【科普】一文看懂光伏逆變器的工作原理！
工作原理及特點
工作原理：
逆變裝置的核心，是逆變開關(guān)電路，簡稱為逆變電路。該電路通過電力電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，來完成逆變的功能。
特點：
(1)要求具有較高的效率。
由于目前太陽能電池的價格偏高，為了最大限度的利用太陽能電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。
(2)要求具有較高的可靠性。
目前光伏電站系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū)，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變器有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護功能，如：輸入直流極性接反保護、交流輸出短路保護、過熱、過載保護等。
(3)要求輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍。
由于太陽能電池的端電壓隨負載和日照強度變化而變化。特別是當蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，如12V的蓄電池，其端電壓可能在10V~16V之間變化，這就要求逆變器在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作。
光伏逆變器分類
有關(guān)逆變器分類的方法很多，例如：根據(jù)逆變器輸出交流電壓的相數(shù)，可分為單相逆變器和三相逆變器;根據(jù)逆變器使用的半導(dǎo)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(guān)斷晶閘管逆變器等。根據(jù)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(diào)制型逆變器等。根據(jù)應(yīng)用在并網(wǎng)系統(tǒng)還是離網(wǎng)系統(tǒng)中又可以分為并網(wǎng)逆變器和離網(wǎng)逆變器。為了便于光電用戶選用逆變器，這里僅以逆變器適用場合的不同進行分類。
1、集中型逆變器
集中逆變技術(shù)是若干個并行的光伏組串被連到同一臺集中逆變器的直流輸入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模塊，功率較小的使用場效應(yīng)晶體管，同時使用DSP轉(zhuǎn)換控制器來改善所產(chǎn)出電能的質(zhì)量，使它非常接近于正弦波電流，一般用于大型光伏發(fā)電站(>10kW)的系統(tǒng)中。最大特點是系統(tǒng)的功率高，成本低，但由于不同光伏組串的輸出電壓、電流往往不完全匹配(特別是光伏組串因多云、樹蔭、污漬等原因被部分遮擋時)，采用集中逆變的方式會導(dǎo)致逆變過程的效率降低和電戶能的下降。同時整個光伏系統(tǒng)的發(fā)電可靠性受某一光伏單元組工作狀態(tài)不良的影響。最新的研究方向是運用空間矢量的調(diào)制控制以及開發(fā)新的逆變器的拓撲連接，以獲得部分負載情況下的高效率。
2、組串型逆變器
組串逆變器是基于模塊化概念基礎(chǔ)上的，每個光伏組串(1-5kw)通過一個逆變器，在直流端具有最大功率峰值跟蹤，在交流端并聯(lián)并網(wǎng)，已成為現(xiàn)在國際市場上最流行的逆變器。
許多大型光伏電廠使用組串逆變器。優(yōu)點是不受組串間模塊差異和遮影的影響，同時減少了光伏組件最佳工作點與逆變器不匹配的情況，從而增加了發(fā)電量。技術(shù)上的這些優(yōu)勢不僅降低了系統(tǒng)成本，也增加了系統(tǒng)的可靠性。同時，在組串間引人"主-從"的概念，使得系統(tǒng)在單串電能不能使單個逆變器工作的情況下，將幾組光伏組串聯(lián)系在一起，讓其中一個或幾個工作，從而產(chǎn)出更多的電能。
