用逆变器的基本知识介绍及其在光伏发电系统的应用

逆变器的概念
     
      通常，把将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。
     
      现代逆变技术是研究逆变电路理论和应用的一门科学技术。它是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制（ＰＷＭ）技术等学科基础之上的一门实用技术。它主要包括半导体功率集成器件及其应用、逆变电路和逆变控制技术３大部分。
     
      逆变器的分类
     
      逆变器的种类很多，可按照不同的方法进行分类。
     
      １．按逆变器输出交流电能的频率分，可分为工频逆变器、中频逆器和高频逆变器。工频逆变器的频率为５０～６０Ｈｚ的逆变器；中频逆变器的频率一般为４００Ｈｚ到十几ｋＨｚ；高频逆变器的频率一般为十几ｋＨｚ到ＭＨｚ。
     
      ２．按逆变器输出的相数分，可分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。
     
      ３．按照逆变器输出电能的去向分，可分为有源逆变器和无源逆变器。凡将逆变器输出的电能向工业电网输送的逆变器，称为有源逆变器；凡将逆变器输出的电能输向某种用电负载的逆变器称为无源逆变器。
     
      ４．按逆变器主电路的形式分，可分为单端式逆变器，推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器。
     
      ５．按逆变器主开关器件的类型分，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应逆变器和绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）逆变器等。又可将其归纳为“半控型”逆变器和“全控制”逆变器两大类。前者，不具备自关断能力，元器件在导通后即失去控制作用，故称之为“半控型”普通晶闸管即属于这一类；后者，则具有自关断能力，即无器件的导通和关断均可由控制极加以控制，故称之为“全控型”，电力场效应晶体管和绝缘栅双权晶体管（ＩＧＢＴ）等均属于这一类。
     
      ６．按直流电源分，可分为电压源型逆变器（ＶＳＩ）和电流源型逆变器（ＣＳＩ）。前者，直流电压近于恒定，输出电压为交变方波；后者，直流电流近于恒定，输也电流为交变方波。
     
      ７．按逆变器输出电压或电流的波形分，可分为正弦波输出逆变器和非正弦波输出逆变器。
     
      ８．按逆变器控制方式分，可分为调频式（ＰＦＭ）逆变器和调脉宽式（ＰＷＭ）逆变器。
     
      ９．按逆变器开关电路工作方式分，可分为谐振式逆变器，定频硬开关式逆变器和定频软开关式逆变器。
     
      １０．按逆变器换流方式分，可分为负载换流式逆变器和自换流式逆变器。
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      逆变器的基本结构
     
      逆变器的直接功能是将直流电能变换成为交流电能，其示意图如图１所示。
     
     
     
     
     
      逆变装置的核心，是逆变开关电路，简称为逆变电路。该电路通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能。电力电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可能通过改变一个电压信号来调节。产生和调节脉冲的电路。通常称为控制电路或控制回路。逆变装置的基本结构，除上述的逆变电路和控制电路外，还有保护电路、输出电路、输入电路、输出电路等，如图２所示。
     
     
     
     
     
      逆变器的工作原理
     
      １．全控型逆变器工作原理：图３所示，为通常使用的单相输出的全桥逆变主电路，图中，交流元件采用ＩＧＢＴ管Ｑ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４。并由ＰＷＭ脉宽调制控制ＩＧＢＴ管的导通或截止。
      当逆变器电路接上直流电源后，先由Ｑ１１、Ｑ１４导通，Ｑ１、Ｑ１３截止，则电流由直流电源正极输出，经Ｑ１１、Ｌ或感、变压器初级线圈图１－２，到Ｑ１４回到电源负极。当Ｑ１１、Ｑ１４截止后，Ｑ１２、Ｑ１３导通，电流从电源正极经Ｑ１３、变压器初级线圈２－１电感到Ｑ１２回到电源负极。此时，在变压器初级线圈上，已形成正负交变方波，利用高频ＰＷＭ控制，两对ＩＧＢＴ管交替重复，在变压器上产生交流电压。由于ＬＣ交流滤波器作用，使输出端形成正弦波交流电压。
      当Ｑ１１、Ｑ１４关断时，为了释放储存能量，在ＩＧＢＴ处并联二级管Ｄ１１、Ｄ１２，使能量返回到直流电源中去。
     
     
     
     
     
     
      ２．半控型逆变器工作原理：半控型逆变器采用晶闸管元件。改进型并联逆变器的主电路如图４所示。图中，Ｔｈ１、Ｔｈ２为交替工作的晶闸管，设Ｔｈ１先触发导通，则电流通过变压器流经Ｔｈ１，同时由于变压器的感应作用，换向电容器Ｃ被充电到大的２倍的电源电压。按着Ｔｈ２被触发导通，因Ｔｈ２的阳极加反向偏压，Ｔｈ１截止，返回阻断状态。这样，Ｔｈ１与Ｔｈ２换流，然后电容器Ｃ又反极性充电。如此交替触发晶闸管，电流交替流向变压器的初级，在变压器的次级得到交流电。
      在电路中，电感Ｌ可以限制换向电容Ｃ的放电电流，延长放电时间，保证电路关断时间大于晶闸管的关断时间，而不需容量很大的电容器。Ｄ１和Ｄ２是２只反馈二极管，可将电感Ｌ中的能量释放，将换向剩余的能量送回电源，完成能量的反馈作用。
     
     
      逆变器的主要技术性能及评价选用
     
      技术性能
     
      表征逆变器性能的基本参数与技术条件内容很多，下面仅就评价时常用的参数做一简要说明。
     
      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准确度一般有如下规定：
      （１）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％。
      （２）在负载突变（额定负载０％→５０％→１００％）或有其他干扰因素影响的动态情况下，其输出电压偏差不应超过额定值的±８％或±１０％。
     
