1、 直流-交流逆变器 逆变器是电力电子技术的一个重要应用方面。众所周知 整流器的功能是将 50Hz 的交流电整流成为直流电。而逆变器与整流器恰好相反 它的功能是将直流电转换为交流电。这种对应于整流的逆向过程 被称之为“逆变” 。太阳电池在阳光照射下产生直流电 然而以直流电形式供电的系统有很大的局限性。例如 荧光灯、电视机、电冰箱、电风扇等均不能直接用直流电源供电 绝大多数动力机械也是如此。此外 当供电系统需要升高电压或降低电压时 交流系统只需加一个变压器即可 而在直流系统中升降压技术与装置则要复杂得多。因此 除特殊用户外 在光伏发电系统中都需要配备逆变器。逆变器还具备有自动调压或手动调压功能 可
2、改善光伏发电系统的供电质量。另外 光伏发电最终将实现并网运行 这就必须采用交流系统。综上所述 逆变器已成为光伏发电系统中不可缺少的重要配套设备。 8.1 可再生能源供电系统对逆变器的技术要求 采用交流电力输出的可再生能源供电系统 由可再生能源供电发电设备、充放电控制器、蓄电池和逆变器四部分组成 并网发电系统一般可省去蓄电池 可再生能源供电系统对逆变器的技术要求如下 1) 要求具有较高的逆变效率。由于目前可再生能源发电的成本还较高 为了最大限度地利用可再生能源 提高系统效率 必须设法提高逆变器的效率。 2) 要求具有较高的可靠性。目前光可再生能源供电系统主要用于边远地区 许多电站无人值守和维护
3、这就要求逆变器具有合理的电路结构 严格的元器件筛选 并要求逆变器具备各种保护功能 如输入直流极性接反保护 交流输出短路保护 过热、过载保护等。 3) 要求直流输入电压有较宽的适应范围。由于可再生能源供电现有设备的输入电压变化范围较大 蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用 但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动 特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大如 12V 蓄电池 其端电压可在 10V 16V 之间变化 这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作 并保证交流输出电压的稳定。 4) 在中、大容量的可再生能源供电系统中 逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。这是由
4、于在中、大容量系统中 若采用方波供电 则输出将含有较多的谐波分量 高次谐波将产生附加损耗 许多可再生能源供电系统的负载为通信或仪表设备 这些设备对供电品质有较高的要求。 8.2 逆变器的分类和电路结构 有关逆变器分类的原则很多 例如 根据逆变器输出交流电压的相数 可分为单相逆变器和三相逆变器 根据逆变器使用的半导体器件类型不同 又可分为晶体管逆变器、晶闸管逆变器及可关断晶闸管逆变器等 根据逆变器线路原理的不同 还可分为自激振荡型逆变器、阶梯波叠加型逆变器和脉宽调治型逆变器等等。为了便于光伏电站选用逆变器 这里仅以逆变器输出交流电压波形的不同进行分类 并对不同输出波形逆变器的特点做一简要说明。
5、1 方波逆变器 方波逆变器输出的交流电压波形为方波 如图 2.5-25 a 所示。此类逆变器所使用的逆变线路也不完全相同 但共同的特点是线路比较简单 使用的功率开关管数量很少。设计功率一般在几十瓦至几百瓦之间。方波逆变器的优点是 价格便宜 维修简单。缺点是 由于方波电压中含有大量高次谐波 在以变压器为负载的用电器中将产生附加损耗 对收音机和某些通信设备也有干扰。此外 这类逆变器中有的调压范围不够宽 有的保护功能不够完善噪声也比较大。 2 阶梯波逆变器 此类逆变器输出的交流电压波形为阶梯波 如图 2.5-25 b 所示。逆变器实现阶梯波输出也有多种不同的线路 输出波形的阶梯数目也不一样。阶梯波逆
6、变器的优点是 输出波形比方波有明显的改善 高次谐波含量减少 当阶梯达到 17 个以上时 输出波形可实现准正弦波。当采用无变压器输出时 整机效率很高。缺点是 阶梯波叠加线路使用的功率开关管较多 其中有些线路形式还要求有多组直流电源输入。这给太阳电池方阵的分组与接线和蓄电池组的均衡充电均带来麻烦。此外。阶梯波电压对收音机和某些通信设备仍有一些高频干扰。 3 正弦波逆变器 这类逆变器输出的交流电压波形为正弦波 如图 2.5-25 b 所示。正弦波逆变器的优点是 输出波形好 失真度低 对通信设备无干扰 噪声也很低。此外 保护功能齐全 对电感性和电容型性负载适应性强。缺点是 线路相对复杂 对维修技术要求
