光伏逆變器的結(jié)構(gòu)原理及其分類(lèi)

　　逆變器又稱(chēng)電源調(diào)整器，根據(jù)逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的用途可分為獨(dú)立型電源用和并網(wǎng)用二種。根據(jù)波形調(diào)制方式又可分為方波逆變器、階梯波逆變器、正弦波逆變器和組合式三相逆變器。對(duì)于用于并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器，根據(jù)有無(wú)變壓器又可分為變壓器型逆變器和無(wú)變變壓器型逆變器。

　　通常，把將交流電能變換成直流電能的過(guò)程稱(chēng)為整流，把完成整流功能的電路稱(chēng)為整流電路，把實(shí)現(xiàn)整流過(guò)程的裝置稱(chēng)為整流設(shè)備或整流器。與之相對(duì)應(yīng)，把將直流電能變換成交流電能的過(guò)程稱(chēng)為逆變，把完成逆變功能的電路稱(chēng)為逆變電路，把實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程的裝置稱(chēng)為逆變?cè)O(shè)備或逆變器。如上所述，逆變器有多種類(lèi)型，因此在選擇機(jī)種和容量時(shí)需特別注意。尤其在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器效率的高低是決定太陽(yáng)能電池容量和蓄電池容量大小的重要因素。。

　　光伏逆變器工作原理

　　逆變器是一種由半導(dǎo)體器件組成的電力調(diào)整裝置，主要用于把直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力。一般由升壓回路和逆變橋式回路構(gòu)成。升壓回路把太陽(yáng)電池的直流電壓升壓到逆變器輸出控制所需的直流電壓;逆變橋式回路則把升壓后的直流電壓等價(jià)地轉(zhuǎn)換成常用頻率的交流電壓。逆變器主要由晶體管等開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成，通過(guò)有規(guī)則地讓開(kāi)關(guān)元件重復(fù)開(kāi)-關(guān)（ON-OFF），使直流輸入變成交流輸出。當(dāng)然，這樣單純地由開(kāi)和關(guān)回路產(chǎn)生的逆變器輸出波形并不實(shí)用。一般需要采用高頻脈寬調(diào)制（SPWM），使靠近正弦波兩端的電壓寬度變狹，正弦波中央的電壓寬度變寬，并在半周期內(nèi)始終讓開(kāi)關(guān)元件按一定頻率朝一方向動(dòng)作，這樣形成一個(gè)脈沖波列（擬正弦波）。然后讓脈沖波通過(guò)簡(jiǎn)單的濾波器形成正弦波。

　　光伏逆變器的元件構(gòu)成

　　1、電流傳感器

　　光伏逆變器一般采用霍爾電流傳感器來(lái)進(jìn)行電流采樣，從小功率到大功率所采用的電流傳感器形式不一，列舉一些例子如下：

　　100KW：檢測(cè)電流是300A左右，一般都會(huì)采用JCE308-TS7電流傳感器

　　250KW：檢測(cè)電流是500A左右，一般都會(huì)采用JCE508-TS6電流傳感器

　　500KW：檢測(cè)電流是1000A左右，一般會(huì)采用JCE1005-FS電流傳感器

　　1MW：檢測(cè)電流是2000A左右，一般會(huì)采用JCE2005-FS電流傳感器

　　對(duì)于電流傳感器要求精度高、響應(yīng)時(shí)間快，而且耐低溫、高溫等環(huán)境要求

　　2、電流互感器

　　一般采用BRS系列電流互感器，從幾百到幾千A不等，輸出信號(hào)一般采用0-5A為標(biāo)準(zhǔn)

　　3、電抗器

　　光伏逆變器的分類(lèi)

　　光伏逆變器有多種不同的分類(lèi)方式，根據(jù)用途的不同可分為獨(dú)立型電源用逆變器和獨(dú)立型并網(wǎng)用逆變器（根據(jù)變壓器的有無(wú)，獨(dú)立型并網(wǎng)用逆變器還可分為變壓器型逆變器和無(wú)變壓器型逆變器）。根據(jù)波形調(diào)制方式的不同可分為方波型逆變器、階梯型逆變器、正弦波型逆變器和組合型三相逆變器。

　　1.方波逆變器

　　此逆變器輸出的電壓波形為方波，逆變器線路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，實(shí)現(xiàn)較為容易。缺點(diǎn)是方波電壓中含有大量的高次諧波成分，在負(fù)載中會(huì)產(chǎn)生附加的損耗，并對(duì)通信等設(shè)備產(chǎn)生較大的干擾，需要外加額外的濾波器。此類(lèi)逆變器多見(jiàn)于早期，設(shè)計(jì)功率不超過(guò)幾百瓦的小容量逆變器。

