太阳能光伏发电之逆变电路原理培训分解

太阳能光伏发电之逆变器技术二o一四年四月十六日目录1.逆变技术概述2.逆变电路基本工作原理3.离网逆变器关键技术4.并网逆变器关键技术逆变－与整流相对应，将直流电（DC）变成交流电（AC），它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。在逆变器未出现以前，DC/AC变换是通过直流电动机-交流发电机来实现的，称为旋转变流器。随着电力电子技术的高速发展，大功率开关器件和集成控制电路的研发成功，利用半导体技术就可以完成DC/AC变换，这种变换装置称为静止变流器。通常所说的逆变器均指静止变流器。一.逆变技术概述逆变概念直流电源如蓄电池、干电池和太阳能电池逆变电路交流负载供电一.逆变技术概述逆变电路的作用1）交流电动机的变频调速；2）新能源的开发和利用；3）电网谐波补偿；4）不间断电源；5）开关稳压电源和专用电源。一.逆变技术概述逆变技术的应用场合户用电源（几十瓦-几百瓦）：满足日常照明、生活用电需求。集中式电站（几千瓦-几百千瓦）：满足一个地区的供电需求屋顶并网电站（几千瓦-几兆瓦）：利用建筑的屋顶发电并入电网荒漠并网电站（几百千瓦-几百兆瓦）：利用荒漠铺建大面积光伏组件，并入电网一.逆变技术概述光伏系统逆变技术的应用场合1）按输出交流频率分类工频（50-60Hz）：大多数应用场合；中频（400Hz-几十KHz）：工业、军工应用场合；高频（几十kHz-几MHz）：特殊应用场合。2）按输出交流能量的去向分类无源逆变：独立逆变器；有源逆变：并网逆变器、有源滤波器等。3）按输出电压相数分类：单相、三相、多相；一.逆变技术概述逆变器的分类4）按输出电压波形分类：方波、修正正弦波、正弦波。一.逆变技术概述逆变器的分类电路优点缺点功率范围正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W~几kW反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W~几十W全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W~几百kW半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W~几kW推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W~几kW5）按电路结构分类：单端式、推挽式、半桥式、全桥式一.逆变技术概述逆变器的分类6）按输入直流电源类型分类电压型：直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；电流型：直流侧为电流源或串联大电感，直流侧电流基本无脉动；交流输出电流为矩形波，输出电压因负载不同而不同；7）按输入与输出的电气隔离分类：非隔离型、工频隔离、高频隔离。一.逆变技术概述逆变器的分类dUC?CAP2C1LS1S3S2S4+-C38102C2R交流滤波电感交流滤波电容负载输入直流电压功率开关器件直流平波电容工频隔离变压器二.逆变电路基本工作原理单相全桥逆变电路上图中S1与S2、S3与S4由两对互补的信号控制，防止同一桥壁上的两个开关管直通，造成电源短路而烧毁功率器件。当负载为纯阻性负载时，负载uo和io的波形与相位相同；当负载为感性负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。二.逆变电路基本工作原理单相全桥逆变电路•当S1与S4导通时，负载上得到的是上正下负的电压•当S2与S3导通时，负载上得到的是上负下正的电压二.逆变电路基本工作原理单相全桥逆变电路dUC?CAP2C1LS1S3S2S4+-C38102C2RT0~T/2T/2~T1T1~TT~T2T1T2系统在一个开关周期状态下的电压电流分析：二.逆变电路基本工作原理单相全桥逆变电路PWM(PulseWidthModulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。二.逆变电路基本工作原理PWM控制技术PWM重要理论基础——面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同二.逆变电路基本工作原理PWM控制技术如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OuωtOuωtOuωt二.逆变电路基本工作原理PWM控制技术-UdUdOωtUd对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波如下（单极性调制）：二.逆变电路基本工作原理PWM控制技术采用上述调制方式的PWM称为SPWM波，通过其控制功率器件，使得输出的波形经过滤波后为正弦波。SPWM波的调制方式还存在下面这种方式（双极性调制）：O--UdUdwt二.逆变电路基本工作原理PWM控制技术双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud二.逆变电路基本工作原理PWM控制技术输出电压控制谐波含量（THD）抑制提高系统效率抗冲击负载能力抗三相负载不平衡能力系统保护措施三.离网逆变器关键技术三.离网逆变器关键技术输出电压控制：离网逆变器为负载提供电源，其输出电压需严格满足负载需求。