一、前言
隨著我國光伏發電應用規模與范圍的不斷擴大,光電市場對逆變器的需求量迅速增加。與此同時, 高質量、低成本的逆變器產品逐漸成為光電系統開發人員和廣大用戶所關注的問題。逆變器是電力電子技術的一個重要應用方面。電力電子技術是電力、電子、自動控制及半導體等多種技術相互滲透與有機結合的綜合技術。因此, 逆變器所涉及的知識領域和技術內容十分廣泛, 本文僅從光伏發電系統應用的角度, 對逆變器的基本工作原理、電路系統的構成作一簡要介紹。近年來, 隨著“小家電”產品的日益增多, 愈來愈多的人在使用可充電電池, 許多家庭都備有小型蓄電池充電器。充電器的核心部件是整流器, 它的功能是將50 周波的交流電整流成為直流電。逆變器與整流器恰好相反, 它的功能是將直流電轉換為交流電。這種對應于整流的逆向過程, 稱之為“逆變”。太陽電池在陽光照射下產生直流電, 然而以直流電形式供電的系統有很大的局限性。例如: 日光燈、電視機、電冰箱、電風扇等均不能直接用直流電源供電, 絕大多數動力機械也是如此。此外, 當供電系統需要升高電壓或降低電壓時,交流系統只需加一個變壓器即可, 而在直流系統中升降壓技術與裝置就要復雜得多了。因此, 除特殊用戶外, 在光伏發電系統中都需要配備逆變器。逆變器還具有自動調壓或手動調壓功能, 可改善光伏發電系統的供電質量。綜上所述, 逆變器已成為光伏發電系統中不可缺少的重要配套設備。
二、逆變器基本工作原理
逆變器的種類很多, 各自的具體工作原理、工作過程不盡相同, 但是最基本的逆變過程是相同的。下面以最基本的逆變電路———單相橋式逆變電路為例
具體說明逆變器的“逆變”過程。單相橋式逆變電路如圖1 (a) 所示。輸入直流電壓為E , R 代表逆變器的純電阻性負載。當開關K1 、K3 接通時, 電流流過K1 、R 和K3 , 負載上的電壓極性是左正右負; 當開關K1 、K3 斷開, K2 、K4 接通時, 電流流過K2 、R 和K4 , 負載上的電壓極性反向。若兩組開關K123 、K224 以頻率f 交替切換工作時, 負載R 上便可得到頻率為f 的交變電壓Ur , 其波形如圖1 ( b)所示。該波形為一方波, 其周期T = 1 / f 。圖1 ( a) 電路中的開關K1 、K2 、K3 、K4 , 實際是各種半導體開關器件的一種理想模型。逆變器電路中常用的功率開關器件有功率晶體管( GTR) 、功率場效應管( POWER MOSF E T) 、可關斷晶閘管( GTO) 及快速晶閘管( SCR) 等。近年來又研
制出功耗更低、開關速度更快的絕緣柵雙極型晶體管( IGB T) 。
三、逆變器電路系統構成
圖1 ( a) 所示電路是逆變器的逆變過程示意圖。實際上要構成一臺實用型逆變器, 尚需增加許多重要的功能電路及輔助電路。輸出為正弦波電壓, 并具有一定保護功能的逆變器電路原理框圖如圖2 所示。
其工作過程簡述如下: 由太陽電池方陣(或蓄電池) 送來的直流電進入逆變器主回路,經逆變轉換成交流方波,再經濾波器濾波后成為正弦波電壓,最后由變壓器升壓后送至用電負載. 逆變器主回路中功率開關管的開關過程,是由系統控制單元通過驅動回路進行控制的. 逆變器電路各部分的工作狀態及工作參量,經由不同功能的傳感器變換為可識別的電信號后,通過檢測回路將信息送入系統控制單元進行比較、分析與處理. 根據判斷結果,系統控制單元對逆變器各回路的工況進行調控. 例如:通過電壓調節回路可調節逆變器的輸出電壓值. 當檢測回路送來的是短路信息時,系統控制單元通過保護回路,立即關斷逆變器主回路的功率開關管,從而起到保護逆變器的作用. 逆變器工作的主要狀態信息及故障情況,通過系統控制單元可以送至顯示與報警回路. 根據逆變器功率大小,功能多少的不同,圖2 中的系統控制單元,簡單的可以是一塊組件構成的邏輯電路或專用芯片;復雜的可以是單片微處理器或16 位微處理器等等. 此外,圖2 所示的是逆變器典型的電路系統原理,實際的逆變器電路系統可以比圖2 簡單許多,也可較之更復雜. 最后要說明的是,一臺功能完善、性能良好的逆變器,除具有如圖2 所示的全部功能電路外,還要有二次電源. 該電源負責向逆變器所有用電部件、元器件、儀表等,提供不同等級的低壓工作用電.
四、光伏系統中逆變器分類及特點
有關逆變器分類的原則很多, 例如: 根據逆變器輸出交流電壓的相數, 可分為單相逆變器和三相逆變器; 根據逆變器使用的半導體器件類型不同, 又可分為晶體管逆變器、晶閘管逆變器及可關斷晶閘管逆變器等; 根據逆變器線路原理的不同, 還可分為自激振蕩型逆變器、階梯波疊加型逆變器和脈寬調制型逆變器等等。為了便于光電用戶選用逆變器, 這里僅以逆變器輸出交流電壓波形的不同進行分類, 并對不同輸
出波形逆變器的特點做一簡要說明。
11 方波逆變器
方波逆變器輸出的交流電壓波形為方波, 如圖3(a) 所示。此類逆變器所使用的逆變線路也不完全相同, 但共同的特點是線路比較簡單, 使用的功率開關管數量很少。設計功率一般在幾十瓦至幾百瓦之間。方波逆變器的優點是: 價格便宜, 維修簡單。缺點是: 由于方波電壓中含有大量高次諧波, 在以變壓器為負載的用電器中將產生附加損耗, 對收音機和某些通訊設備也有干擾。此外, 這類逆變器中有的調壓
范圍不夠寬, 有的保護功能不夠完善, 噪聲比較大。
21 階梯波逆變器
此類逆變器輸出的交流電壓波形為階梯波, 如圖3 ( b) 所示。逆變器實現階梯波輸出也有多種不同的線路, 輸出波形的階梯數目也不一樣。階梯波逆變器的優點是: 輸出波形比方波有明顯改善, 高次諧波含量減少, 當階梯達到17 個以上對輸出波形可實現準正弦波。當采用無變壓器輸出時, 整機效率很高。缺點是: 階梯波疊加線路使用的功率開關管較多, 其中有些線路形式還要求有多組直流電源輸入。這給太
陽電池方陣的分組與接線和蓄電池的均衡充電均帶來麻煩。此外, 階梯波電壓對收音機和某些通訊設備仍有一些高頻干擾。
31 正弦波逆變器
這類逆變器輸出的交流電壓波形為正弦波, 如圖3 (c) 所示。正弦波逆變器的特點是: 綜合技術性能好, 功能完善, 但線路復雜。正弦波逆變器的優點是: 輸出波形好, 失真度很低, 對收音機及通訊設備無干擾, 噪聲也很低。此外, 保護功能齊全, 整機效率高。缺點是: 線路相對復雜, 對維修技術要求高,價格較貴。上述三種類型逆變器的分類, 有利于光電系統開發人員和用戶對逆變器進行識別和選型。實際上, 波
形相同的逆變器在線路原理, 使用器件及控制方法等等方面仍有很大區別。有關其它分類方法與特點, 讀者如有興趣, 可參閱有關電力電子專業方面的書刊。