太陽能逆變器的原理與應用

目前我國光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽電池發(fā)出的電能給充電，而蓄電池直接給負載供電，如我國西北地區(qū)使用較多的太陽能戶用照明系統(tǒng)以及遠離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結構簡單，成本低廉，但由于負載直流電壓的不同（如１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ等），很難實現(xiàn)系統(tǒng)的標準化和兼容性， 特別是民用電力， 由于大多為交流負載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進入市場。 另外， 光伏發(fā)電最終將實現(xiàn)并網(wǎng)運行， 這就必須采用成熟的市場模式，今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。
光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變電源的要求

??? 采用交流電力輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和逆變器四部分組成（并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般可省去蓄電池），而逆變器是關鍵部件。 光伏對逆變器要求較高：

１。要求具有較高的效率。 由于目前太陽電池的價格偏高， 為了最大限度地利用太陽電池， 提高系統(tǒng)效率， 必須設法提高逆變器的效率。

２。要求具有較高的可靠性。 目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū)， 許多電站無人值守和維護， 這就要求逆變器具有合理的電路結構， 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。要求直流輸入電壓有較寬的適應范圍， 由于電池的端電壓隨負載和日照強度而變化， 蓄電池雖然對電池的電壓具有重要作用， 但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動， 特別是當蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大， 如１ ２ Ｖ蓄電池， 其端電壓可在１ ０ Ｖ ～ １ ６ Ｖ 之間變化， 這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。

４。在中、 大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應為失真度較小的正弦波。 這是由于在中、 大容量系統(tǒng)中， 若采用方波供電， 則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗， 許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載為通信或儀表設備， 這些設備對電網(wǎng)品質(zhì)有較高的要求， 當中、 大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，為避免與公共電網(wǎng)的電力污染， 也要求逆變器輸出正弦波電流。

??? 逆變器將直流電轉化為交流電，若直流電壓較低，則通過交流變壓器升壓，即得到標準交流電壓和頻率。對大容量的逆變器，由于直流母線電壓較高，交流輸出一般不需要變壓器升壓即能達到２２０Ｖ，在中、 小容量的逆變器中， 由于直流電壓較低， 如１ ２ Ｖ 、 ２ ４Ｖ，就必須設計升壓電路。中、小容量逆變器一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種，推挽電路，將升壓變壓器的中性插頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電力，由于功率晶體管共地邊接，驅動及控制電路簡單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點是變壓器利用率低，帶動感性負載的能力較差。
??? 全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點，功率晶體管調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有續(xù)流回路，即使對感性負載，輸出電壓波形也不會畸變。該電路的缺點是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專門驅動電路或采用隔離電源。另外，為防止上、下橋臂發(fā)生共同導通，必須設計先關斷后導通電路，即必須設置死區(qū)時間，其電路結構較復雜。

??? 推挽電路和全橋電路的輸出都必須加升壓變壓器，由于升壓變壓器體積大，效率低，價格也較貴，隨著電力電子技術和微電子技術的發(fā)展，采用高頻升壓變換技術實現(xiàn)逆變，可實現(xiàn)高功率密度逆變，這種逆變電路的前級升壓電路采用推挽結構，但工作頻率均在２０ＫＨｚ以上，升壓變壓器采用高頻磁芯材料，因而體積小、重量輕，高頻逆變后經(jīng)過高頻變壓器變成高頻交流電，又經(jīng)高頻整流濾波電路得到高壓直流電（一般均在３００Ｖ以上）再通過工頻逆變電路實現(xiàn)逆變。

??? 采用該電路結構，使逆變器功率大大提高，逆變器的空載損耗也相應降低，效率得到提高，該電路的缺點是電路復雜，可靠性比上述兩種電路低。

逆變電路的控制電路

??? 上述幾種逆變器的主電路均需要有控制電路來實現(xiàn)，一般有方波和正弱波兩種控制方式，方波輸出的逆變電源電路簡單，成本低，但效率低，諧波成份大。正弦波輸出是逆變器的發(fā)展趨勢，隨著微電子技術的發(fā)展，有ＰＷＭ功能的微處理器也已問世，因此正弦波輸出的逆變技術已經(jīng)成熟。

１。方波輸出的逆變器目前多采用脈寬調(diào)制集成電路， 如Ｓ Ｇ ３ ５２ ５，Ｔ Ｌ ４ ９ ４ 等。 實踐證明， 采用Ｓ Ｇ ３ ５ ２ ５ 集成電路， 并采用功率場效應管作為開關功率元件，能實現(xiàn)性能價格比較高的逆變器， 由于Ｓ Ｇ ３ ５ ２ ５ 具有直接驅動功率場效應管的能力并具有內(nèi)部基準源和運算放大器和欠壓保護功能，因此其外圍電路很簡單。

２。正弦波輸出的逆變器控制集成電路， 正弦波輸出的逆變器，其控制電路可采用微處理器控制， 如Ｉ Ｎ Ｔ Ｅ Ｌ 公司生產(chǎn)的８ ０ Ｃ １ ９ ６ Ｍ Ｃ 、 摩托羅拉公司生產(chǎn)的Ｍ Ｐ １ ６ 以及ＭＩ － Ｃ Ｒ Ｏ Ｃ Ｈ Ｉ Ｐ 公司生產(chǎn)的Ｐ Ｉ Ｃ １ ６ Ｃ ７ ３ 等， 這些單片機均具有多路Ｐ Ｗ Ｍ 發(fā)生器， 并可設定上、上橋臂之間的死區(qū)時間， 采用Ｉ Ｎ Ｔ Ｅ Ｌ 公司８ ０ Ｃ １ ９ ６ Ｍ Ｃ 實現(xiàn)正弦波輸出的電路， ８ ０ Ｃ １ ９ ６ Ｍ Ｃ完成正弦波信號的發(fā)生， 并檢測交流輸出電壓， 實現(xiàn)穩(wěn)壓。

逆變器主電路功率器件的選擇

??? 逆變器的主功率元件的選擇至關重要，目前使用較多的功率元件有達林頓功率晶體管（ＢＪＴ)，功率場效應管（ Ｍ Ｏ Ｓ － Ｆ ＥＴ)，絕緣柵晶體管（ Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ)和可關斷晶閘管（ Ｇ Ｔ Ｏ)等， 在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為Ｍ Ｏ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ，因為Ｍ ＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ 具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關頻率， 在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 模塊， 這是因為Ｍ Ｏ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大， 而Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢， 而在特大容量（ １ ０ ０ ｋ Ｖ Ａ 以上）系統(tǒng)中， 一般均采用Ｇ Ｔ Ｏ 作為功率元件。