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光伏系统的基本控制图一、简单光伏系统块状图包含六个模块的简单光伏系统及其控制的电气结构块状图•太阳能组件：是系统的电能转换器，把太阳能转换成直流电。电池板连接在控制器的正极和负极末端，连接的极性要完全正确。太阳能阵列单点接地。•直流接口部件：一个末端板（TB3）、一个直流断开开关和一个直流接触器。断开开关是一个手动开关，接触器由磁性线圈控制。直流界面提供一种使太阳能阵列的所有直流电和主控制器断开的方法。这种断开能使系统需要维修的部分进行断开和锁定。•主逆变器部件：包括把直流电转换成交流电的逆变器电路。–直流电输入逆变器时是没有任何频率的直流电，电压大小是随着光照的多少而发生变化的，其变化介于光伏阵列可产生的最小电压和最大电压之间。逆变器输出的交流电压的大小是和逆变器输入的直流电压的大小相匹配的。–调制解调器用来向数据中心发送被转换的能量的数据，包含时间信息和光伏组件产生的电能多少的信息，可以表征故障及其他情况，从而可以判断系统的工作状况。•变压器部件：变压器部件使用交流电，并把它提高到380V的工业用三相交流电，也可以在中性点提供220V的交流线路给居民用户。–图中：变压器采用三相Y型连接，一次侧和二次侧可以隔离开。该控制器中的二次侧电压可以使208V或480V，额定功率是100VA，所以在480V时可以处理200A的电流。•交流界面部件：–有交流断开开关，这个开关是一个中心开关和EMI（电磁干扰）滤波器。EMI滤波器可以限制电路中的电子器件或其它组件产生的谐波注入电网。–交流接触器是一个由继电线圈控制的大的继电器。继电线圈可以从任何电脑控制的设备或PLC（可编程逻辑控制器）接受信号。也就是说，光伏系统可以通过SCADA(监测控制和数据采集)系统进行远程控制。–断开开关可以手动打开也可以通过电信号控制。在系统需要维修的任何情况下，交流手动开关都可以转换到打开位置，当维修工作完成后再合上。•电路断路器：在过负荷时保护整个系统。如果负荷引起流向系统的电流过大，断路器就会动作，将三相电路都断开。–断路器是三相断路器，但是只要任一相的电流超过最大允许电流它都会动作。当断路器动作时，三相电路同时打开。–负荷可能会是整个工厂，所以电能需要可能会超过光伏系统的供给，这会出现过负荷情况并且给系统带来过大的电流，所以用熔丝或者断路器来对光伏设备和电路进行保护是非常重要的。二、大型工业光伏系统的配电图一个工业太阳能电路各模块的电气结构块状图。•大型光伏系统和小型系统的部件相似，不同的是它们会增加电容器、电感器和一些其它需要的组件来保护系统，并使系统完全和电网电压兼容。–上图是一个商业用太阳能发电系统各个部分的电路拓扑图。图上对各个部分做了编号，方便在后面的解释中清楚地知道是哪部分。–在某些系统中，图中的所有设备都安装在一个柜内。而在其他一些系统中，这些设备被分别安装在屋顶的不同柜体内。r•1号：光伏组件及它们的连接点。–连接点是在接线端子板TB3，并且要注意TB3的末端1是正极而TB3的末端2是负极。如果用到多种光伏电池板阵列，必须保证他们的极性连接正确。–如果是大量的组件连接成阵列，连接点通常做成汇流箱。如图是直接安装在屋顶的汇流箱和连接箱，它们安装在组件下面或者靠近屋顶的太阳能阵列。电器导线管为所有的连接太阳电池组件和汇流箱的连接线提供保护。•2号：光伏断开附件–有一个手动开关S2，可以断开光伏组件的电压；还有一个继电线圈控制的接触器K2。–CT4是电流互感器，来显示系统产生的直流电流的大小。a太阳能电气系统隔离开关b太阳能电功率表（系统仪表）c两个小逆变器的开断(隔离)开关d太阳能电气系统电缆分线箱e太阳能系统连接箱(两个隔离变压器)f两个小型逆变器•3号：逆变器部分–整流器有一个把直流电转化成交流电的逆变回路。–逆变器的输入是光伏阵列产生的直流电，通过逆变器转化成50Hz的交流电。光伏阵列产生的电压大小随光照的变化而变化。–有些系统在光伏阵列附近使用一系列小型逆变器，而有些系统在中心位置使用一个或两个大型逆变器。•4号：电容和电感•电容和电感过滤交流电。