逆变器——优化光伏发电的装置

■T 技术与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 echnology and Enginee~ ilqg Csses 逆变器 优化光伏发电的装置 文 I中国人民解放军 76410部队 刘 向阳 【摘 要 】发展逆变器技术是太 阳能应用提出的要求，本文介绍 了太阳能逆变器的原理及架构 ，着 重介绍了 IGBT和 MOSFET技术，实现智能控制是发展太阳能逆变器技术的关键。 【关键词 】逆变器 光伏发电 智能控制 1太阳能对逆变器的要求 通过太阳能光伏技术将太 阳辐射转换成 电能是现在市面上最有效也是最具发展潜力 的可再生能源技术。现在 ，普通太 阳能光伏 系统都是 由许 多紧密相连的太阳能 电池板组 成 ，这些电池板先分组 串联 ，再将不同的串 联电池组并联起来形成电池阵列。 目前我国光伏发电系统主要是直流系统 ， 即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而 蓄电池直接给负载供 电，如我国西北地区使 用较 多的太 阳能户用照 明系统 以及远离电网 的微波站供 电系统均 为直流系统。此类系统 结构简单，成本低廉 ，但 由于负载直流电压 的不 同 (如 1 2V、24V、48V等 )，很难实现 系统 的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化和兼容性 ，特 别是民用电力 ， 由于大多为交流负载 ，以直流 电力供电的光 伏电源很难作为商品进入市场。光伏发 电最 终将实现并网运行 ，这就必须采用成熟的市 场模式 ，今后交流光伏发电系统必将成为光 伏发电的主流。 太 阳能逆 变器是一种功率电子电路 。能 把 太 阳 能 电池板 的直 流 电压 转 换 为交 流 电压 来驱动家用电器 、照明及电机工具等交流负 载 ，是整个太 阳能发电系统的关键组件。逆 变器有两个基本功能 ：一方面是为完成 OC／ AC转换的电流连接到电网，另一方面是找出 最佳的操作点以优化太阳能光伏 系统的效率。 对于特定 的太 阳光辐射 、温度及 电池 类型， 94 智能建筑与城市信息 2010年 第2期 总第159期 太阳能光伏系统都相应有唯一 的最佳电压及 电流 ，从而使光伏系统产生最大的能量。因此 ， 在太 阳能应用中对逆 变器必须满足以下基本 要求 ： (1)要求具有较高 的效率。由于 目前太 阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太 阳电池，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。 目前光伏 发电系统主要用于边远地 区，许 多电站无人 值守和维护 ，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，由于太阳电池 的端电压随负载和 日照强 度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具 有重要作 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 的光 伏发 电系统 中， 逆 变电源 的输出应 为失真度较小的正弦波。 这是 由于在 中、大容量系统 中，若采用方波 供 电，则输出； 含有较多的谐波分量 ，高次 谐波； 产生附加损耗 ，许 多光伏发电系统 的 负载 为通信或仪表设 备，这些设备对电网品 质有较高的要求 ，当中、大容量 的光伏发 电 系统并网运行时，为避免与公共电网的电力 污染 ，也要求逆变器输 出正弦波 电流。 