光伏逆变器工作原理及特点

  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。

  由于目前太阳能电池的价格偏高，为了最大限度的利用太阳能电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

  目前光伏电站系统大多数都用在边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器有合理的电路结构，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。

  由于太阳能电池的端电压随负载和日照强度变化而变化。特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V的蓄电池，其端电压可能在 10V~16V之间变化，这就要求逆变器在较大的直流输入电压范围内保障正常工作。

  有关逆变器分类的方法很多，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制型逆变器等。根据应用在并网系统还是离网系统中又可大致分为并网逆变器和离网逆变器。为便于光电用户选用逆变器，这里仅以逆变器适用场合的不同进行分类。

  集中逆变技术是若干个并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相的IGB T功率模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用DSP转换控制器来改善所产出电能的质量，使它非常接近于 正弦波电流，通常用于大型光伏发电站(10kW)的系统中。最大特点是系统的功率高，成本低，但由于不同光伏组 串的输出电压、电流往往不完全匹配(特别是光伏组串因多云、树荫、污渍等原因被部分遮挡时)，采用集中逆变的 方式会导致逆变过程的效率降低和电户能的下降。同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不 良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制以及开发新的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高效率。

  组串逆变器是基于模块化概念基础上的，每个光伏组串(1-5kw)通过一个逆变器，在直流端具有上限功率峰值跟踪，在交流端并联并网，已成为现在国际市场上最流行的逆变器。

  许多大型光伏电厂使用组串逆变器。优点是不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，从而增加了发电量。技术上的这些优势不仅降低了系统成本，也增加了系统的可靠性。同时，在组串间引人主-从的概念，使得系统在单串电能不能使单个逆变器工作的情况下，将几组光伏组串联系在一起，让其中一个或几个工作，从而产出更多的电能。

  最新的概念为几个逆变器相互组成一个团队来代替主-从的概念，使得系统的可靠性又进了一步。目前，无变压器式组串逆变器已占了主导地位。

  在传统的PV系统中，每一路组串型逆变器的直流输入端，会由10块左右光伏电池板串联接入。当10块串联的 电池板中，若有一块不能良好工作，则这一串都会受一定的影响。若逆变器多路输入使用同一个MPPT，那么各路输入 也都会受一定的影响，大幅度降低发电效率。在实际应用中，云彩，树木，烟囱，动物，灰尘，冰雪等各种遮挡因素都 会引起上述因素，情况非常普遍。而在微型逆变器的PV系统中，每一块电池板分别接入一台微型逆变器，当电池 板中有一块不能良好工作，则只有这一块都会受一定的影响。其他光伏板都将在最佳工作状态运行，使得系统总体效 率更高，发电量更大。在实际应用中，若组串型逆变器出现故障，则会引起几千瓦的电池板不能发挥作用，而微 型逆变器故障造成的影响相当之小。

  太阳能发电系统加装功率优化器(Optimizer)可大幅提升转换效率，并将逆变器(Inverter)功能化繁为简降低 成本。为实现智慧型太阳能发电系统，装置功率优化器可确实让每一个太阳能电池发挥最佳效能，并随时监控电 池耗损状态。功率优化器是介于发电系统与逆变器之间的装置，主要任务是替代逆变器原本的最佳功率点追踪功 能。功率优化器藉由将线路简化以及单一太阳能电池即对应一个功率优化器等方式，以类比式进行极为快速的最 佳功率点追踪扫描，进而让每一个太阳能电池皆可确实达到最佳功率点追踪，除此之外，还能藉置入通讯晶片随 时随地监控电池状态，即时回报问题让相关人员尽速维修。

  逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。归纳起来有自动运行和停机功能、最大功率跟踪控制功能、防单独运行功能（并网系统用）、自动电压调整功能（并网系统用）、直流检测功能（并网系统用）、直流接地检测功能（并网系统用）。这里简单介绍自动运行和停机功能及最大功率跟踪控制功能。

  早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳电池的输出也随之增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入运行后，逆变器便时时刻刻监视太阳电池组件的输出，只要太阳电池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行；直到日落停机，即使阴雨天逆变器也能运行。当太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近0时，逆变器便形成待机状态。

  太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度（芯片温度）而变化的。另外由于太阳电池组件具有电压随电流增大而下降的特性，因此存在能获取最大功率的最佳工作点。太阳辐射强度是变化着的，显然最佳工作点也是在变化的。相对于这些变化，始终让太阳电池组件的工作点处于最大功率点，系统始终从太阳电池组件获取最大功率输出，这种控制就是最大功率跟踪控制。太阳能发电系统用的逆变器的最大特点就是包括了最大功率点跟踪（MPPT）这一功能。