最新的概念為幾個逆變器相互組成一個"團隊"來代替"主-從"的概念，使得系統(tǒng)的可靠性又進了一步。目前，無變壓器式組串逆變器已占了主導(dǎo)地位。
3、微型逆變器
在傳統(tǒng)的PV系統(tǒng)中，每一路組串型逆變器的直流輸入端，會由10塊左右光伏電池板串聯(lián)接入。當10塊串聯(lián)的電池板中，若有一塊不能良好工作，則這一串都會受到影響。若逆變器多路輸入使用同一個MPPT，那么各路輸入也都會受到影響，大幅降低發(fā)電效率。在實際應(yīng)用中，云彩，樹木，煙囪，動物，灰塵，冰雪等各種遮擋因素都會引起上述因素，情況非常普遍。
而在微型逆變器的PV系統(tǒng)中，每一塊電池板分別接入一臺微型逆變器，當電池板中有一塊不能良好工作，則只有這一塊都會受到影響。其他光伏板都將在最佳工作狀態(tài)運行，使得系統(tǒng)總體效率更高，發(fā)電量更大。在實際應(yīng)用中，若組串型逆變器出現(xiàn)故障，則會引起幾千瓦的電池板不能發(fā)揮作用，而微型逆變器故障造成的影響相當之小。
4、功率優(yōu)化器
太陽能發(fā)電系統(tǒng)加裝功率優(yōu)化器(OptimizEr)可大幅提升轉(zhuǎn)換效率，并將逆變器(Inverter)功能化繁為簡降低成本。為實現(xiàn)智慧型太陽能發(fā)電系統(tǒng)，裝置功率優(yōu)化器可確實讓每一個太陽能電池發(fā)揮最佳效能，并隨時監(jiān)控電池耗損狀態(tài)。功率優(yōu)化器是介于發(fā)電系統(tǒng)與逆變器之間的裝置，主要任務(wù)是替代逆變器原本的最佳功率點追蹤功能。功率優(yōu)化器藉由將線路簡化以及單一太陽能電池即對應(yīng)一個功率優(yōu)化器等方式，以類比式進行極為快速的最佳功率點追蹤掃描，進而讓每一個太陽能電池皆可確實達到最佳功率點追蹤，除此之外，還能藉置入通訊晶片隨時隨地監(jiān)控電池狀態(tài)，即時回報問題讓相關(guān)人員盡速維修。
光伏逆變器的功能
逆變器不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護功能。歸納起來有自動運行和停機功能、最大功率跟蹤控制功能、防單獨運行功能(并網(wǎng)系統(tǒng)用)、自動電壓調(diào)整功能(并網(wǎng)系統(tǒng)用)、直流檢測功能(并網(wǎng)系統(tǒng)用)、直流接地檢測功能(并網(wǎng)系統(tǒng)用)。這里簡單介紹自動運行和停機功能及最大功率跟蹤控制功能。
(1)自動運行和停機功能
早晨日出后，太陽輻射強度逐漸增強，太陽電池的輸出也隨之增大，當達到逆變器工作所需的輸出功率后，逆變器即自動開始運行。進入運行后，逆變器便時時刻刻監(jiān)視太陽電池組件的輸出，只要太陽電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率，逆變器就持續(xù)運行;直到日落停機，即使陰雨天逆變器也能運行。當太陽電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時，逆變器便形成待機狀態(tài)。
(2)最大功率跟蹤控制功能
太陽電池組件的輸出是隨太陽輻射強度和太陽電池組件自身溫度(芯片溫度)而變化的。另外由于太陽電池組件具有電壓隨電流增大而下降的特性，因此存在能獲取最大功率的最佳工作點。太陽輻射強度是變化著的，顯然最佳工作點也是在變化的。相對于這些變化，始終讓太陽電池組件的工作點處于最大功率點，系統(tǒng)始終從太陽電池組件獲取最大功率輸出，這種控制就是最大功率跟蹤控制。太陽能發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器的最大特點就是包括了最大功率點跟蹤(MPPT)這一功能。
光伏逆變器的主要技術(shù)指標
1.輸出電壓的穩(wěn)定度
