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光伏逆变器的结构原理及其分类
发布时间:2017-05-31  来源:光伏商贸网
摘要: 逆变器又称电源调整器,根据逆变器在光伏发电系统中的用途可分为独立型电源用和并网用二种。根据波形调制方式又可分为方波逆变器、阶梯波逆变器、正弦波逆变器和组合式三相逆变器。对于用于并网系统的逆变器,根据有无变压器又可分为变压器型逆变器和无变变压器型逆变器。

逆变器又称电源调整器,根据逆变器在光伏发电系统中的用途可分为独立型电源用和并网用二种。根据波形调制方式又可分为方波逆变器、阶梯波逆变器、正弦波逆变器和组合式三相逆变器。对于用于并网系统的逆变器,根据有无变压器又可分为变压器型逆变器和无变变压器型逆变器。

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。如上所述,逆变器有多种类型,因此在选择机种和容量时需特别注意。尤其在太阳能发电系统中,逆变器效率的高低是决定太阳能电池容量和蓄电池容量大小的重要因素。。

光伏逆变器工作原理

逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置,主要用于把直流电力转换成交流电力。一般由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压;逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。逆变器主要由晶体管等开关元件构成,通过有规则地让开关元件重复开-关(ON-OFF),使直流输入变成交流输出。当然,这样单纯地由开和关回路产生的逆变器输出波形并不实用。一般需要采用高频脉宽调制(SPWM),使靠近正弦波两端的电压宽度变狭,正弦波中央的电压宽度变宽,并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向动作,这样形成一个脉冲波列(拟正弦波)。然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波。

光伏逆变器的元件构成

1、电流传感器

光伏逆变器一般采用霍尔电流传感器来进行电流采样,从小功率到大功率所采用的电流传感器形式不一,列举一些例子如下:

100KW:检测电流是300A左右,一般都会采用JCE308-TS7电流传感器

250KW:检测电流是500A左右,一般都会采用JCE508-TS6电流传感器

500KW:检测电流是1000A左右,一般会采用JCE1005-FS电流传感器

1MW:检测电流是2000A左右,一般会采用JCE2005-FS电流传感器

对于电流传感器要求精度高、响应时间快,而且耐低温、高温等环境要求

2、电流互感器

一般采用BRS系列电流互感器,从几百到几千A不等,输出信号一般采用0-5A为标准

3、电抗器

光伏逆变器的分类

光伏逆变器有多种不同的分类方式,根据用途的不同可分为独立型电源用逆变器和独立型并网用逆变器(根据变压器的有无,独立型并网用逆变器还可分为变压器型逆变器和无变压器型逆变器)。根据波形调制方式的不同可分为方波型逆变器、阶梯型逆变器、正弦波型逆变器和组合型三相逆变器。

1.方波逆变器

此逆变器输出的电压波形为方波,逆变器线路简单,价格便宜,实现较为容易。缺点是方波电压中含有大量的高次谐波成分,在负载中会产生附加的损耗,并对通信等设备产生较大的干扰,需要外加额外的滤波器。此类逆变器多见于早期,设计功率不超过几百瓦的小容量逆变器。

2.阶梯波逆变器

阶梯波逆变器输出的电压波形为阶梯波形,阶梯波逆变器的优点是输出波形接近正弦波,比方波有明显的改善,高次谐波含量减少。当阶梯波的阶梯达到16个以上f付,输出的波形为准正弦波,整机效率较高。但此逆变器往往需要多组直流电源供电,需要的功率开关管也较多,给光伏阵列分组和蓄电池分组带来不便。

3.正弦波PWM逆变器

正弦波逆变器的优点是输出波形基本为正弦波,在负载中只有很少的谐波损耗,对通信设备干扰小,整机效率高。缺点是设备复杂、价格高。随着电力电子技术的进步,脉宽调制技术的普及,大容量PWM型正弦波逆变器逐渐成为逆变器的主流产品。以典型的单相全桥式逆变器为例,四个对角的开关功率管以每个对角线的二个开关管为一组,依次导通和关断,在负载二端就产生交替的正负电压,形成交流输出。当此交替导通的频率与负载所需的交流频率相同时,其输出的电压就为方波电压。当开关管以比逆变交流输出电压高许多的频率开关,且每次开关的脉宽按照正弦波的幅值调制时,就变成了正弦波脉宽调制输出的逆变器,加滤波器后其输出的电压波形就是正弦波输出逆变器。

