光伏逆變器的原理和選型技巧

一、工作原理及特點(diǎn)

工作原理逆變裝置的核心，是逆變開關(guān)電路，簡(jiǎn)稱為逆變電路。該電路通過電力電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，來完成逆變的功能。

特點(diǎn)

（1）要求具有較高的效率。

由于目前太陽(yáng)能電池的價(jià)格偏高，為了最大限度的利用太陽(yáng)能電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。

（2）要求具有較高的可靠性。

目前光伏電站系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無人值守和維護(hù)，這就要求逆變器有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具 備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)、交流輸出短路保護(hù)、過熱、過載保護(hù)等。

（3）要求輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍。

由于太陽(yáng)能電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度變化而變化。特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大，如12V的蓄電池，其端電壓可能在 10V～16V之間變化，這就要求逆變器在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作。

二、光伏逆變器分類

有關(guān)逆變器分類的方法很多，例如根據(jù)逆變器輸出交流電壓的相數(shù)，可分為單相逆變器和三相逆變器；根據(jù)逆變器使用的半導(dǎo)體器件類型不同，又可分為晶體管逆變器、晶閘管逆變器及可關(guān)斷晶閘管逆變器等。根據(jù)逆變器線路原理的不同，還可分為自激振蕩型逆變器、階梯波疊加型逆變器和脈寬調(diào)制型逆變器等。根據(jù)應(yīng)用在并網(wǎng)系統(tǒng)還是離網(wǎng)系統(tǒng)中又可以分為并網(wǎng)逆變器和離網(wǎng)逆變器。為了便于光電用戶選用逆變器，這里僅以逆變器適用場(chǎng)合的不同進(jìn)行分類。

1、集中型逆變器

集中逆變技術(shù)是若干個(gè)并行的光伏組串被連到同一臺(tái)集中逆變器的直流輸入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模塊，功率較小的使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管，同時(shí)使用DSP轉(zhuǎn)換控制器來改善所產(chǎn)出電能的質(zhì)量，使它非常接近于正弦波電流，一般用于大型光伏發(fā)電站（＞10kW）的系統(tǒng)中。最大特點(diǎn)是系統(tǒng)的功率高，成本低，但由于不同光伏組串的輸出電壓、電流往往不完全匹配（特別是光伏組串因多云、樹蔭、污漬等原因被部分遮擋時(shí)），采用集中逆變的 方式會(huì)導(dǎo)致逆變過程的效率降低和電戶能的下降。同時(shí)整個(gè)光伏系統(tǒng)的發(fā)電可靠性受某一光伏單元組工作狀態(tài)不 良的影響。最新的研究方向是運(yùn)用空間矢量的調(diào)制控制以及開發(fā)新的逆變器的拓?fù)溥B接，以獲得部分負(fù)載情況下的高效率。

2、組串型逆變器

組串逆變器是基于模塊化概念基礎(chǔ)上的，每個(gè)光伏組串（1－5kw）通過一個(gè)逆變器，在直流端具有最大功率峰值跟蹤，在交流端并聯(lián)并網(wǎng)，已成為現(xiàn)在國(guó)際市場(chǎng)上最流行的逆變器。

許多大型光伏電廠使用組串逆變器。優(yōu)點(diǎn)是不受組串間模塊差異和遮影的影響，同時(shí)減少了光伏組件最佳工作點(diǎn)與逆變器不匹配的情況，從而增加了發(fā)電量。技術(shù)上的這些優(yōu)勢(shì)不僅降低了系統(tǒng)成本，也增加了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，在組串間引人”主－從”的概念，使得系統(tǒng)在單串電能不能使單個(gè)逆變器工作的情況下，將幾組光伏組串聯(lián)系在一起，讓其中一個(gè)或幾個(gè)工作，從而產(chǎn)出更多的電能。

3、微型逆變器

在傳統(tǒng)的PV系統(tǒng)中，每一路組串型逆變器的直流輸入端，會(huì)由10塊左右光伏電池板串聯(lián)接入。當(dāng)10塊串聯(lián)的 電池板中，若有一塊不能良好工作，則這一串都會(huì)受到影響。若逆變器多路輸入使用同一個(gè)MPPT，那么各路輸入 也都會(huì)受到影響，大幅降低發(fā)電效率。在實(shí)際應(yīng)用中，云彩，樹木，煙囪，動(dòng)物，灰塵，冰雪等各種遮擋因素都會(huì)引起上述因素，情況非常普遍。而在微型逆變器的PV系統(tǒng)中，每一塊電池板分別接入一臺(tái)微型逆變器，當(dāng)電池 板中有一塊不能良好工作，則只有這一塊都會(huì)受到影響。其他光伏板都將在最佳工作狀態(tài)運(yùn)行，使得系統(tǒng)總體效率更高，發(fā)電量更大。在實(shí)際應(yīng)用中，若組串型逆變器出現(xiàn)故障，則會(huì)引起幾千瓦的電池板不能發(fā)揮作用，而微 型逆變器故障造成的影響相當(dāng)之小。

