第6章-逆变器

第6章光伏逆变器何道清编制2011.12第6章光伏逆变器光伏逆变器——DCAC6.1光伏逆变器概述将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路，而实现逆变过程的装置称为逆变器或逆变装置。太阳能光伏发电系统中使用的逆变器是一种将太阳能电池所产生的直流电能转换为交流电能的转换装置，它使转换后的交流电的电压、频率、波形等与电力系统交流电的电压、频率、波形等相一致，以满足为各种交流用电装置、设备供电及并网发电的需要。6.1光伏逆变器概述6.1.1光伏逆变器的分类功率较小(4kW)的光伏发电系统一般采用正弦波逆变器。逆变器的显示功能主要包括：直流输入电压和电流的测量值，交流输出电压和电流的测量值，逆变器的工作状态（运行、故障、停机等）。逆变器的分类输出波形运行方式输出交流电相数功率流动方向方波逆变器阶梯波逆变器正弦波逆变器离网逆变器并网逆变器单相逆变器三相逆变器单向逆变器双向逆变器6.1光伏逆变器概述6.1.2光伏逆变器的电路构成逆变器的基本电路构成如图6-1所示。主要由输入电路、输出电路、主逆变开关电路(简称主逆变电路)、控制电路、辅助电路和保护电路等构成。图6-1逆变器基本电路构成示意图6.1光伏逆变器概述1.输入电路逆变器的输入电路主要是为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流工作电压。2.主逆变电路主逆变电路是逆变器的核心，它的主要作用是通过半导体开关器件的导通和关断完成逆变的功能。逆变电路分为隔离式和非隔离式两大类。3.输出电路逆变器的输出电路主要是对主逆变电路输出的交流电的波形、频率、电压、电流的幅值、相位等进行修正、补偿、调理，使之能满足使用需求。6.1光伏逆变器概述4.控制电路逆变器的控制电路主要是为主逆变电路提供一系列的控制脉冲来控制逆变开关器件的导通与关断，配合主逆变电路完成逆变功能。5.辅助电路辅助电路主要是将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。辅助电路还包含多种检测、显示电路。逆变器的显示功能主要包括：直流输入电压和电流的测量值，交流输出电压和电流的测量值，逆变器的工作状态（运行、故障、停机等）。6.保护电路逆变器的保护电路主要包括输入过压、欠压保护，输出过压、欠压保护，过载保护，过流和短路保护，接反保护，过热保护等。6.1光伏逆变器概述6.1.3光伏逆变器的主要元器件逆变器主要由半导体功率器件和逆变器驱动、控制电路两大部分组成。目前的逆变器多数采用功率场效应晶体管(VMOSFET)、绝缘栅极晶体管(IGBT)、可关断晶体管(GTO)、MOS控制晶体管(MGT)、MOS控制晶闸管(MCT)、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(SITH)以及智能型功率模块(IPM)等多种先进且易于控制的大功率器件，控制逆变驱动电路也从模拟集成电路发展到单片机控制，甚至采用数字信号处理器(DSP)控制，使逆变器向着高频化、节能化、全控化、集成化和多功能化方向发展。6.2光伏逆变器的原理电路6.2.1单相逆变器电路原理逆变器的工作原理是通过功率半导体开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的。电路中都使用具有开关特性的半导体功率器件，由控制电路周期性地对功率器件发出开、关脉冲控制信号，控制各个功率器件轮流导通和关断，再经过变压器藕合升压或降压后，整形滤波输出符合要求的交流电。单相逆变器的基本电路有推挽式、半桥式和全桥式三种。6.2光伏逆变器的原理电路6.2.1单相逆变器电路原理1.推挽式逆变电路推挽式逆变电路原理如图6-2所示。该电路由两只共负极连接的功率开关管和一个初级带有中心抽头的升压变压器组成。升压变压器的中心抽头接直流电源正极，两只功率开关管在控制电路的作用下交替工作，输出方波或三角波的交流电力。