PWM型逆变器广泛使用功率场效应管(Power MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管

(IGBT)、可关断型晶闸管(GTO)等作为开关管,而控制部分使用专用型PWM开关集成电路以及带有PWM输出的DSP和单片机芯片。构成一台实用型逆变器需要主功率电路、控制电路和辅助电路(如保护、测量和监控等)。其逆变过程为:光伏阵列或蓄电池输出的直流电进人逆变器直流母线,经开关电路(如桥式电路)将直流电变成正反方向输出的、脉宽为正弦调制的交流脉冲波,此脉宽调制的交流电压经滤波电路变成正弦交流电压输出,如需要升压则外接升压变压器,再经输电线路将交流电力送往负载。PWM调制输出信号频率称作逆变器的调制频率或开关频率,它一般是逆变器输出交流基波频率的十几倍、几十倍到上百倍。典型的逆变器交流输出频率为50Hz,逆变器开关频率可以儿百到儿十千赫。PWM调制的开关频率愈高,则逆变器输出波形谐波愈小,但开关过程带来的功率损耗则愈大,要权衡选取开关管PWM调制的开关频率。

逆变器输出所接的滤波器通常为低通滤波器,由电感器和电容器构成T型低通滤波形式。滤波器的设计要考虑滤波能力也要考虑可能带来的电磁谐振。逆变器按输出类型,又分为电压型逆变器和电流型逆变器。

4.变颇器

变频器是由三相整流器、电压源的无源逆变器和控制器构成,由于光伏发电系统所发电力为直流的特殊性,光伏变频器不需要三相整流器,而直接将变频器的直流母线接到光伏发电系统的直流母线上。鉴于光伏电力受光照的自然环境影响较大,直流母线一般要加蓄电池来稳定变频器的运行;在变频器控制端子要加弱电控制信号,不停地调节变频器的设定频率,改变变频器输出功率,以达到与光伏阵列最大功率点跟踪的目的。变频器作为可调节性负载要与光伏阵列的MPPT联合控制,在光伏发电系统中,电动机类动力性负荷尽量配合使用变频器,以减少电动机启动电流的冲击,并可以灵活调节电动机负荷。

逆变器作为光伏发电的重要组成部分,主要的作用是将光伏组件发出的直流电转变成交流电。目前,市面上常见的逆变器主要分为集中式逆变器与组串式逆变器,还有新潮的集散式逆变器。

1、集中式逆变器

集中式逆变器顾名思义是将光伏组件产生的直流电汇总转变为交流电后进行升压、并网。因此,逆变器的功率都相对较大。光伏电站中一般采用500kW以上的集中式逆变器。

集中式逆变器的优点如下:

(1)功率大,数量少,便于管理;元器件少,稳定性好,便于维护;

(2)谐波含量少,电能质量高;保护功能齐全,安全性高;

(3)有功率因素调节功能和低电压穿越功能,电网调节性好。

集中式逆变器存在如下问题:

(1)集中式逆变器MPPT电压范围较窄,不能监控到每一路组件的运行情况,因此不可能使每一路组件都处于最佳工作点,组件配置不灵活;

(2)集中式逆变器占地面积大,需要专用的机房,安装不灵活;

(3)自身耗电以及机房通风散热耗电量大。

2、组串式逆变器

组串式逆变器顾名思义是将光伏组件产生的直流电直接转变为交流电汇总后升压、并网。因此,逆变器的功率都相对较小。光伏电站中一般采用50kW以下的组串式逆变器。

组串式逆变器优点:

(1)不受组串间模块差异,和阴影遮挡的影响,同时减少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况,最大程度增加了发电量;

(2)MPPT电压范围宽,组件配置更加灵活;在阴雨天,雾气多的部区,发电时间长;

(3)体积较小,占地面积小,无需专用机房,安装灵活;

(4)自耗电低、故障影响小。

组串式逆变器存在问题:

(1)功率器件电气间隙小,不适合高海拔地区;元器件较多,集成在一起,稳定性稍差;

(2)户外型安装,风吹日晒很容易导致外壳和散热片老化;

(3)逆变器数量多,总故障率会升高,系统监控难度大;

(4)不带隔离变压器设计,电气安全性稍差,不适合薄膜组件负极接地系统。

3、集散式逆变器

集散式逆变器是近两年来新提出的一种逆变器形式,其主要特点是“集中逆变”和“分散MPPT跟踪”。集散式逆变器是聚集了集中式逆变器和组串式逆变器两种逆变器优点的产物,达到了“集中式逆变器的低成本,组串式逆变器的高发电量”。

集散式逆变器优点:

(1)与集中式对比,“分散MPPT跟踪”减小了失配的几率,提升了发电量;

(2)与集中式及组串式对比,集散式逆变器具有升压功能,降低了线损;

(3)与组串式对比,“集中逆变”在建设成本方面更具优势。

集散式逆变器问题;

(1)工程经验少。较前两类而言,尚属新形式,在工程项目方面的应用相对较少;

(2)安全性、稳定性以及高发电量等特性还需要经历工程项目的检验;

(3)因为采用“集中逆变”,因此,占地面积大,需专用机房的缺点也存在于集散式逆变器中。

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