2太阳能逆变器的原理及架构 通常把 交流 电能变换成直 流电能的过程 称 之为整流 ，相控 整流是最常见的交一一 直 流 变换 过程 ；而 把直 流 电能 变换 成交 流 电 能 的过 程 称 之 为 逆 变 ，它 是 整 流 的逆 过 程 。 在逆变 电路 中，照 负载性质的不 同，逆 变分 为有源 逆 变和 无源 逆 变。如 果把 该 电路 的 交流 侧接 到 交流 电源 上 ，把直 流 电能经 过 直一一 交流变换 ，逆变成 与交流电源 同频率 的交流 电返 送到 电网上去 ，称作 有源逆 变， 相应 的 装置 称 为有源 逆 变器 ，控制 角大 于 90。的相 控整流器为常见 的有源逆 变器。而 把直 流 电能 变换 为交 流 电能 ，直 接 向非 电 源 负载供 电的电路 ，称 之为无源逆 变电路 ， 又称 为变频器。 逆变器类型有他励逆变器 、自励逆变器 、 脉宽调制 (PWM )型逆 变器。其 中他励逆 变 器 需 要 外 部 交 流 电压 源 ，给 晶 闸管提 供 整 流 电压。他励逆变器主要应用在大功率并 网情 况下 ；对于功率低于 1 Mw 的光伏发电系统 ， 主要采用 自励逆 变器方式。 自励逆 变器不需 要 外 部 交 流 电压 源 ，整 流 电 压 由逆 变器 的～ 部分储能元件 (比如电容 )来提供或通过增 加待 关断整流阀 (像 MOSFET或 IGBT)的 电阻值来 实现。输出电压被脉冲调制的 自励 逆变器被称 为脉冲逆变器。这种逆变器通过 增加 周期 内脉冲 的切换 次数 ，来降低 电压、 电流的谐波含量 ；谐波含量 与脉冲切换次数 呈正比。 目前 ，并网逆 变器 的输 出控制模式 主 要有两种 ：电压型控制模式和 电流型控制 模 式。电压型控制模式 的原理是 以输出电压 作 为受控量 ，系统输 出和电网电压 同频 同相 的电压信 号，整个系统相 当于一个 内阻很小 的受控电压源 ；电流型控制模式 的原理 则是 以输出电感 电流作为受控 目标 ，系统输 出和 电网电压 同频 同相的电流信 号，整个系统相 当于一个内阻较大的受控电流源。 目前 ，太 阳能逆 变器已有多种拓扑结构 ， 最常见的是用于单相的半桥 、全桥和 Heric逆 变器 ，以及用于三相的六脉冲桥和 中点钳位 (NPC)逆变器。太阳能逆变器的典型架构一 般采用四个开关的全桥拓扑 ，如图 1所示。 C输出 C输出 在 图 1中，Q1和 Q3被 指 定 为高 压侧 IGBT，Q2和 Q4则是低压侧 JGBT。该逆变 器用于在 其 目标市 场的频率和 电压条件下 ， 产生单相位正弦 电压波形。有些逆变器用于 连接净计量效益 电网的住宅安装，这就是其 中一个 目标 应 用 市 场 ，此 项 应 用 要 求 逆 变器 提供低谐波交流正弦电压 ，让电力可注入 电 网 中。 实 质上，为保持谐波分量低和功率损耗 最小 ，逆 变器的高压端 lGBT采用脉宽调制 ， 低 压 端 lGBT则 以 60Hz频 率 变 换 电 流 方 向 。 通过让高压端 JGBT使用 20kHz或 20kHz以 上 的 PWM 频 率 和 50／60Hz调 制 方 案 ，输 出 电感 L1和 L2在 实例 中可 以做 得 很 小，并 且照样能对谐波分量进行高效滤波。与快速 和标 准速 度 的平 面器 件 相 比，开 关速 度 为 ntelligent Building＆City Information 201 0 2 No 1 59 95 _T 技术与工程 echnology and Engineering eases 20kHz的超快速 沟道型 IGBT可 以提供最低 的总导通损耗和开关功率损耗。同样 ，对于 低压端开关电路，工作在 60Hz的标准速度 lGBT可以提供最低的功率损耗。 