4、功率優(yōu)化器

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)加裝功率優(yōu)化器（OptimizEr）可大幅提升轉(zhuǎn)換效率，并將逆變器（Inverter）功能化繁為簡(jiǎn)降低 成本。為實(shí)現(xiàn)智慧型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，裝置功率優(yōu)化器可確實(shí)讓每一個(gè)太陽(yáng)能電池發(fā)揮最佳效能，并隨時(shí)監(jiān)控電池耗損狀態(tài)。功率優(yōu)化器是介于發(fā)電系統(tǒng)與逆變器之間的裝置，主要任務(wù)是替代逆變器原本的最佳功率點(diǎn)追蹤功 能。功率優(yōu)化器藉由將線路簡(jiǎn)化以及單一太陽(yáng)能電池即對(duì)應(yīng)一個(gè)功率優(yōu)化器等方式，以類比式進(jìn)行極為快速的最佳功率點(diǎn)追蹤掃描，進(jìn)而讓每一個(gè)太陽(yáng)能電池皆可確實(shí)達(dá)到最佳功率點(diǎn)追蹤，除此之外，還能藉置入通訊晶片隨 時(shí)隨地監(jiān)控電池狀態(tài)，即時(shí)回報(bào)問題讓相關(guān)人員盡速維修。

三、光伏逆變器的功能

逆變器不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。歸納起來有自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能、最大功率跟蹤控制功能、防單獨(dú)運(yùn)行功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、自動(dòng)電壓調(diào)整功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流檢測(cè)功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流接地檢測(cè)功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）。這里簡(jiǎn)單介紹自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能及最大功率跟蹤控制功能。

（1）自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能

早晨日出后，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，太陽(yáng)電池的輸出也隨之增大，當(dāng)達(dá)到逆變器工作所需的輸出功率后，逆變器即自動(dòng)開始運(yùn)行。進(jìn)入運(yùn)行后，逆變器便時(shí)時(shí)刻刻監(jiān)視太陽(yáng)電池組件的輸出，只要太陽(yáng)電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率，逆變器就持續(xù)運(yùn)行；直到日落停機(jī)，即使陰雨天逆變器也能運(yùn)行。當(dāng)太陽(yáng)電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時(shí)，逆變器便形成待機(jī)狀態(tài)。

（2）最大功率跟蹤控制功能

太陽(yáng)電池組件的輸出是隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和太陽(yáng)電池組件自身溫度（芯片溫度）而變化的。另外由于太陽(yáng)電池組件具有電壓隨電流增大而下降的特性，因此存在能獲取最大功率的最佳工作點(diǎn)。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是變化著的，顯然最佳工作點(diǎn)也是在變化的。相對(duì)于這些變化，始終讓太陽(yáng)電池組件的工作點(diǎn)處于最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)始終從太陽(yáng)電池組件獲取最大功率輸出，這種控制就是最大功率跟蹤控制。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器的最大特點(diǎn)就是包括了最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）這一功能。

四、光伏逆變器的主要技術(shù)指標(biāo)

1．輸出電壓的穩(wěn)定度

在光伏系統(tǒng)中，太陽(yáng)電池發(fā)出的電能先由蓄電池儲(chǔ)存起來，然后經(jīng)過逆變器逆變成220V或380V的交流電。但是蓄電池受自身充放電的影響，其輸出電壓的變化范圍較大，如標(biāo)稱12V的蓄電池，其電壓值可在10．8～14．4V之間變動(dòng)（超出這個(gè)范圍可能對(duì)蓄電池造成損壞）。對(duì)于一個(gè)合格的逆變器，輸入端電壓在這個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí)，其穩(wěn)態(tài)輸出電壓的變化量應(yīng)不超過額定值的＆Plusmn；5％，同時(shí)當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，其輸出電壓偏差不應(yīng)超過額定值的±10％。

2．輸出電壓的波形失真度

對(duì)正弦波逆變器，應(yīng)規(guī)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，其值應(yīng)不超過5％（單相輸出允許l0％）。由于逆變器輸出的高次諧波電流會(huì)在感性負(fù)載上產(chǎn)生渦流等附加損耗，如果逆變器波形失真度過大，會(huì)導(dǎo)致負(fù)載部件嚴(yán)重發(fā)熱，不利于電氣設(shè)備的安全，并且嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3．額定輸出頻率

對(duì)于包含電機(jī)之類的負(fù)載，如洗衣機(jī)、電冰箱等，由于其電機(jī)最佳頻率工作點(diǎn)為50Hz，頻率過高或者過低都會(huì)造成設(shè)備發(fā)熱，降低系統(tǒng)運(yùn)行效率和使用壽命，所以逆變器的輸出頻率應(yīng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，通常為工頻50Hz，正常工作條件下其偏差應(yīng)在＆Plusmn；l％以內(nèi)。

4．負(fù)載功率因數(shù)