图6-2推挽式逆变电路原理图6.2光伏逆变器的原理电路2.半桥式逆变电路半桥式逆变电路由两只功率开关管、两只储能电容器和藕合变压器等组成。该电路将两只串联电容的中点作为参考点，当功率开关管VTl在控制电路的作用下导通时，电容Cl上的能量通过变压器初级释放；当功率开关管VT2导通时，电容C2上的能量通过变压器初级释放；VTl和VT2的轮流导通，在变压器次级获得了交流电能。图6-2推挽式逆变电路原理图6.2光伏逆变器的原理电路3.全桥式逆变电路全桥式逆变电路原理如图6-4(a)所示。该电路由四只功率开关管和变压器等组成。功率开关管VTl、VT4和VT2、VT3反相，VTl、VT3和VT2、VT4轮流（以频率f交替切换）导通，使负载两端得到交流（方波）电能，其周期T=1/f。图6-4全桥式逆变器工作原理图6.2光伏逆变器的原理电路三级逆变电路单级(DC-AC)两级(DC-DC-AC)三级(DC-AC-DC-AC)逆变电路，具体工作过程：首先将太阳能电池方阵输出的直流电(如24V、48V、110V、220V等)通过高频逆变电路逆变为波形为方波的交流电，逆变频率一般在几千赫兹到几十千赫兹，再通过高频升压变压器整流滤波后变为高压直流电，然后经过第三级DC-AC逆变为所需要的220V或380V工频交流电。图6-5三级逆变器电路原理图6.2光伏逆变器的原理电路逆变器波形变换图6-6逆变器波形变换过程示意图6.2光伏逆变器的原理电路4.逆变器输出波形方波：简单、便宜、使用方便，含高次谐波、损耗大，干扰大、不能上网；梯形波：高次谐波少，整机效率高；电磁干扰、不能上网；正弦波：波形好、性能优、可并网；线路复杂、贵。图6-6输出波形示意图6.2光伏逆变器的原理电路6.2.2三相逆变器电路原理单相逆变器电路由于受到功率开关器件的容量、零线(中性线)电流、电网负载平衡要求和用电负载性质等的限制，容量一般都在100kVA以下，大容量的逆变电路大多采用三相形式。三相逆变器按照直流电源的性质不同分为三相电压型逆变器和三相电流型逆变器。6.2光伏逆变器的原理电路1.三相电压型逆变器三相电压型逆变器的基本电路如图6-8所示。该电路主要由6只功率开关器件和6只续流二极管以及带中性点的直流电源构成。图中负载L和R表示三相负载的各路相电感和相电阻。图6-8三相电压型逆变器电路原理图6.2光伏逆变器的原理电路功率开关器件VTl～VT6在控制电路的作用下，当控制信号为三相互差120°的脉冲信号时，可以控制每个功率开关器件导通180或120，相邻两个开关器件的导通时间互差60°。逆变器三个桥臂中上部和下部开关元件以180°间隔交替开通和关断，VTl～VT6以60的电位差依次开通和关断，在逆变器输出端形成a、b、c三相电压。6.2光伏逆变器的原理电路控制电路输出的开关控制信号：方波、阶梯波、脉宽调制方波、脉宽调制三角波和锯齿波等；后三种脉宽调制的波形都是以基础波作为载波，正弦波作为调制波，最后输出正弦波波形。普通方波和被正弦波调制的方波的区别如图6-9所示。普通方波信号是连续导通的，而被调制的方波信号要在正弦波调制的周期内导通和关断N次。图6-9方波与被调制方波波形示意图6.2光伏逆变器的原理电路2.三相电流型逆变器电流型逆变器的直流输入电源是一个恒定的直流电流源，需要调制的是电流，若一个矩形电流注入负载，电压波形则是在负载阻抗的作用下生成的。在电流型逆变器中，有两种不同的方法控制基波电流的幅值，一种方法是直流电流源的幅值变化法，这种方法使得交流电输出侧的电流控制比较简单；另一种方法是用脉宽调制来控制基波电流。三相电流型逆变器的基本电路如图6-10所示。该电路由6只功率开关器件和6只阻断二极管以及直流恒流电源、浪涌吸收电容等构成，R为用电负载。6.2光伏逆变器的原理电路2.三相电流型逆变器图6-10三相电流型逆变器电路原理图6.2光伏逆变器的原理电路三相电流型逆变器也是由三组上下一对的功率开关元件构成，但开关动作的方法与电压型不同。由于在直流输入侧串联了大电感L，使直流电流的波动变化较小，当功率开关器件开关动作和切换时，都能保持电流的稳定和连续。