这个 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中的开关技术具有如下优势 ： 通过允许 高压端和低压端 IGBT独立优化实 现 很 高的效 率 ；高压 端、同封 装 的软恢 复 二极管 没有续 流 时间，从 而 消除 了不必 要 的开关损耗 ；低压端 IGBT的开 关频率 只有 60Hz，因此导通损耗是这些 IGBT的主要因 素 ；没有交叉导通 ，因为任何时间点 的开关 都 发生 在对 角的 两个器 件上 (Q1和 Q4或 Q2和 Q3)；不存在总线直通的可能性 ，因为 桥的 同一边上的 IGBT永远不可能 以互补方 式开关；跨接低压端 IGBT的同封装、超快速、 软恢复二极管经过优化可 以使续流和反向恢 复期间的损耗达到最小。 3 IGBT抑或 MOSFET 在太阳能转换过程 中，有各种先进 的功 率器件可 以使用，比如 MoSFET、双极结 晶 体管和 IGBT。为取得最佳的转换效率和性能 ， 为太阳能逆变器选择正确的功率晶体管极具 挑战性 ，而且非常耗时。 多年来的研究表明，IGBT可以比其他功 率器件提供更多的优势 ，其 中包括更强的电 流处理 能力、用电压 方便 地实现栅极控制 ， 以及在封装 内集成超快速恢复二极管实现更 快的关断时间。JGBT是一种少数载流子器件 ， 它的关断时间取决于少数载流子重新组合 的 速度，因此，随着最近工艺技术和器件结构 的改进 ，它的开关特性已得到显著增强。 IGBT基本上是具备金属门氧化物门结构 的双极型 晶体 管。这种设计让 IGBT的栅极 可 以像 MOSFET一样 ，以电压代替电流来控 制开关。作为一种 BJT，IGBT的电流处理能 力比 MOSFET更 高。 同时，IGBT亦如 BJT ～ 样是一种 少数载体 元件。这意 味着 IGBT 96 智能建筑与城市信息 201O年 第2期 总第159期 关闭的速度是由少数载体复合的速度快慢来 决定。此外 ，IGBT的关闭时间与它的集极—— 射极饱 和电压 (Vce(on))成反比，如图 2 所 示 。 以图 2为例，若 IGBT拥 有相 同的体积 和技术，一个超速 IGBT比一个标准速度的 lGBT拥 有 更 高 的 Vce(on o 然 而 ，超 速 IGBT的关闭速度却比标准 IGBT快得多。图 2反映的这种 关系，是通 过控制 lGBT的少 数载体复合率的使用周期 以影响关闭时间来 实现。 一 般 说 ， 因 lGBT的 电 流 更 大 【是 MOSFET的两倍 多 )，所 以采 用 IGBT方 案 的成本 比采用 MOSFET的成本低。除成本方 面的考 虑外，器 件性能可由功率损耗表度 ， 而功率损耗可分为 ：导通和开关两类。作 为 以少数载 流子为基础 的器件 。在大电流下， lGBT具有更低的导通电压，也就意味着更低 的导通损耗。但 M0SFET的开关速度更快 。 所 以开关损耗 比 JGBT低。因此对于要求更 低开 关频率 且更 大 电流的应 用来说 ，选择 IGBT更为适合而且具备更低成本优势。另～ 方面，MOSFET有能力满足高频 、小电流应用 ， 特别是那些开关频率在 100kHz以上 的能量 逆变器模块的需要。虽然从器件成本角度看， MOSFET比 IGBT贵，但其 处理 更高开关频 率的能力将简化输出滤波器的磁设计并将显 著缩小输出电感体积。 基于上述原因 ，更多的制造商 因此倾 向 于 在 中高 水 平 的能 量逆 变器 中采 用 lGBT。 而 据 Mic rosemi公 司 介 绍 ，该 公 司 生 产 的 MoS8 IGBT在静态和 动态 测试 (最小化 的 总体功率损耗 )方面 的优化性能可 出色胜任 这些应用的要求。另～方面 ，即便 MOSFET 的成 本是 个 主 要考 量 ，但 为 实行一 个 更优 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，也应 重新审视采用 M0SFET的潜力 ， 诸 如 Mic rosemi的 M0S7／M0S8 M0SFET 所 具备 的领先特性就非常适合太阳能逆 变器 的设 计 。 