　　2.階梯波逆變器

　　階梯波逆變器輸出的電壓波形為階梯波形，階梯波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形接近正弦波，比方波有明顯的改善，高次諧波含量減少。當(dāng)階梯波的階梯達(dá)到16個(gè)以上f付，輸出的波形為準(zhǔn)正弦波，整機(jī)效率較高。但此逆變器往往需要多組直流電源供電，需要的功率開(kāi)關(guān)管也較多，給光伏陣列分組和蓄電池分組帶來(lái)不便。

　　3.正弦波PWM逆變器

　　正弦波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形基本為正弦波，在負(fù)載中只有很少的諧波損耗，對(duì)通信設(shè)備干擾小，整機(jī)效率高。缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格高。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，脈寬調(diào)制技術(shù)的普及，大容量PWM型正弦波逆變器逐漸成為逆變器的主流產(chǎn)品。以典型的單相全橋式逆變器為例，四個(gè)對(duì)角的開(kāi)關(guān)功率管以每個(gè)對(duì)角線的二個(gè)開(kāi)關(guān)管為一組，依次導(dǎo)通和關(guān)斷，在負(fù)載二端就產(chǎn)生交替的正負(fù)電壓，形成交流輸出。當(dāng)此交替導(dǎo)通的頻率與負(fù)載所需的交流頻率相同時(shí)，其輸出的電壓就為方波電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)管以比逆變交流輸出電壓高許多的頻率開(kāi)關(guān)，且每次開(kāi)關(guān)的脈寬按照正弦波的幅值調(diào)制時(shí)，就變成了正弦波脈寬調(diào)制輸出的逆變器，加濾波器后其輸出的電壓波形就是正弦波輸出逆變器。

　　PWM型逆變器廣泛使用功率場(chǎng)效應(yīng)管（Power MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管

　?。?a target="_blank">IGBT）、可關(guān)斷型晶閘管（GTO）等作為開(kāi)關(guān)管，而控制部分使用專(zhuān)用型PWM開(kāi)關(guān)集成電路以及帶有PWM輸出的DSP和單片機(jī)芯片。構(gòu)成一臺(tái)實(shí)用型逆變器需要主功率電路、控制電路和輔助電路（如保護(hù)、測(cè)量和監(jiān)控等）。其逆變過(guò)程為：光伏陣列或蓄電池輸出的直流電進(jìn)人逆變器直流母線，經(jīng)開(kāi)關(guān)電路（如橋式電路）將直流電變成正反方向輸出的、脈寬為正弦調(diào)制的交流脈沖波，此脈寬調(diào)制的交流電壓經(jīng)濾波電路變成正弦交流電壓輸出，如需要升壓則外接升壓變壓器，再經(jīng)輸電線路將交流電力送往負(fù)載。PWM調(diào)制輸出信號(hào)頻率稱(chēng)作逆變器的調(diào)制頻率或開(kāi)關(guān)頻率，它一般是逆變器輸出交流基波頻率的十幾倍、幾十倍到上百倍。典型的逆變器交流輸出頻率為50Hz，逆變器開(kāi)關(guān)頻率可以?xún)喊俚絻菏Ш?。PWM調(diào)制的開(kāi)關(guān)頻率愈高，則逆變器輸出波形諧波愈小，但開(kāi)關(guān)過(guò)程帶來(lái)的功率損耗則愈大，要權(quán)衡選取開(kāi)關(guān)管PWM調(diào)制的開(kāi)關(guān)頻率。

　　逆變器輸出所接的濾波器通常為低通濾波器，由電感器和電容器構(gòu)成T型低通濾波形式。濾波器的設(shè)計(jì)要考慮濾波能力也要考慮可能帶來(lái)的電磁諧振。逆變器按輸出類(lèi)型，又分為電壓型逆變器和電流型逆變器。

　　4.變頗器

　　變頻器是由三相整流器、電壓源的無(wú)源逆變器和控制器構(gòu)成，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電力為直流的特殊性，光伏變頻器不需要三相整流器，而直接將變頻器的直流母線接到光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流母線上。鑒于光伏電力受光照的自然環(huán)境影響較大，直流母線一般要加蓄電池來(lái)穩(wěn)定變頻器的運(yùn)行;在變頻器控制端子要加弱電控制信號(hào)，不停地調(diào)節(jié)變頻器的設(shè)定頻率，改變變頻器輸出功率，以達(dá)到與光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤的目的。變頻器作為可調(diào)節(jié)性負(fù)載要與光伏陣列的MPPT聯(lián)合控制，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)類(lèi)動(dòng)力性負(fù)荷盡量配合使用變頻器，以減少電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的沖擊，并可以靈活調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷。