  在光伏系统中，太阳电池发出的电能先由蓄电池储存起来，然后经过逆变器逆变成220V或380V的交流电。但是蓄电池受自身充放电的影响，其输出电压的变化范围较大，如标称12V的蓄电池，其电压值可在10．8～14．4V之间变动(超出这个范围可能对蓄电池造成损坏)。对于一个合格的逆变器，输入端电压在这个范围内变化时，其稳态输出电压的变化量应不超过额定值的±5％，同时当负载发生突变时，其输出电压偏差不应超过额定值的±10％。

  对正弦波逆变器，应规定允许的最形失真度(或谐波含量)。通常以输出电压的总波形失线％)。由于逆变器输出的高次谐波电流会在感性负载上产生涡流等附加损耗，如果逆变器波形失真度过大，会导致负载部件严重发热，不利于电气设备的安全，并且严重影响系统的运行效率。

  对于包含电机之类的负载，如洗衣机、电冰箱等，由于其电机最佳频率工作点为50Hz，频率过高或者过低都会造成设备发热，降低系统运行效率和使用寿命，所以逆变器的输出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±l％以内。

  表征逆变器带感性负载或容性负载的能力。正弦波逆变器的负载功率因数为0．7～0．9，额定值为0．9。在负载功率一定的情况下，如果逆变器的功率因数较低，则所需逆变器的容量就要增大，一方面造成成本增加，同时光伏系统交流回路的视在功率增大，回路电流增大，损耗必然增加，系统效率也会降低。

  逆变器的效率是指在规定的工作条件下，其输出功率与输入功率之比，以百分数表示，一般情况下，光伏逆变器的标称效率是指纯阻负载，80％负载情况下的效率。由于光伏系统总体成本较高， 因此应该最大限度地提高光伏逆变器的效率，降低系统成本，提高光伏系统的性价比。目前主流逆变器标称效率在80％～95％之间，对小功率逆变器要求其效率不低于85％。在光伏系统实际设计过程中，不但要选择高效率的逆变器，同时还应通过系统合理配置，尽量使光伏系统负载工作在最佳效率点附近。

  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。

  一款性能优良的逆变器，还应具备完备的保护功能或措施，以应对在实际使用过程中出现的各种异常情况，使逆变器本身及系统其他部件免受损伤。

  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。当工作电流超过额定的150％时，逆变器应能自动保护。

  另外，对无电压稳定措施的逆变器，逆变器还应有输出过电压防护措施，以使负载免受过电压的损害。

  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。

  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用电设备容量的1.1～1.15倍即可。同时逆变器还应具有抗容性和感性负载冲击的能力。

  对一般电感性负载，如电机、冰箱、空调、洗衣机、大功率水泵等，在起动时，其瞬时功率可能是其额定功率的5～6倍，此时，逆变器将承受很大的瞬时浪涌。针对此类系统，逆变器的额定容量应留有充分的余量，以保证负载能可靠起动，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，有时需采用软起动或限流起动的方式。

  3、在进行电气连接之前，务必采用不透光材料将光伏电池板覆盖或断开直流侧断路器。暴露于阳光，光伏阵列将会产生危险电压。

  对于太阳能逆变器来讲，提高电源的转换效率是一个永恒的课题，但是当系统的效率越来越高，几乎接近100%时，进一步的效率改善会伴随着性价比的低下，因此，如何保持一个很高的效率，又能维持很好的价格竞争力将是当前的重要课题。

  与逆变器效率的改善努力相比，如何提高整个逆变系统的效率，正逐渐成为太阳能系统的另一个重要课题。在一个太阳能阵列中，当局部的2~3%面积的阴影出现时，对采用一个MPPT功能的逆变器来讲，此时的系统输出电力恶劣时甚至会出现20%左右的功率下降！为了更好地适应类似这样的状况针对单一或部分太阳能组件，采用一对一的MPPT或多个MPPT控制功能是十分有效的方法。

  由于逆变系统处于并网运行的状况，系统对地的漏电会造成严重的安全问题；此外，为了提高系统的效率，太阳能阵列大多会被串联成很高的直流输出电压使用；为此，在电极间因异常状况的发生，很容易产生出直流电弧，由于直流电压高，非常不容易灭弧，极容易导致火灾。随着太阳能逆变系统的广泛采用，系统安全性的问题也将是逆变技术的重要部分。

  此外，电力系统正在迎来智能电网技术的快速发展和普及。大量的太阳能等新能源电力的系统并网，给智能电网系统的稳定性提出了新的技术挑战。设计出能够更加快速、准确、智能化地兼容智能电网的逆变系统，将成为今后太阳能逆变系统的必要条件。

  总的来说，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而发展。随着时间的推移，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更加高、体积更小的方向发展。