电容过滤直流电压，电感过滤直流电流。电容也可以用来校正系统的功率因数。•5号：变压器部分–该100kVA的变压器提供480V的电压。它把逆变器的输出电压升高到480V。–由于一次绕组和二次绕组没有联系，所以也被称为隔离变压器。–隔离变压器用来升高交流电压•6号：交流接触器–接触器的触点是通过线圈控制的，线圈的电压可以由与SCADA系统相连的电脑或者PLC控制器提供。接触器使与负荷相连的输出电路和逆变器之间完全独立。•7号：EMI滤波器。它过滤掉任何干扰信号和可能会进入交流电压和电流的谐波。滤波器使得信号干净，从而计算机以及其他敏感负荷可安全用电。•8号：系统的断路器和输出部分。断路器是三相断路器，可以在过电流时对任何负荷起到保护作用。断路器跳开后可以重新整定和使用。如果电压的一相检测到过电流，三相电路会同时跳开。孤岛抑制电路和其他保护电路•故意进行孤岛运行（允许的）；以及非故意的孤岛（严禁的）•孤岛情况通过电力电子电路对以下几条进行监控：–电压水平发生突然或非预期的改变–一个或多个电源引起的系统频率改变–有功输出的突然增加，超出了系统中小回路可以预测到的典型水平–功率因数或者无功输出的改变，和现有情况不同。•这些情况中的任何一条都可以表明出现了小型发电机断开或者负荷的某些部分和电网断开等故障。如果出现这些情况中的任何一种，太阳能发电系统就需要快速和电网断开，防止它继续向电网输送电能。三、逆变器的基本运行•在太阳能发电系统中，逆变器不仅仅是把直流电转换成交流电，它还被认为时电力控制器。•逆变器产生的交流电是三种特征波形之一，包括：正弦波、准正弦波或者方波。–正弦波逆变器通常比其他类型的要贵一些，通常用来给敏感负载或者大型系统供电。准正弦波和方波换流器相对便宜些，通常用来向照明负荷或者其他对波性要求不高的负荷供电。•另一种讨论三种类型逆变器的方法是通过它们所用的电路，例如：可变电压输入（VVI）；脉宽调制（PMI）；电源型输入（CSI）。•如今，很多工厂和工业都使用太阳能，要求太阳能发电系统发出的电具有特定的电压和频率。•单相逆变器：主要组件是4个晶闸管和4个晶体管。这种电路通常叫做直流连接逆变器，或者被简单的称为逆变器。输出为交流方波。•晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又被称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；是一种开关元件。–1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化。–晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和控制极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。•晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。•晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关（如Relay、switch）不同，晶体管利用电讯号来控制自身的开合，而且开关速度可以非常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。•使用晶体管的六脉动逆变器–用4个晶体管来代替4个晶闸管的逆变器的电路图–波形图更像传统的交流正弦波–完成正弦波的正半周和负半周需要6个脉动，因此这种类型的逆变器被称为六脉动逆变器。逆变器的交流输出电压两极被标为Ｍ１和Ｍ２。–虽然输出的交流正弦波有６个阶段，但是对于电动机及其他负荷来说和传统的平滑交流正弦波没有差别。–Ｍ１和Ｍ２的交流电压可在０到直流电压的最大值之间改变。•三相逆变器–三相逆变器的效率更高，基本电路和基本原理与单相晶体管逆变器类似。–由于每个正弦周期中晶体管必须按照六脉动进行，所以它们的时序必须完全正确，而且必须和其他两相的晶体管对同步，以保证三相相序正确。