4太阳能逆变器的智能控制 设计太 阳能逆 变器 时要考虑 两个关键 因 素 即效 率和 谐 波失 真。效 率可 分 成 两个 部 分 ：太阳能 的效率和逆变器 的效率。逆 变器 的效率在很大程度上取决于设计使用的外部 元件 ，而不是控制器 ；而太 阳能的效率 与控 制器如何控制太 阳能 电池板阵列有关。每个 太阳能电池板 阵列的最大工作功率 在很 大程 度 上取决 于阵列 的温度 和光 照。MCU必须 控制太阳能电池板阵列 的输 出负载 ，以使阵 列 的工作功率最大。由于这不是一个数学密 集型算 法 ，因此可使用低成本 MCU来完成 任 务 。 目前 ，大多数太 阳能逆 变器 只能从太 阳 能 电池板 的某个最佳位置对 电池板的整体 效 率进行优化 。这种优化方法严重制约了太阳 能发电系统的效率。如果光伏系统在非最佳 电压及电流水平 下运行 ，系统的效率 就非常 低 ，白 白浪 费 采 集 太 阳能 的 良机 。 在 光伏 系 统中，太阳能 电池板 是由多个 串联组 并联后 形成 的。就像节 日灯饰一样 ，假如 串联 中的 某个 电池发生故障 ，就会导致 整个 电池组 失 效。此外 ，当有局部 阴影或碎砾等遮蔽光伏 系统时，这种情况也会发生。 为了解 决上述 问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，目前太阳能电池板 都集成 了旁路二极管 ，从而使 电流可 以绕过 被遮 蔽的失效 电池板部分 。启动 二极 管后 ， 它们可； 电流重新路 由，即改道绕过 失效 电 池 串上 。这样一来 ，不仅浪费 了受遮 蔽电池 板 的供 电潜能 ，而且会降低整个电池组 的总 电压 。基于选取 电池板最佳操 作点 的原 则 ， 逆 变器 必须 决定 是应 该优 化 受影 响 电池 串 的电压 ，还是 应该 优 化其 他没 受影 响 电池 组所产生的能量。在大 多数 的情况下 ，逆变 器都会选择优化没有影响 的电池组 ，并相应 地降低 受影 响电池组所产生的能量 ，甚至是 完全关 闭受影响 电池组。所 导致 的结果是 ， 太 阳 能 光 伏 系 统 只 要 出现 10％ 的 遮 蔽 ，便 会 使 太 阳能 发电量 下 降一 半。产 生这 一现 象的原 因主要是 现 行 的光伏 系统 并不 能与 极 度 敏 感 的太 阳 能 电池 架 构 相 匹配 。 因此 ， 我 们需 要采 用更 高 智能 的技 术和 产 品来开 发 太 阳能 。 为 此，美 国国 家半导 体 新推 出 的 Solar Magic产 品，能够智能管理太 阳能光伏电池 板电量 ，从而使太阳能管理更智能 ，更高效。 一 个解决方案就是所谓的 “微型逆变器 ”，即 在每块 电池板上都加装逆变器。可是 ，影 响 光伏系统 的关键 因素是可靠性、成本和效率。 先进 的微型优化器技 术可大幅改善太阳能发 电工业的成本效益和产能。由于具备在太 阳 能发 电的深厚知识、经验 以及可靠的核心技 术 ，美 国国家半导体 的 Solar Magic技术可 监察并优化每块电池板 的发 电量 ，并 改善 电 池板 中的电流流 向。Solar Magic体现了美国 国家半导体 在混合信号和 电源管理 的先进算 法领域 的领先。通过采用 Solar Magic技术， 太阳能发电系统可挽回 50％ 以上因输电失配 或 阴影 遮 蔽 而 损 失 的 发 电量 。微 型 优 化器 将 智能地 管理每块 电池板 ，让 它们可 以最佳 的 功率点 去运行 ，即使串联 电池组 内有个别电 池 板发生故 障也不会 影响系统 的整体效率。 美国国家半导体于 2009年推出的全新微型优 化器将推动太 阳能光伏技术 的发展 ，在再生 能源方面扮演举足轻重的角色。 圈 ntelligent Building＆City Information 201 0 2 No 1 59 97