在光伏系統(tǒng)中，太陽電池發(fā)出的電能先由蓄電池儲存起來，然后經(jīng)過逆變器逆變成220V或380V的交流電。但是蓄電池受自身充放電的影響，其輸出電壓的變化范圍較大，如標稱12V的蓄電池，其電壓值可在10.8～14.4V之間變動(超出這個范圍可能對蓄電池造成損壞)。對于一個合格的逆變器，輸入端電壓在這個范圍內(nèi)變化時，其穩(wěn)態(tài)輸出電壓的變化量應(yīng)不超過額定值的Plusmn;5%，同時當負載發(fā)生突變時，其輸出電壓偏差不應(yīng)超過額定值的±10%。
2.輸出電壓的波形失真度
對正弦波逆變器，應(yīng)規(guī)定允許的最大波形失真度(或諧波含量)。通常以輸出電壓的總波形失真度表示，其值應(yīng)不超過5%(單相輸出允許l0%)。由于逆變器輸出的高次諧波電流會在感性負載上產(chǎn)生渦流等附加損耗，如果逆變器波形失真度過大，會導(dǎo)致負載部件嚴重發(fā)熱，不利于電氣設(shè)備的安全，并且嚴重影響系統(tǒng)的運行效率。
3.額定輸出頻率
對于包含電機之類的負載，如洗衣機、電冰箱等，由于其電機最佳頻率工作點為50Hz，頻率過高或者過低都會造成設(shè)備發(fā)熱，降低系統(tǒng)運行效率和使用壽命，所以逆變器的輸出頻率應(yīng)是一個相對穩(wěn)定的值，通常為工頻50Hz，正常工作條件下其偏差應(yīng)在Plusmn;l%以內(nèi)。
4.負載功率因數(shù)
表征逆變器帶感性負載或容性負載的能力。正弦波逆變器的負載功率因數(shù)為0.7～0.9，額定值為0.9。在負載功率一定的情況下，如果逆變器的功率因數(shù)較低，則所需逆變器的容量就要增大，一方面造成成本增加，同時光伏系統(tǒng)交流回路的視在功率增大，回路電流增大，損耗必然增加，系統(tǒng)效率也會降低。
5.逆變器效率
逆變器的效率是指在規(guī)定的工作條件下，其輸出功率與輸入功率之比，以百分數(shù)表示，一般情況下，光伏逆變器的標稱效率是指純阻負載，80%負載情況下的效率。由于光伏系統(tǒng)總體成本較高，因此應(yīng)該最大限度地提高光伏逆變器的效率，降低系統(tǒng)成本，提高光伏系統(tǒng)的性價比。目前主流逆變器標稱效率在80%～95%之間，對小功率逆變器要求其效率不低于85%。在光伏系統(tǒng)實際設(shè)計過程中，不但要選擇高效率的逆變器，同時還應(yīng)通過系統(tǒng)合理配置，盡量使光伏系統(tǒng)負載工作在最佳效率點附近。
6、額定輸出電流(或額定輸出容量)
表示在規(guī)定的負載功率因數(shù)范圍內(nèi)逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產(chǎn)品給出的是額定輸出容量，其單位以VA或kVA表示。逆變器的額定容量是當輸出功率因數(shù)為1(即純阻性負載)時，額定輸出電壓為額定輸出電流的乘積。
7、保護措施
一款性能優(yōu)良的逆變器，還應(yīng)具備完備的保護功能或措施，以應(yīng)對在實際使用過程中出現(xiàn)的各種異常情況，使逆變器本身及系統(tǒng)其他部件免受損傷。
(1)輸入欠壓保戶：
當輸入端電壓低于額定電壓的85%時，逆變器應(yīng)有保護和顯示。
(2)輸入過壓保戶：
當輸入端電壓高于額定電壓的130%時，逆變器應(yīng)有保護和顯示。
(3)過電流保護：
逆變器的過電流保護，應(yīng)能保證在負載發(fā)生短路或電流超過允許值時及時動作，使其免受浪涌電流的損傷。當工作電流超過額定的150%時，逆變器應(yīng)能自動保護。
(4)輸出短路保戶
逆變器短路保護動作時間應(yīng)不超過0.5s。
(5)輸入反接保護：
當輸入端正、負極接反時，逆變器應(yīng)有防護功能和顯示。
(6)防雷保護：
逆變器應(yīng)有防雷保護。
(7)過溫保護等
另外，對無電壓穩(wěn)定措施的逆變器，逆變器還應(yīng)有輸出過電壓防護措施，以使負載免受過電壓的損害。
8.起動特性
表征逆變器帶負載起動的能力和動態(tài)工作時的性能。逆變器應(yīng)保證在額定負載下可靠起動。
9.噪聲
