光伏發電系統用逆變器的基本知識

?逆變器的概念
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????? 通常，把將交流電能變換成直流電能的過程稱為整流，把完成整流功能的電路稱為整流電路，把實現整流過程的裝置稱為整流設備或整流器。與之相對應，把將直流電能變換成交流電能的過程稱為逆變，把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實現逆變過程的裝置稱為逆變設備或逆變器。
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????? 現代逆變技術是研究逆變電路理論和應用的一門科學技術。它是建立在工業電子技術、半導體器件技術、現代控制技術、現代電力電子技術、半導體變流技術、脈寬調制（ＰＷＭ）技術等學科基礎之上的一門實用技術。它主要包括半導體功率集成器件及其應用、逆變電路和逆變控制技術３大部分。
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????? 逆變器的分類
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????? 逆變器的種類很多，可按照不同的方法進行分類。
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????? １．按逆變器輸出交流電能的頻率分，可分為工頻逆變器、中頻逆器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為５０～６０Ｈｚ的逆變器；中頻逆變器的頻率一般為４００Ｈｚ到十幾ｋＨｚ；高頻逆變器的頻率一般為十幾ｋＨｚ到ＭＨｚ。
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????? ２．按逆變器輸出的相數分，可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器。
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????? ３．按照逆變器輸出電能的去向分，可分為有源逆變器和無源逆變器。凡將逆變器輸出的電能向工業電網輸送的逆變器，稱為有源逆變器；凡將逆變器輸出的電能輸向某種用電負載的逆變器稱為無源逆變器。
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????? ４．按逆變器主電路的形式分，可分為單端式逆變器，推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。
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????? ５．按逆變器主開關器件的類型分，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場效應逆變器和絕緣柵雙極晶體管（ＩＧＢＴ）逆變器等。又可將其歸納為“半控型”逆變器和“全控制”逆變器兩大類。前者，不具備自關斷能力，元器件在導通后即失去控制作用，故稱之為“半控型”普通晶閘管即屬于這一類；后者，則具有自關斷能力，即無器件的導通和關斷均可由控制極加以控制，故稱之為“全控型”，電力場效應晶體管和絕緣柵雙權晶體管（ＩＧＢＴ）等均屬于這一類。
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????? ６．按直流電源分，可分為電壓源型逆變器（ＶＳＩ）和電流源型逆變器（ＣＳＩ）。前者，直流電壓近于恒定，輸出電壓為交變方波；后者，直流電流近于恒定，輸也電流為交變方波。
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????? ７．按逆變器輸出電壓或電流的波形分，可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。
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????? ８．按逆變器控制方式分，可分為調頻式（ＰＦＭ）逆變器和調脈寬式（ＰＷＭ）逆變器。
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????? ９．按逆變器開關電路工作方式分，可分為諧振式逆變器，定頻硬開關式逆變器和定頻軟開關式逆變器。
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????? １０．按逆變器換流方式分，可分為負載換流式逆變器和自換流式逆變器。
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????? 逆變器的基本結構
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????? 逆變器的直接功能是將直流電能變換成為交流電能，其示意圖如圖１所示。
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????? 逆變裝置的核心，是逆變開關電路，簡稱為逆變電路。該電路通過電力電子開關的導通與關斷，來完成逆變的功能。電力電子開關器件的通斷，需要一定的驅動脈沖，這些脈沖可能通過改變一個電壓信號來調節。產生和調節脈沖的電路。通常稱為控制電路或控制回路。逆變裝置的基本結構，除上述的逆變電路和控制電路外，還有保護電路、輸出電路、輸入電路、輸出電路等，如圖２所示。
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????? 逆變器的工作原理
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????? １．全控型逆變器工作原理：圖３所示，為通常使用的單相輸出的全橋逆變主電路，圖中，交流元件采用ＩＧＢＴ管Ｑ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４。并由ＰＷＭ脈寬調制控制ＩＧＢＴ管的導通或截止。
????? 當逆變器電路接上直流電源后，先由Ｑ１１、Ｑ１４導通，Ｑ１、Ｑ１３截止，則電流由直流電源正極輸出，經Ｑ１１、Ｌ或感、變壓器初級線圈圖１－２，到Ｑ１４回到電源負極。當Ｑ１１、Ｑ１４截止后，Ｑ１２、Ｑ１３導通，電流從電源正極經Ｑ１３、變壓器初級線圈２－１電感到Ｑ１２回到電源負極。此時，在變壓器初級線圈上，已形成正負交變方波，利用高頻ＰＷＭ控制，兩對ＩＧＢＴ管交替重復，在變壓器上產生交流電壓。由于ＬＣ交流濾波器作用，使輸出端形成正弦波交流電壓。