•可变电压逆变器–通常是六脉动的单相或三相逆变器。–当逆变器的负荷是交流频率可变电动机的驱动或焊接电路时，要求它的电压大小可调节。电动机需要调整频率来提高或降低他们相对于额定值的转速，额定值由生产时电动机具有的极对数来决定。驱动时当频率校正后，电压也应校正为常数，以保证电动机获得的电压与频率比值是恒定的，从而保证力矩是一定得。当电动机力矩松散式转速非常低，运行就会出现问题。–最初使用震荡器来控制偏置电路，所以这些电路只能提供限定的电压和限定的频率变化。–随着微处理器价格降低和应用逐步广泛，通过微处理器来控制晶体管逆变器的偏置电路的应用更加广泛，使六脉动逆变器具有更大范围内调节电压和频率的能力。•脉宽调制逆变器–另一种对逆变器进行电压调节和频率调节控制的方法是使用脉宽调制控制。–这种控制利用的是晶体管不同频率的开通和关断。它提供特定的波形控制得到在特定时间开通和关断的多样方波周期，来产生交流正弦波的整体形状。–波形的整体形状看起来和六脉动逆变器信号很相似，它实际上是由多种方波脉冲叠加而成的，这些方波脉冲是由晶体管快速开断形成的。由于晶体管的偏置可以控制，所以每个方波脉冲的电压大小可以调节以使得整个方波系列形成正弦波的形状。–也可以调节每个方波脉冲的宽度以改变形成的交流正弦波的脉冲的周期。–早期的脉宽调制电路使用晶闸管，现代电路更倾向于使用晶体管，因为它们具有更强的耐大电流的能力，可以高达１５００Ａ．联系：谐波概念中讲到的傅里叶级数的原理。•电流源型逆变器–可以调整逆变器的输出电压和频率–在用于可变频率电动机驱动和其他要求电压和频率可变的应用场合时，可以使用这种逆变器。•直流－直流变换（逆变器和斩波器）–出现在某些太阳能设备更为复杂的控制系统中。–某些系统中，可能需要将直流电压转换成另一种大小的直流电压，完成这种转换的一种方法是利用斩波电路。斩波电路原本是把固定的电压变为可变的电压以控制直流电动机的速度。在工业中，由于直流电压不可直接获得，因此需要依赖整流电路把交流电变为直流电。–但是，在光伏系统中，整流电路的输入是直流电压，因此，被归类为直流－直流逆变器。虽然这些电路中不包括交流－直流整流，但当这些电路出现问题时，也必须检查整流电路以保证直流电的可靠供给。四、直流－直流逆变器•直流－直流逆变器在电能供应电路中有广泛的应用。•在这些电路中，直流电通过逆变器转换成交流电，交流电再被转换成直流电，用以给设备进行供电。•完成这种变化的过程看似有点奇怪，这是因为在大型供电系统中，如果电流型式是交流电，那么更容易改变电压和电流的水平。•现在，旧的斩波电路别改为具有更新型电路的供电技术，它们被统称为换流器（ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）。现在通常会在开关模式供电（ＳＭＰＳ）中看到换流电路。１、线性供电•操作简单，效率低（通常３０～４０％范围）•负荷两端的电压随时随着调节器（稳压器）电阻的改变而改变。•线性供电易于生产和故障排除。但效率低，体积大。２、开关模式供电（ＳＭＰＳ）•效率（可达到８０％）比线性模式高，并且不需要大型的变压器和滤波设备，因此应用更加广泛。３、ＢＵＣＫ换流器•是一种直流－直流降压换流器，它是开关模式供电的一部分，使用晶体管、电容器、电感和二极管来将电压调节到供给电压水平以下。•优点是它比使用电阻来产生压降的供电方式效率高。ＢＵＣＫ换流器中，电压调节是通过电路中的电容和电感充电放电完成的。由于很少的热能损失，其换流效率可以达到９５％•输出电压低于输入电压。４、ＢＯＯＳＴ稳压器•是开关模式供电的基本调节电路的第二种。•晶体管被移动到电感后面，并且直接和输出的正负极相连。续流二极管串联在电路中。电容器仍然和输出电压两端并联来提供滤波。•和ＢＵＣＫ换流器一样，它也是直接和电力变压器的二次绕组直接相连的。•输出电压高于输入电压。５、ＢＵＣＫ－ＢＯＯＳＴ稳压器•它利用了这两种稳压器的优点。•输出电压可以高于也可以低于输入电压。•应用越来越广泛。６、正激换流器•是一个带有变压器并且在晶体管开通时，能直接向输出端传送电能的ＢＵＣＫ换流器。•晶体管并联在变压器的一次侧。晶体管导通时，电