電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開關(guān)及風扇等部件均會產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運行時，其噪聲應(yīng)不超過80dB，小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過65dB。
選型技巧
逆變器的選用，首先要考慮具有足夠的額定容量，以滿足最大負荷下設(shè)備對電功率的要求。對于以單一設(shè)備為負載的逆變器，其額定容量的選取較為簡單。
當用電設(shè)備為純阻性負載或功率因數(shù)大于0.9時，選取逆變器的額定容量為用電設(shè)備容量的1.1～1.15倍即可。同時逆變器還應(yīng)具有抗容性和感性負載沖擊的能力。
對一般電感性負載，如電機、冰箱、空調(diào)、洗衣機、大功率水泵等，在起動時，其瞬時功率可能是其額定功率的5～6倍，此時，逆變器將承受很大的瞬時浪涌。針對此類系統(tǒng)，逆變器的額定容量應(yīng)留有充分的余量，以保證負載能可靠起動，高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿負荷起動而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全，有時需采用軟起動或限流起動的方式。
安裝注意事項及維護
1、在安裝前首先應(yīng)該檢查逆變器是否在運輸過程中有無損壞。
2、在選擇安裝場地時，應(yīng)該保證周圍內(nèi)沒有任何其他電力電子設(shè)備的干擾。
3、在進行電氣連接之前，務(wù)必采用不透光材料將光伏電池板覆蓋或斷開直流側(cè)斷路器。暴露于陽光，光伏陣列將會產(chǎn)生危險電壓。
4、所有安裝操作必須且僅由專業(yè)技術(shù)人員完成。
5、光伏系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中所使用線纜必須連接牢固，良好絕緣以及規(guī)格合適。
發(fā)展趨勢
對于太陽能逆變器來講，提高電源的轉(zhuǎn)換效率是一個永恒的課題，但是當系統(tǒng)的效率越來越高，幾乎接近100%時，進一步的效率改善會伴隨著性價比的低下，因此，如何保持一個很高的效率，又能維持很好的價格競爭力將是當前的重要課題。
與逆變器效率的改善努力相比，如何提高整個逆變系統(tǒng)的效率，正逐漸成為太陽能系統(tǒng)的另一個重要課題。在一個太陽能陣列中，當局部的2~3%面積的陰影出現(xiàn)時，對采用一個MPPT功能的逆變器來講，此時的系統(tǒng)輸出電力惡劣時甚至?xí)霈F(xiàn)20%左右的功率下降!為了更好地適應(yīng)類似這樣的狀況針對單一或部分太陽能組件，采用一對一的MPPT或多個MPPT控制功能是十分有效的方法。
由于逆變系統(tǒng)處于并網(wǎng)運行的狀況，系統(tǒng)對地的漏電會造成嚴重的安全問題;此外，為了提高系統(tǒng)的效率，太陽能陣列大多會被串聯(lián)成很高的直流輸出電壓使用;為此，在電極間因異常狀況的發(fā)生，很容易產(chǎn)生出直流電弧，由于直流電壓高，非常不容易滅弧，極容易導(dǎo)致火災(zāi)。隨著太陽能逆變系統(tǒng)的廣泛采用，系統(tǒng)安全性的問題也將是逆變技術(shù)的重要部分。
此外，電力系統(tǒng)正在迎來智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和普及。大量的太陽能等新能源電力的系統(tǒng)并網(wǎng)，給智能電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。設(shè)計出能夠更加快速、準確、智能化地兼容智能電網(wǎng)的逆變系統(tǒng)，將成為今后太陽能逆變系統(tǒng)的必要條件。
總的來說，逆變技術(shù)的發(fā)展是隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展而發(fā)展。隨著時間的推移，逆變技術(shù)正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發(fā)展。