      ２．输出电压的不平衡度
     
      在正常工作条件下，逆变器输出的三相电压不平衡度（逆序分量对正序分量之比）应不超过一个规定值，一般以％表示，如５％或８％。
     
      ３．输出电压的波形失真度
     
      当逆变器输出电压为正弦度时，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％（单相输出允许１０％）。
４．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。
     
      ５．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），额定值为０．９。
     
      ６．额定输出电流（或额定输出容量）
     
      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，额定输出电压为额定输出电流的乘积。
     
      ７．额定输出效率
     
      逆变器的效率是在规定的工作条件下，其输出功率对输入功率之比，以％表示。逆变器在额定输出容量下的效率为满负荷效率，在１０％额定输出容量的效率为低负荷效率。
     
      ８．保护
     
      （１）过电压保护：对于没电压稳定措施的逆变器，应有输出过电压防护措施，以使负截免受输出过电压的损害。
      （２）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。
     
      ９．起动特性
     
      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。
     
      １０．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８０ｄＢ，小型逆变器的噪声应不超过６５ｄＢ。
     
      逆变器的主要技术性能及评价选用
     
      评价
      为正确选用光伏发电系统用的逆变器，应对逆变器的技术性能进行评价。根据逆变器对离网型主要光伏发电系统运行特性的影响和光伏发电系统对逆变器性能的要求，评价内容有如下几项：
      １．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。
      ２．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％，通常称为电压调整率。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％，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％。
      ３．整机效率
      表征逆变器自身功率损耗的大小，通常以％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。ｋＷ级以下逆变器的效率应为８０％～８５％，１０ｋＷ级逆变器的效率应为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重要影响。
      ４．保护功能
      过电压、过电流及短路保护是保证逆变器安全运行的最基本措施。功能完美的正弦波逆变器还具有欠电压保护、缺相保护及温度越限报警等功能。
      ５．起动性能
      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。
      对于大功率光伏发电系统和联网型光伏发电系统逆变器的波形失真度和噪声水平等技术性能也十分重要。
     
      在选用离网型光伏发电系统用的逆变器时，除依据上述５项基本评价内容外，还应注意以下几点：
     
      （１）应具有足够的额定输出容量和负载能力。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要求。对于以单一设备为负载的逆变器，其额定容量的选取较为简单，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电设备容量的１．１～１．１５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，即“负载同时系数”。
      （２）应具有较高的电压稳定性能。在离网型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，短时间过充电状态可达１５Ｖ。蓄电池带负荷放电终了时端电压可降至１０．５Ｖ或更低。蓄电池端电压的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。
      （３）在各种负载下具有高效率或较高效率。整机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。１０ｋＷ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２０％～３０％的电能损耗。因此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。因此这是提高光伏发电系统技术经济指标的一项重要措施。在整机效率方面对光伏发电专用逆变器的要求是：ｋＷ级以下逆变器额定负荷效率 ≥８０％～８５％，低负荷效率≥６５％～７５％；１０ｋＷ级逆变器额定负荷效率≥８５％～９０％，低负荷效率≥７０％～８０％。
      （４）应具有良好的过电流保护与短路保护功能。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电流或短路，是完全可能的。逆变器对外电路的过电电流及短路现象最为敏感，是光伏发电系统中的薄弱环节。因此，在选用逆变器时，必须要求具备有良好的对过电流及短路的自我保护功能。
      （５）维护方便。高质量的逆变器在运行若干年后，因元器件失效而出现故障，应属于正常现象。除生产厂家需有良好的售后服务系统外，还要求生产厂家在逆变器生产工艺、结构及元器件选型方面具有良好的可维护性。例如，损坏元器件有充足的备件或容易买到，元器件的互换性好；在工艺结构上，元器件容易拆装，更换方便。这样，即使逆变器出现故障，也可迅速恢复正常。
     
      光伏发电系统逆变器的操作使用与维护检修
     
      操作使用
     
      １．严格按照逆变器使用维护说明书的要求进行设备的连接和安装。在安装时，应认真检查：线径是否符合要求；各部件及端子在运输中有否松动；应绝缘处是否绝缘良好；系统的接地是否符合规定。
      ２．应严格按照逆变器使用维护说明书的规定操作使用。尤其是：在开机前要注意输入电压是否正常；在操作时要注意开关机的顺序是否正确，各表头和指示灯的指示是否正常。
      ３．逆变器一般均有断路、过电流、过电压、过热等项目的自动保护，因此在发生这些现象时，无需人工停机；自动保护的保护点，一般在出厂时已设定好，无需再行调整。
      ４．逆变器机柜内有高压，操作人员一般不得打开柜门，柜门平时应锁死。
      ５．在室温超过３０℃时，应采取散热降温措施，以防止设备发生故障，延长设备使用寿命。
     
      维护检修
     
      １．应定期检查逆变器各部分的接线是否牢固，有无松动现象，尤其应认真检查风扇、功率模块、输入端子、输出端子以及接地等。
      ２．一旦报警停机，不准马上开机，应查明原因并修复后再行开机，检查应严格按逆变器维护手册的规定步骤进行。
      ３．操作人员必须经过专门培训，能够判断一般故障的产生原因，并能进行排除，例如能熟练地更换保险丝、组件以及损坏的电路板等。未经培训的人员，不得上岗操作使用设备。
      ４．如发生不易排除的事故或事故的原因不清，应做好事故详细记录，并及时通知生产工厂给予解决。