因此三个桥臂中上边开关元件VTl、VT3、VT5中的一个和下边开关元件VT2、VT4、VT6中的一个，均可按每隔1/3周期分别流过一定值的电流，输出的电流波形是高度为该电流值的l20°通电期间的方波。另外，为防止连接感性负载时电流急剧变化而产生浪涌电压，在逆变器的输出端并联了浪涌吸收电容C。6.2光伏逆变器的原理电路电流型逆变器的特点是在直流电输入侧接有较大的滤波电感，当负载功率因数变化时，交流输出电流的波形不变，即交流输出电流波形与负载无关。在电路结构上与电压型逆变器不同的是，电压型逆变器在每个功率开关元件上并联了一个续流二极管，而电流型逆变器则是在每个功率开关元件上串联了一个反向阻断二极管。三相电流型逆变器的直流电源即直流电流源是利用可变电压的电源通过电流反馈控制来实现的。但是，仅用电流反馈，不能减少因开关动作形成的逆变器输入电压的波动而使电流随着波动，所以在电源输入端串入了大电感（电抗器）L。电流型逆变器非常适合在并网系统应用。6.2光伏逆变器的原理电路独立光伏系统对逆变器的基本要求：（1）运行要良好要求所有组成独立光伏系统逆变器的元器件性能要好，保护功能较强，如对过热、过载、直流极性接反、交流输出短路等的保护。（2）整机效率要高特别是在低负荷下供电时，仍须有较高的效率，这是独立光伏发电系统专用逆变器性能优于通用逆变器的特点。（3）输出电压的失真度要低当逆变器的输出电压为方波或非正弦波时，在输出电压中除基波外还有高次谐波。高次谐波电流在电感性负载上产生涡流等附加损耗，导致部件严重发热，不利于电气设备的安全运行。为了与公共电网“合拍”，即波形、频率、周期等一致，逆变器的输出波形最好与电网正弦波相同。6.2光伏逆变器的原理电路6.2.3并网型逆变器的电路原理并网逆变器不仅要将太阳能光伏发电系统输出的直流电转换为交流电，还要对交流电的电压、电流、频率、相位与同步等进行控制，还要解决对电网的电磁干扰、自我保护、单独运行和孤岛效应以及最大功率跟踪等技术问题。图6-11并网光伏逆变系统结构示意图6.2光伏逆变器的原理电路1.并网逆变器的技术要求（1）要求逆变器必须输出正弦波电流。（2）要求逆变器在负载和日照变化幅度较大的情况下均能高效运行。（3）要求逆变器能使光伏方阵始终工作在最大功率点状态。（4）要求具有较高的可靠性。（5）要求有较宽的直流电压输入适应范围。（6）要求逆变器体积小、重量轻，以便于室内安装或墙壁上悬挂。（7）要求在电力系统发生停电时，并网光伏系统既能独立运行，又能防止孤岛效应，能快速检测并切断向公用电网的供电，防止触电事故的发生。待公用电网恢复供电后，逆变器能自动恢复并网供电。6.2光伏逆变器的原理电路2.并网逆变器的电路原理（1）三相并网逆变器电路原理三相并网逆变器输出电压一般为交流380V或更高电压，频率为50/60Hz。三相并网逆变器多用于容量较大的光伏发电系统，输出波形为标准正弦波，功率因数接近1.0。三相并网逆变器电路分为主电路和微处理器电路两部分：主电路主要完成DC-DC-AC的转换和逆变过程；微处理器电路主要完成系统并网的控制过程。并网控制的目的：使逆变器输出的交流电压值、波形、相位等维持在规定的范围内，因此，微处理器控制电路要完成电网相位实时检测、电流相位反馈控制、光伏方阵最大功率跟踪以及实时正弦波脉宽调制信号发生等内容。6.2光伏逆变器的原理电路三相并网逆变器的原理电路图6-12三相并网逆变器电路原理示意图6.2光伏逆变器的原理电路并网逆变工作过程如下：公用电网的电压和相位经过霍尔传感器送给微处理器的A/D转换器，微处理器将回馈电流的相位与公用电网的电压相位做比较，其误差信号通过PID运算器运算调节后送给PWM脉宽调制器，这就完成了功率因数为1的电能回馈过程。微处理器完成的另一项主要工作是实现光伏方阵的最大功率输出。光伏方阵的输出电压和电流分别由电压、电流传感器检测并相乘，得到方阵输出功率，然后调节PWM输出占空比。这个占空比的调节实质上就是调节回馈电压大小，从而实现最大功率寻优。当U的幅值变化时，回馈电流与电网电压之间的相位角也将有一