7、高 价格较贵。早期的正弦波逆变器多采用分立电子元件或小规模集成电路组成模拟式波形产生电路 直接用模拟 50Hz 正弦波切割几 kHz几十 kHz 的三角波产生一个 SPWM 正弦脉宽调制的高频脉冲波形 经功率转换电路、升压变压器和 LC 正弦化滤波器得到 220V/50Hz 单相正弦交流电压输出。但是这种模拟式正弦波逆变器电路结构复杂、电子元件数量多、整机工作可靠性低。随着大规模集成微电子技术的发展 专用 SPWM 波形产生芯片 如 HEF4752、SA838 等 和智能CPU 芯片 如 MCS51、PIC16H INTEL80196 等 逐渐取代小规模分立元件电路 组成数字式 SPWM波形逆
8、变器 使正弦波逆变器的技术性能和工作可靠性得到很大提高 已成为当前中、大型正弦波逆变器的优选方案。 上述三种类型逆变器的分类特点 仅供可再生能源供电系统开发人员和用户在对逆变器进行识别和选型时提供参考。在实际上 波形相同的逆变器在线路原理、使用器件及控制方法等方面仍有很大区别。 4 几种功率转换电路的比较 逆变器的功率转换电路一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种其主电路分别如图 2.5-26、图 2.5-27 和图 2.5-28 所示。 图 2.5-26 所示的推挽电路 将升压变压器的中心抽头接于正电源 两只功率管交替工作输出得到交流电输出。由于功率晶体管共地连接 驱动及控制
9、电路简单 另外由于变压器具有一定的漏感 可限制短路电流 因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低带动感性负载的能力较差。 图 2.5-27 所示的全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点 功率开关管 T3、T6 和 T4、T5 反相T3 和 T4 相位互差 180 调节 T3 和 T4 的输出脉冲宽度 输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有能使 T5 和 T6 共同导通的功能 因而具有续流回路 即使对感性负载 输出电压波形也不会产生畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地 因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外 为防止上、下桥臂发生共态导通 在 T3、T6 及 T4、T6之
10、间必须设计先关断后导通电路 即必须设置死区时间 其电路结构较复杂。 图 2.5-28 为高频升压电路 由于推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器 而工频升压变压器体积大 效率低 价格也较贵 随着电力电子技术和微电子技术的发展 采用高频升压变换技术实现逆变 可实现高功率密度逆变。这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构 T1、T2 但工作频率均在 20kHz 以上 升压变压器 B1 采用高频磁芯材料 因而体积小、重量轻 高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电 又经高频整流滤波电路得到高压直流电 一般均在 300V 以上 再通过工频全桥逆变电路 T3、T4 、T5、T6 实现逆变。采用该电路结构
11、 使逆变电路功率密度大大提高 逆变器的空载损耗也相应降低 效率得到提高。该电路的缺点是电路复杂 可靠性比上述两种电路偏低。 8.3 逆变器的控制电路 上述几种逆变器的主电路均需要有控制电路来实现 一般有方波和正弦波两种控制方式。方波输出的逆变器电路简单 成本低 但效率低 谐波成份大。正弦波输出是逆变器的发展趋势 随着微电子技术的发展 具有 PWM 功能的微处理器也已问世 因此正弦波输出的逆变技术已经成熟。 1 方波输出的逆变器控制集成电路 方波输出的逆变器目前多采用脉宽调制集成电路 如 SG3525、TL494 等。实践证明 采用SG3525 集成电路 并采用功率场效应管作为开关功率器件 能实
12、现性能价格比较高的逆变器由于 SG3525 具有直接驱功率场效应管的能力 并具有内部基准源和运算放大器和欠电压保护功能 因此其外围电路很简单。 2 正弦波输出的逆变器控制集成电路 正弦波输出的逆变器 其控制电路可采用微处理器控制 如 INTEL 公司生产的 80C196MC、摩托罗拉公司生产的 MP16 以及 Microchp 公司生产的 pic16c73 等 这些单片机均具有多路PWM发生器 并设定上、下桥臂之间的死区时间。 8.4 逆变器功率器件的选择 逆变器的主功率器件的选择至关重要 目前使用较多的功率器件有达林顿功率晶体管 GTR 功率场效应管 MOSFET 绝缘栅晶体管 IGBT 和