　　逆變器作為光伏發(fā)電的重要組成部分，主要的作用是將光伏組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)變成交流電。目前，市面上常見(jiàn)的逆變器主要分為集中式逆變器與組串式逆變器，還有新潮的集散式逆變器。

　　1、集中式逆變器

　　集中式逆變器顧名思義是將光伏組件產(chǎn)生的直流電匯總轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姾筮M(jìn)行升壓、并網(wǎng)。因此，逆變器的功率都相對(duì)較大。光伏電站中一般采用500kW以上的集中式逆變器。

　　集中式逆變器的優(yōu)點(diǎn)如下：

　　（1）功率大，數(shù)量少，便于管理；元器件少，穩(wěn)定性好，便于維護(hù)；

　　（2）諧波含量少，電能質(zhì)量高；保護(hù)功能齊全，安全性高；

　?。?）有功率因素調(diào)節(jié)功能和低電壓穿越功能，電網(wǎng)調(diào)節(jié)性好。

　　集中式逆變器存在如下問(wèn)題：

　?。?）集中式逆變器MPPT電壓范圍較窄，不能監(jiān)控到每一路組件的運(yùn)行情況，因此不可能使每一路組件都處于最佳工作點(diǎn)，組件配置不靈活；

　　（2）集中式逆變器占地面積大，需要專(zhuān)用的機(jī)房，安裝不靈活；

　?。?）自身耗電以及機(jī)房通風(fēng)散熱耗電量大。

　　2、組串式逆變器

　　組串式逆變器顧名思義是將光伏組件產(chǎn)生的直流電直接轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妳R總后升壓、并網(wǎng)。因此，逆變器的功率都相對(duì)較小。光伏電站中一般采用50kW以下的組串式逆變器。

　　組串式逆變器優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）不受組串間模塊差異，和陰影遮擋的影響，同時(shí)減少光伏電池組件最佳工作點(diǎn)與逆變器不匹配的情況，最大程度增加了發(fā)電量；

　?。?）MPPT電壓范圍寬，組件配置更加靈活；在陰雨天，霧氣多的部區(qū)，發(fā)電時(shí)間長(zhǎng)；

　?。?）體積較小，占地面積小，無(wú)需專(zhuān)用機(jī)房，安裝靈活；

　?。?）自耗電低、故障影響小。

　　組串式逆變器存在問(wèn)題：

　?。?）功率器件電氣間隙小，不適合高海拔地區(qū)；元器件較多，集成在一起，穩(wěn)定性稍差；

　　（2）戶(hù)外型安裝，風(fēng)吹日曬很容易導(dǎo)致外殼和散熱片老化；

　?。?）逆變器數(shù)量多，總故障率會(huì)升高，系統(tǒng)監(jiān)控難度大；

　?。?）不帶隔離變壓器設(shè)計(jì)，電氣安全性稍差，不適合薄膜組件負(fù)極接地系統(tǒng)。

　　3、集散式逆變器

　　集散式逆變器是近兩年來(lái)新提出的一種逆變器形式，其主要特點(diǎn)是“集中逆變”和“分散MPPT跟蹤”。集散式逆變器是聚集了集中式逆變器和組串式逆變器兩種逆變器優(yōu)點(diǎn)的產(chǎn)物，達(dá)到了“集中式逆變器的低成本，組串式逆變器的高發(fā)電量”。

　　集散式逆變器優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）與集中式對(duì)比，“分散MPPT跟蹤”減小了失配的幾率，提升了發(fā)電量；

　?。?）與集中式及組串式對(duì)比，集散式逆變器具有升壓功能，降低了線損；

　?。?）與組串式對(duì)比，“集中逆變”在建設(shè)成本方面更具優(yōu)勢(shì)。

　　集散式逆變器問(wèn)題；

　?。?）工程經(jīng)驗(yàn)少。較前兩類(lèi)而言，尚屬新形式，在工程項(xiàng)目方面的應(yīng)用相對(duì)較少；

　　（2）安全性、穩(wěn)定性以及高發(fā)電量等特性還需要經(jīng)歷工程項(xiàng)目的檢驗(yàn)；

　?。?）因?yàn)椴捎谩凹心孀儭保虼?，占地面積大，需專(zhuān)用機(jī)房的缺點(diǎn)也存在于集散式逆變器中。