????? 當Ｑ１１、Ｑ１４關斷時，為了釋放儲存能量，在ＩＧＢＴ處并聯二級管Ｄ１１、Ｄ１２，使能量返回到直流電源中去。
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????? ２．半控型逆變器工作原理：半控型逆變器采用晶閘管元件。改進型并聯逆變器的主電路如圖４所示。圖中，Ｔｈ１、Ｔｈ２為交替工作的晶閘管，設Ｔｈ１先觸發導通，則電流通過變壓器流經Ｔｈ１，同時由于變壓器的感應作用，換向電容器Ｃ被充電到大的２倍的電源電壓。按著Ｔｈ２被觸發導通，因Ｔｈ２的陽極加反向偏壓，Ｔｈ１截止，返回阻斷狀態。這樣，Ｔｈ１與Ｔｈ２換流，然后電容器Ｃ又反極性充電。如此交替觸發晶閘管，電流交替流向變壓器的初級，在變壓器的次級得到交流電。
????? 在電路中，電感Ｌ可以限制換向電容Ｃ的放電電流，延長放電時間，保證電路關斷時間大于晶閘管的關斷時間，而不需容量很大的電容器。Ｄ１和Ｄ２是２只反饋二極管，可將電感Ｌ中的能量釋放，將換向剩余的能量送回電源，完成能量的反饋作用。
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????? 逆變器的主要技術性能及評價選用
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????? 技術性能
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????? 表征逆變器性能的基本參數與技術條件內容很多，下面僅就評價時常用的參數做一簡要說明。
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????? １．額定輸出電壓
????? 在規定的輸入直流電壓允許的波動范圍內，它表示逆變器應能輸出的額定電壓值。對輸出額定電壓值的穩定準確度一般有如下規定：
????? （１）在穩態運行時，電壓波動范圍應有一個限定，例如其偏差不超過額定值的±３％或±５％。
????? （２）在負載突變（額定負載０％→５０％→１００％）或有其他干擾因素影響的動態情況下，其輸出電壓偏差不應超過額定值的±８％或±１０％。
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????? ２．輸出電壓的不平衡度
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????? 在正常工作條件下，逆變器輸出的三相電壓不平衡度（逆序分量對正序分量之比）應不超過一個規定值，一般以％表示，如５％或８％。
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????? ３．輸出電壓的波形失真度
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????? 當逆變器輸出電壓為正弦度時，應規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，其值不應超過５％（單相輸出允許１０％）。
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????? ４．額定輸出頻率
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????? 逆變器輸出交流電壓的頻率應是一個相對穩定的值，通常為工頻５０Ｈｚ。正常工作條件下其偏差應在±１％以內。
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????? ５．負載功率因數
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????? 表征逆變器帶感性負載或容性負載的能力。在正弦波條件下，負載功率因數為０．７～０．９（滯后），額定值為０．９。
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????? ６．額定輸出電流（或額定輸出容量）
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????? 表示在規定的負載功率因數范圍內逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產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。
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????? ７．額定輸出效率
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????? 逆變器的效率是在規定的工作條件下，其輸出功率對輸入功率之比，以％表示。逆變器在額定輸出容量下的效率為滿負荷效率，在１０％額定輸出容量的效率為低負荷效率。
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????? ８．保護
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????? （１）過電壓保護：對于沒電壓穩定措施的逆變器，應有輸出過電壓防護措施，以使負截免受輸出過電壓的損害。
????? （２）過電流保護：逆變器的過電流保護，應能保證在負載發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。
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????? ９．起動特性
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????? 表征逆變器帶負載起動的能力和動態工作時的性能。逆變器應保證在額定負載下可靠起動。
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????? １０．噪聲
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????? 電力電子設備中的變壓器、濾波電感、電磁開關及風扇等部件均會產生噪聲。逆變器正常運行時，其噪聲應不超過８０ｄＢ，小型逆變器的噪聲應不超過６５ｄＢ。
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????? 逆變器的主要技術性能及評價選用