表征逆變器帶感性負(fù)載或容性負(fù)載的能力。正弦波逆變器的負(fù)載功率因數(shù)為0．7～0．9，額定值為0．9。在負(fù)載功率一定的情況下，如果逆變器的功率因數(shù)較低，則所需逆變器的容量就要增大，一方面造成成本增加，同時(shí)光伏系統(tǒng)交流回路的視在功率增大，回路電流增大，損耗必然增加，系統(tǒng)效率也會(huì)降低。

5．逆變器效率

逆變器的效率是指在規(guī)定的工作條件下，其輸出功率與輸入功率之比，以百分?jǐn)?shù)表示，一般情況下，光伏逆變器的標(biāo)稱效率是指純阻負(fù)載，80％負(fù)載情況下的效率。由于光伏系統(tǒng)總體成本較高， 因此應(yīng)該最大限度地提高光伏逆變器的效率，降低系統(tǒng)成本，提高光伏系統(tǒng)的性價(jià)比。目前主流逆變器標(biāo)稱效率在80％～95％之間，對(duì)小功率逆變器要求其效率不低于85％。在光伏系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，不但要選擇高效率的逆變器，同時(shí)還應(yīng)通過系統(tǒng)合理配置，盡量使光伏系統(tǒng)負(fù)載工作在最佳效率點(diǎn)附近。

6、額定輸出電流（或額定輸出容量）

表示在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)范圍內(nèi)逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產(chǎn)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(dāng)輸出功率因數(shù)為1（即純阻性負(fù)載）時(shí)，額定輸出電壓為額定輸出電流的乘積。

7、保護(hù)措施

一款性能優(yōu)良的逆變器，還應(yīng)具備完備的保護(hù)功能或措施，以應(yīng)對(duì)在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的各種異常情況，使逆變器本身及系統(tǒng)其他部件免受損傷。

（1）輸入欠壓保戶

當(dāng)輸入端電壓低于額定電壓的85％時(shí)，逆變器應(yīng)有保護(hù)和顯示。

（2）輸入過壓保戶

當(dāng)輸入端電壓高于額定電壓的130％時(shí)，逆變器應(yīng)有保護(hù)和顯示。

（3）過電流保護(hù)

逆變器的過電流保護(hù)，應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流超過允許值時(shí)及時(shí)動(dòng)作，使其免受浪涌電流的損傷。當(dāng)工作電流超過額定的150％時(shí)，逆變器應(yīng)能自動(dòng)保護(hù)。

（4）輸出短路保戶

逆變器短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)不超過0．5s。

（5）輸入反接保護(hù)

當(dāng)輸入端正、負(fù)極接反時(shí)，逆變器應(yīng)有防護(hù)功能和顯示。

（6）防雷保護(hù)

逆變器應(yīng)有防雷保護(hù)。

（7）過溫保護(hù)等

另外，對(duì)無電壓穩(wěn)定措施的逆變器，逆變器還應(yīng)有輸出過電壓防護(hù)措施，以使負(fù)載免受過電壓的損害。

8．起動(dòng)特性

表征逆變器帶負(fù)載起動(dòng)的能力和動(dòng)態(tài)工作時(shí)的性能。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(dòng)。

9．噪聲

電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開關(guān)及風(fēng)扇等部件均會(huì)產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運(yùn)行時(shí)，其噪聲應(yīng)不超過80dB，小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過65dB。

五、選型技巧

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(fù)荷下設(shè)備對(duì)電功率的要求。對(duì)于以單一設(shè)備為負(fù)載的逆變器，其額定容量的選取較為簡(jiǎn)單。

當(dāng)用電設(shè)備為純阻性負(fù)載或功率因數(shù)大于0．9時(shí)，選取逆變器的額定容量為用電設(shè)備容量的1．1～1．15倍即可。同時(shí)逆變器還應(yīng)具有抗容性和感性負(fù)載沖擊的能力。

對(duì)一般電感性負(fù)載，如電機(jī)、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、大功率水泵等，在起動(dòng)時(shí)，其瞬時(shí)功率可能是其額定功率的5～6倍，此時(shí)，逆變器將承受很大的瞬時(shí)浪涌。針對(duì)此類系統(tǒng)，逆變器的額定容量應(yīng)留有充分的余量，以保證負(fù)載能可靠起動(dòng)，高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿負(fù)荷起動(dòng)而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全，有時(shí)需采用軟起動(dòng)或限流起動(dòng)的方式。

六、安裝注意事項(xiàng)及維護(hù)

1、在安裝前首先應(yīng)該檢查逆變器是否在運(yùn)輸過程中有無損壞。

2、在選擇安裝場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)該保證周圍內(nèi)沒有任何其他電力電子設(shè)備的干擾。

3、在進(jìn)行電氣連接之前，務(wù)必采用不透光材料將光伏電池板覆蓋或斷開直流側(cè)斷路器。暴露于陽(yáng)光，光伏陣列將會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)電壓。

4、所有安裝操作必須且僅由專業(yè)技術(shù)人員完成。

5、光伏系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中所使用線纜必須連接牢固，良好絕緣以及規(guī)格合適。

文章來源深圳市美克能源科技股份有限公司