tǒng)的可靠性又進(jìn)了一步。目前，無變壓器式組串逆變器已占了主導(dǎo)地位。

　　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(dāng)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(shí)際應(yīng)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(dāng)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(yùn)行，使得系統(tǒng)總體效率更高，發(fā)電量更大。在實(shí)際應(yīng)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(dāng)之小。

　　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(shí)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(shí)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(wù)是替代逆變器原本的最佳功率點(diǎn)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(yīng)一個功率優(yōu)化器等方式，以類比式進(jìn)行極為快速的最佳功率點(diǎn)追蹤掃描，進(jìn)而讓每一個太陽能電池皆可確實(shí)達(dá)到最佳功率點(diǎn)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(guān)人員盡速維修。

　　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(hù)功能。歸納起來有自動運(yùn)行和停機(jī)功能、最大功率跟蹤控制功能、防單獨(dú)運(yùn)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(yùn)行和停機(jī)功能及最大功率跟蹤控制功能。

　　逆變器在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　（1）自動運(yùn)行和停機(jī)功能

　　早晨日出后，太陽輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，太陽電池的輸出也隨之增大，當(dāng)達(dá)到逆變器工作所需的輸出功率后，逆變器即自動開始運(yùn)行。進(jìn)入運(yùn)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(yùn)行；直到日落停機(jī)，即使陰雨天逆變器也能運(yùn)行。當(dāng)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(jī)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(qiáng)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(diǎn)。太陽輻射強(qiáng)度是變化著的，顯然最佳工作點(diǎn)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(diǎn)處于最大功率點(diǎn)，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(diǎn)就是包括了最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）這一功能。

　　1.輸出電壓的穩(wěn)定度

　　2.輸出電壓的波形失真度

　　3.額定輸出頻率

　　4.負(fù)載功率因數(shù)

　　5.逆變器效率

　　6、額定輸出電流（或額定輸出容量）

　　7、保護(hù)措施

　　8.起動特性

　　9.噪聲

　　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(fù)荷下設(shè)備對電功率的要求。對于以單一設(shè)備為負(fù)載的逆變器，其額定容量的選取較為簡單。

　　當(dāng)用電設(shè)備為純阻性負(fù)載或功率因數(shù)大于0.9時，選取逆變器的額定容量為用電設(shè)備容量的1.1～1.15倍即可。同時逆變器還應(yīng)具有抗容性和感性負(fù)載沖擊的能力。

　　對一般電感性負(fù)載，如電機(jī)、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、大功率水泵等，在起動時，其瞬時功率可能是其額定功率的5～6倍，此時，逆變器將承受很大的瞬時浪涌。針對此類系統(tǒng)，逆變器的額定容量應(yīng)留有充分的余量，以保證負(fù)載能可靠起動，高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿負(fù)荷起動而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全，有時需采用軟起動或限流起動的方式。

　　另外，逆變器還要有一定的過載能力，當(dāng)輸入電壓與輸出功率為額定值，環(huán)境溫度為25℃時，逆變器連續(xù)可靠工作時間應(yīng)不低于4h；當(dāng)輸入電壓為額定值，輸出功率為額定值的125%時，逆變器安全工作時間應(yīng)不低于1min；當(dāng)輸入電壓為額定值，輸出功率為額定值的150%時，逆變器安全工作時間應(yīng)不低于10s。

　　應(yīng)用舉例：

　　光伏系統(tǒng)中主要負(fù)載是150W的電冰箱，正常工作時選擇額定容量為180W的交流逆變器即能可靠工作，但是由于電冰箱是感性負(fù)載，在起動瞬間其功率消耗可達(dá)額定功率的5～6倍之多，因此逆變器的輸出功率在負(fù)載起動時可達(dá)到800W，考慮到逆變器的過載能力，選用500W逆變器即能可靠工作。

　　當(dāng)系統(tǒng)中存在多個負(fù)載時，逆變器容量的選取還應(yīng)考慮幾個用電負(fù)載同時工作的可能性，即"負(fù)載同時系數(shù)"。

　　逆變器安裝維修的注意事項：

　　1、在安裝前首先應(yīng)該檢查逆變器是否在運(yùn)輸過程中有無損壞。

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

　　3、在進(jìn)行電氣連接之前，務(wù)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(shù)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。

　　6、所有的電氣安裝必須滿足當(dāng)?shù)匾约皣译姎鈽?biāo)準(zhǔn)。

　　7、僅當(dāng)?shù)玫疆?dāng)?shù)仉娏Σ块T許可后并由專業(yè)技術(shù)人員完成所有電氣連接后才可將逆變器并網(wǎng)。

　　8、在進(jìn)行任何維修工作前，應(yīng)首先斷開逆變器與電網(wǎng)的電氣連接，然后斷開直流側(cè)電氣連接。

　　9、等待至少5分鐘直到內(nèi)部元件放電完畢方可進(jìn)行維修工作。

　　10、任何影響逆變器安全性能的故障必須立即排除方可再次開啟逆變器。

　　11、避免不必要的電路板接觸。

　　12、遵守靜電防護(hù)規(guī)范，佩戴防靜電手環(huán)。

　　13、注意并遵守產(chǎn)品上的警告標(biāo)識。

　　14、操作前初步目視檢查設(shè)備有無損壞或其它危險狀態(tài)。

　　15、注意逆變器熱表面。例如功率半導(dǎo)體的散熱器等，在逆變器斷電后一段時間內(nèi)，仍保持較高溫度。

　　光伏逆變器的安裝流程：

　　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(dāng)系統(tǒng)的效率越來越高，幾乎接近100%時，進(jìn)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(dāng)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(dāng)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?xí)霈F(xiàn)20%左右的功率下降！為了更好地適應(yīng)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(yùn)行的狀況，系統(tǒng)對地的漏電會造成嚴(yán)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(dǎo)致火災(zāi)。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(shù)的重要部分。

　　此外，電力系統(tǒng)正在迎來智能電網(wǎng)技術(shù)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(shù)挑戰(zhàn)。設(shè)計出能夠更加快速、準(zhǔn)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(shù)的發(fā)展是隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)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(shù)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。

責(zé)任編輯：lixin

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