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????? 評價
????? 為正確選用光伏發電系統用的逆變器，應對逆變器的技術性能進行評價。根據逆變器對離網型主要光伏發電系統運行特性的影響和光伏發電系統對逆變器性能的要求，評價內容有如下幾項：
????? １．額定輸出容量
????? 表征逆變器向負載供電的能力。額定輸出容量值高的逆變器可帶更多的用電負載。但當逆變器的負載不是純阻性時，也就是輸出功率小于１時，逆變器的負載能力將小于所給出的額定輸出容量值。
????? ２．輸出電壓穩定度
????? 表征逆變器輸出電壓的穩壓能力。多數逆變器產品給出的是輸入直流電壓在允許波動范圍內該逆變器輸出電壓的偏差％，通常稱為電壓調整率。高性能的逆變器應同時給出當負載由０％→１００％變化時，該逆變器輸出電壓的偏差％，通常稱為負載調整率。性能良好的逆變器的電壓調整率應≤±３％，負載調整率應≤±６％。
????? ３．整機效率
????? 表征逆變器自身功率損耗的大小，通常以％表示。容量較大的逆變器還應給出滿負荷效率值和低負荷效率值。ｋＷ級以下逆變器的效率應為８０％～８５％，１０ｋＷ級逆變器的效率應為８５％～９０％。逆變器效率的高低對光伏發電系統提高有效發電量和降低發電成本有重要影響。
????? ４．保護功能
????? 過電壓、過電流及短路保護是保證逆變器安全運行的最基本措施。功能完美的正弦波逆變器還具有欠電壓保護、缺相保護及溫度越限報警等功能。
????? ５．起動性能
????? 逆變器應保證在額定負載下可靠起動。高性能的逆變器可做到連續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，有時采用軟起動或限流起動。
????? 對于大功率光伏發電系統和聯網型光伏發電系統逆變器的波形失真度和噪聲水平等技術性能也十分重要。
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????? 在選用離網型光伏發電系統用的逆變器時，除依據上述５項基本評價內容外，還應注意以下幾點：
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????? （１）應具有足夠的額定輸出容量和負載能力。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備對電功率的要求。對于以單一設備為負載的逆變器，其額定容量的選取較為簡單，當用電設備為純阻性負載或功率因數大于０．９時，選取逆變器的額定容量為電設備容量的１．１～１．１５倍即可。在逆變器以多個設備為負載時，逆變器容量的選取要考慮幾個用電設備同時工作的可能性，即“負載同時系數”。
????? （２）應具有較高的電壓穩定性能。在離網型光伏發電系統中均以蓄電池為儲能設備。當標稱電壓為１２Ｖ的蓄電池處于浮充電狀態時，端電壓可達１３．５Ｖ，短時間過充電狀態可達１５Ｖ。蓄電池帶負荷放電終了時端電壓可降至１０．５Ｖ或更低。蓄電池端電壓的起伏可達標稱電壓的３０％左右。這就要求逆變器具有較好的調壓性能，才能保證光伏發電系統以穩定的交流電壓供電。
????? （３）在各種負載下具有高效率或較高效率。整機效率高是光伏發電用逆變器區別于通用型逆變器的一個顯著特點。１０ｋＷ級的通用型逆變器實際效率只有７０％～８０％，將其用于光伏發電系統時將帶來總發電量２０％～３０％的電能損耗。因此光伏發電系統專用逆變器在設計中應特別注意減少自身功率損耗，提高整機效率。因此這是提高光伏發電系統技術經濟指標的一項重要措施。在整機效率方面對光伏發電專用逆變器的要求是：ｋＷ級以下逆變器額定負荷效率 ≥８０％～８５％，低負荷效率≥６５％～７５％；１０ｋＷ級逆變器額定負荷效率≥８５％～９０％，低負荷效率≥７０％～８０％。
????? （４）應具有良好的過電流保護與短路保護功能。光伏發電系統正常運行過程中，因負載故障、人員誤操作及外界干擾等原因而引起的供電系統過電流或短路，是完全可能的。逆變器對外電路的過電電流及短路現象最為敏感，是光伏發電系統中的薄弱環節。因此，在選用逆變器時，必須要求具備有良好的對過電流及短路的自我保護功能。
????? （５）維護方便。高質量的逆變器在運行若干年后，因元器件失效而出現故障，應屬于正常現象。除生產廠家需有良好的售后服務系統外，還要求生產廠家在逆變器生產工藝、結構及元器件選型方面具有良好的可維護性。例如，損壞元器件有充足的備件或容易買到，元器件的互換性好；在工藝結構上，元器件容易拆裝，更換方便。這樣，即使逆變器出現故障，也可迅速恢復正常。
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????? 光伏發電系統逆變器的操作使用與維護檢修
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????? 操作使用
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????? １．嚴格按照逆變器使用維護說明書的要求進行設備的連接和安裝。在安裝時，應認真檢查：線徑是否符合要求；各部件及端子在運輸中有否松動；應絕緣處是否絕緣良好；系統的接地是否符合規定。
????? ２．應嚴格按照逆變器使用維護說明書的規定操作使用。尤其是：在開機前要注意輸入電壓是否正常；在操作時要注意開關機的順序是否正確，各表頭和指示燈的指示是否正常。
????? ３．逆變器一般均有斷路、過電流、過電壓、過熱等項目的自動保護，因此在發生這些現象時，無需人工停機；自動保護的保護點，一般在出廠時已設定好，無需再行調整。
????? ４．逆變器機柜內有高壓，操作人員一般不得打開柜門，柜門平時應鎖死。
????? ５．在室溫超過３０℃時，應采取散熱降溫措施，以防止設備發生故障，延長設備使用壽命。
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????? 維護檢修
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????? １．應定期檢查逆變器各部分的接線是否牢固，有無松動現象，尤其應認真檢查風扇、功率模塊、輸入端子、輸出端子以及接地等。
????? ２．一旦報警停機，不準馬上開機，應查明原因并修復后再行開機，檢查應嚴格按逆變器維護手冊的規定步驟進行。
????? ３．操作人員必須經過專門培訓，能夠判斷一般故障的產生原因，并能進行排除，例如能熟練地更換保險絲、組件以及損壞的電路板等。未經培訓的人員，不得上崗操作使用設備。
????? ４．如發生不易排除的事故或事故的原因不清，應做好事故詳細記錄，并及時通知生產工廠給予解決。