因此，对逆变器输出电压的控制是离网型控制器的首要功能，主要包括电压有效值和频率控制。通过对SPWM波调制比的实时控制即可保障输出电压稳定在额定值，对载波比控制即可保障输出频率稳定在额定值。三.离网逆变器关键技术谐波含量（THD）抑制保障逆变器输出电压在额定负载范围内的谐波含量满足国标要求(5%)，主要通过以下几种方法（具体分析见并网逆变器谐波抑制）：采取高性能功率器件；对控制算法进行改进；对功率器件的死区进行补偿；三.离网逆变器关键技术提高系统效率逆变器输出效率对于新能源系统尤其重要，主要采取以下几种方式：采取低损耗功率器件、降低功率器件的导通损害及开关损耗；对软件算法进行优化；选取高效率的滤波器、变压器等；三.离网逆变器关键技术抗冲击负载能力过载时不能使输出电压变为零，只能适当地限制；输出短路时能及时切断输出电压，并能承受长期短路故障；当输出接入感性负载冲击时，不应该对输出电压造成过大的影响；当过载或短路故障解除时，设备应能自动恢复工作。保护控制要求:三.离网逆变器关键技术抗三相负载不平衡能力针对太阳能系统的用户特性，单相负载占据了绝大多数，如果负载分配不平衡，则会造成三相逆变电源的输出偏载。对于三相全桥逆变电路，通过软件算法增加抗不平衡能力，可20%抗偏载；对于三个单相全桥组成的三相逆变电路，可以达到100%抗偏载能力；三.离网逆变器关键技术系统保护能力输入反接保护：防止用户误操作输入欠压保护：防止蓄电池放亏输入过压保护：保护系统输入在额定电压以内输出过载保护：保障负载在额定范围内输出短路保护：防止输出短路系统过热保护：系统防止过热损坏内部故障保护：内部器件故障检测系统拓扑结构闭环控制策略光伏阵列的最大功率跟踪（MPPT）并网功率因数（PF）控制并网电流的谐波（THD）抑制反孤岛效应防护接地故障检测四.并网逆变器关键技术1.直接耦合系统2.工频隔离系统3.高频隔离系统4.高频不隔离系统逆变器PV阵列电网逆变器PV阵列工频变压器电网逆变器PV阵列DC/DC电网逆变器BoostPV阵列DC/DC电网四.并网逆变器关键技术并网逆变器拓扑结构三角载波PV阵列频率和相位检测sin电流预测控制PWM模块H桥和驱动交流电网PI控制pvUpvIMPPTrefIrefigridUSPLLti闭环控制策略四.并网逆变器关键技术实时鉴相SPLL特点：实时鉴相，快速锁定，跟踪最快缺点：实现复杂，抗干扰能力差简单过零点鉴相SPLL特点：软硬件设计简单，实现容易缺点：锁定最慢，且跟踪精度受开关频率限制基于变步长细分的过零点鉴相SPLL特点：跟踪较快，跟踪精度高，且抗干扰能力强缺点：仍存在鉴相和锁相的延迟问题并网功率因数（PF）控制四.并网逆变器关键技术并网功率因数测试结果IEEEStd929-2000标准在10%负载时PF=0.85测试结果10%负载PF0.9550%负载PF0.9870%负载PF0.99100%负载PF=1并网功率因数（PF）控制四.并网逆变器关键技术阵列输出曲线：输出功率随温度、日照变化而变化光伏阵列的最大功率跟踪（MPPT）四.并网逆变器关键技术上次光伏组件输出功率本次光伏组件输出功率光伏组件输出改变方向PUO最大功率点1nnUUU1nnUUU光伏阵列的最大功率跟踪（MPPT）扰动观察法四.并网逆变器关键技术增量电导法阵列输出在最功率点左边光伏阵列输出改变方向PUO最大功率点阵列输出在最功率点右边0dIIUdU0dIIUdU/()//dPdUdIUdUIUdIdU增量电导法，可以更好的适应天气的快速变化光伏阵列的最大功率跟踪（MPPT）四.并网逆变器关键技术电流波形畸变可能原因分析AD采样的偏移和非线性误差开关死区的影响驱动电路的窄脉冲抑制作用谐波抑制策略采用高等级的传感器和AD，并对AD进行线性校准基于直接脉冲补偿的开关死区效应抑制策略驱动窄脉冲的合并输出并网电流的波形畸变分析与谐波抑制四.并网逆变器关键技术并网电流波形畸变测试结果补偿前：THD=8.95%补偿后：THD=2.85%并网电流的波形畸变分析与谐波抑制四.并网逆变器关键技术并网电流波形畸变测试结果Idc=0.2AP=29.35kWIthd3%PF=1并网电流的波形畸变分析与谐波抑制四.并网逆变器关键技术样机采用：被动电网频率和相位检测+主动电网频率偏移三相电网Am阵列Bm+1阵列Bm+2阵列Bn阵列A1B2阵列阵列负载1负载n反孤岛效应防护四.并网逆变器关键技术被动式孤岛效应检测被动检测电网电压、频率、相位等信息，根据检测量的突变或异常情况，判断孤岛是否发生；当逆变器输出与负载匹配时，被动式检测失效。主动式孤岛效应检测主动式检测是指对系统的输出并网电流、有功功率、频率或相位加上周期性的扰动，并定时检测电网相应参数是否受到扰动的影响，以此为据判断是否有孤岛效应发生。采用：被动电网频率和相位检测+主动电网频率偏移反孤岛效应防护四.并网逆变器关键技术反孤岛测试结果（Load=100%）电网电压200V/div逆变电压500V/div并网电流200A/div测试结果：负载100%匹配，平均断开时间8个周波反孤岛效应防护四.并网逆变器关键技术逆变器接地是将系统的外壳和避雷器的接地端连接到大地上，保证系统和人身安全。采用单点接地，防止各电路之间的传导干扰和共地传导干扰。接地故障检测用于判断逆变器是否可靠接地，为操作人员提供安全保障。采用检测系统的漏电流判断逆变器是否接地接地故障检测四.并网逆变器关键技术大力发展中国的太阳能事业利在千秋功在当代