13、可关断晶闸管 GTO 等。在小容量低压系统中使用较多的器件为 MOSFET 因为 MOSFET 具有较低的通态压降和较高的开关频率 在高压大容量系统中一般均采用 IGBT 模块 这是因为 MOSFET 随着电压的升高其通态电阻也随之增大 而 IGBT 在中容量系统中占有较大的优势 而在特大容量 100kVA 以上 系统中一般均采用 GTO 作为功率器件。 8.5 逆变器的主要技术性能指标 1 额定输出电压 在规定的输入直流电压允许的波动范围内 它表示逆变器应能输出的额定电压值。对输出额定电压值的稳定精度有如下规定 在稳态运行时 电压波动范围应有一个限定 例如 其偏差不超过额定值的3%或5%。
14、在负载突变 额定负载的 0 -50 -100 或有其它干扰因素影响动态情况下 其输出电压偏差不应超过额定值的8 或10 。 2 逆变器应具有足够的额定输出容量和过载能力 逆变器的选用 首先要考虑具有足够的额定容量 以满足最大负荷下设备对电功率的需求。额定输出容量表征逆变器向负载供电的能力。额定输出容量值高的逆变器可带更多的用电负载。但当逆变器的负载不是纯阻性时 也就是输出功率小于 1 时 逆变器的负载能力将小于所给出的额定输出容量值。 对以单一设备为负载的逆变器 其额定容量的取选较为简单 当用电设备为纯阻性负载或功率因数大于 0.9 时 选取逆变器的额定容量为用电设备容量的 1.1-1.15
15、倍即可。在逆变器以多个设备为负载时 逆变器容量的选取要考虑几个用电设备同时工作的可能性 专业术语称为“负载同时系数” 。 3 输出电压稳定度 在独立光伏发电系统中均以蓄电池为储能设备。当标称电压为 12V 的蓄电池处于浮充电状态时 端电压可达 13.5V 短时间过充状态可达 15V。蓄电池带负荷放电终了时端电压可降至10.5V 或更低。蓄电池端电压起伏可达标称电压的 30%左右。这就要求逆变器具有较好的调压性能 才能保证光伏发电系统以稳定的交流电压供电。 输出电压稳定度表征逆变器输出电压的稳压能力。多数逆变器产品给出的是输入直流电压在允许波动范围内该逆变器输出电压的偏差百分数 通常称为电压调整
16、率。高性能的逆变器应同时给出当负载由 0%100% 变化时 该逆变器输出电压的偏差百分数 通常称为负载调整率。性能良好的逆变器的电压调整率应3% 负载调整率应6%。 4 输出电压的波形失真度 当逆变器输出电压为正弦波时 应规定允许的最大波形失真度 或谐波含量 。通常以输出电压的总波形失真度表示 其值不应超过 5% 单项输出指标允许 10% 。 5 额定输出频率 逆变器输出交流电压的频率应是一个相对稳定的值 通常为工频 50Hz。正常工作条件下其偏差应在1 以内。 6 负载功率因数 “负载功率因数”表征逆变器带感性负载或容性负载的能力。在正弦波条件下 负载功率因数为 0.7 0.9(滞后) 额定
17、值为 0.9。 7 额定输出电流 或额定输出容量 该指标表示在规定的负载功率因数范围内 逆变器的额定输出电流。有些逆变器产品给出的是额定输出容量 其单位以 VA 或 kVA 表示。逆变器的额定容量是当输出功率因数为1 即纯阻性负载 时 额定输出电压与额定输出电流的乘积。 8 额定逆变输出效率 整机逆变效率高是光伏发电用逆变器区别于通用型逆变器的一个显著特点。10 千瓦级的通用型逆变器实际效率只有 70 80 将其用于光伏发电系统时将带来总发电量 2030 的电能损耗。光伏发电系统专用逆变器 在设计中应特别注意减少自身功率损耗 提高整机效率。这是提高光伏发电系统技术经济指标的一项重要措施。在整机
18、效率方面对光伏发电专用逆变器的要求是 千瓦级以下逆变器额定负荷效率80 85 低负荷效率65 75 10 千瓦级逆变器额定负荷效率85 90 低负荷效率70 80 。 逆变器的效率值表征自身功率损耗的大小 通常以百分数表示。容量较大的逆变器还应给出满负荷效率值和低负荷效率值。千瓦级以下的逆变器效率应为 80% 85% 10 千瓦级的逆变器效率应为 85% 90%。逆变器效率的高低对光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有着重要影响。 9 保护功能 光伏发电系统正常运行过程中 因负载故障、人员误操作及外界干扰等原因而引起的供电系统过流或短路 是完全可能的。逆变器对外电路的过电流及短路现象最为敏
19、感 是光伏发电系统中的薄弱环节。因此 在选用逆变器时 必须要求具有良好的对过电流及短路的自我保护功能。这是目前提高光伏发电系统可靠性的关键所在。 过电压保护 对于没有电压稳定措施的逆变器 应有输出过电压的防护措施 以使负载免受输出过电压的损害。 过电流保护 逆变器的过电流保护 应能保证在负载发生短路或电流超过允许值时及时动作 使其免受浪涌电流的损伤。 10 起动特性 它表征逆变器带负载起动的能力和动态工作时的性能。逆变器应保证在额定负载下可靠起动。高性能的逆变器可做到连续多次满负荷起动而不损坏功率器件。小型逆变器为了自身安全 有时采用软起动或限流起动。 11 噪声 电力电子设备中的变压器、滤波电感、电磁开关及风扇等部件均会产生噪声。逆变器正常运行时 其噪声应不超过 65dB。
