正弦和修正逆變器的區(qū)別分析

1.1逆變器功率器件的選擇 　　目前，國內的光伏發(fā)電系統(tǒng)(PhotoVoltaic Sys-tem，簡稱PVS)主要是以直流系統(tǒng)為主，但最普遍的用電負載是交流負載，這使直流供電的光伏電源很難作為商品普及推廣。同時，由于太陽能光伏并網發(fā)電可以不要蓄電池，且維護簡單，而節(jié)省投資是光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢。這些都必須采用交流供電方式，因此逆變器在PVS中的應用也就越來越重要了。逆變器是將直流電變換為交流電的電力變換裝置，逆變技術在電力電子技術中已較為成熟。例如：UPS電源 中的逆變器，變頻技術中的逆變技術、特種電源中的逆變技術和功率調節(jié)器中的逆變技術等，這些都已經以產品的形式推向市場，并受到社會的廣泛認可。 　　在小容量、低壓PVS中，功率器件多使用金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET)。因其在低壓時，具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關頻率，但隨 MOSFET電壓的升高，其通態(tài)電阻增大。因此，在大容量、高壓PVS 中，一般使用絕緣柵晶體管(IGBT)作為功率器件;在100kVA以上特大容量的PVS中，一般采用門極可關斷晶閘管(GTO)作為功率器件。PVS中的逆變驅動電路主要針對功率開關管的門極驅動。要得到好的PWM脈沖波形，驅動電路的設計很重要。近年來，隨著微電子及集成電路技術的發(fā)展，陸續(xù)推出了許多多功能專用集成芯片，如：HIP4801,TLP520,IR2130,EXB841等，它們給應用電路的設計帶來了極大的方便[1，2]。逆變電源中常用的控制電路主要是為驅動電路提供要求的邏輯和波形，如PWM，SPWM控制信號等。目前，較常用的芯片有國外生產的 8XC196，MP16，PIC16C73 和國內生產的TMS320F206，TMS320F240 ，SG3525 等。 　　1.2 PVS 中逆變器的拓撲結構圖 　　在使用蓄電池儲能的太陽能PVS 中，蓄電池組的公稱電壓一般是12V，24V 或48V，因此，逆變電路一般都需進行升壓來滿足220V 常用交流負載的用電需求。逆變器可按升壓原理的不同分為工頻和高頻兩種逆變器，應用中它們的性能差別很大。 　　(1)工頻逆變器 　　它首先把直流電逆變成工頻低壓交流電;再通過工頻變壓器升壓成220V，50Hz的交流電供負載使用。它的優(yōu)點是結構簡單，各種保護功能均可在較低電壓下實現(xiàn)。因其逆變電源與負載之間存有工頻變壓器，故逆變器運行穩(wěn)定、可靠、過負荷能力和抗沖擊能力強，且能夠抑制波形中的高次諧波成分。然而，工頻變壓器也存在笨重和價格高的問題，而且其效率也比較低。按目前水平制作的小型工頻逆變器，其額定負荷效率一般不超過 90%，同時因工頻變壓器在滿負荷和輕負荷下運行時鐵損基本不變，因而使其在輕負荷下運行的空載損耗較大，效率也較低。 　　(2)高頻逆變器 　　它首先通過高頻 DC/DC 變換技術，將低壓直流電逆變?yōu)楦哳l低壓交流電;然后經過高頻變壓器升壓后，再經過高頻整流濾波電路整流成通常均在300V以上的高壓直流電;最后通過工頻逆變電路得到220V工頻交流電供負載使用。由于高頻逆變器采用的是體積小，重量輕的高頻磁芯材料，因而大大提高了電路的功率密度，從而使逆變電源的空載損耗很小，逆變效率得到提高。通常，用于中小型PVS 中的高頻逆變器，其峰值轉換效率能達90% 以上。 　　比較兩種逆變器可知，高頻逆變器的體積小，重量輕，效率高，空載負荷低，但不能接滿負荷的感性負載，且過載能力差。 　　1.3 PVS 中逆變器輸出波形 　　(1)方波逆變器 　　示出方波逆變器的輸出電壓波形。雖然方波逆變器具有結構簡單，成本低等優(yōu)點，但也存在效率較低，損耗多，諧波成分大，使用負載受限制等缺點。當負載為大功率電機負載或帶有變壓器的用電器負載時，因其負載的飽和磁通都是按正弦波的上升速率設計的，而方波的上升速度過快，因而造成其鐵心飽和，負載會出現(xiàn)起動困難、鐵心過熱及發(fā)出噪聲等問題。而且方波逆變器的效率遠低于修正波和正弦波逆變器的效率，一般不到60% 。由于太陽能PVS的發(fā)電成本較高，因此在太陽能PVS 電系統(tǒng)的優(yōu)點是結中，方波逆變器已經很少應用了。 　　(2)修正波逆變器 　　與方波相比，修正波的波形有明顯改善，而且高次諧波含量也減少了。傳統(tǒng)的修正波逆變器是通過對方波電壓進行階梯迭加而產生的，這種方式存在控制電路復雜，迭加線路所用的功率開關管較多，以及逆變器的體積和重量較大等諸多問題。近年來，隨著電力電子技術的快速發(fā)展，已普遍采用PWM脈寬調制方式生成修正波輸出。目前，修正波逆變器已廣泛用于邊遠地區(qū)的用戶系統(tǒng)，因為這些用戶系統(tǒng)對用電質量要求不是很高，而它能夠滿足大部分用電設備的需求，但它還是存在20% 的諧波失真，在運行精密設備時會出現(xiàn)問題，也會對通訊設備造成高頻干擾，因此此時必須使用正弦波逆變器 　　(3)正弦波逆變器 　　示出正弦波逆變器的輸出電壓波形。它的優(yōu)點是輸出波形好，失真度很低，且其輸出波形與市電電網的交流電波形基本一致，實際上優(yōu)良的正弦波逆變器提供的交流電比電網的質量更高。正弦波逆變器對收音機和通訊設備及精密設備的干擾小，噪聲低，負載適應能力強，能滿足所有交流負載的應用，而且整機效率較高;它的缺點是線路和相對修正波逆變器復雜，對控制芯片和維修技術的要求高，價格較貴。在太陽能發(fā)電并網應用時，為避免對公共電網的電力污染，也必須使用正弦波逆變器。 　　2 太陽能PVS 中逆變器分類 　　2.1 獨立型逆變器 　　它通常由光伏陣列、蓄電池、控制器、逆變器及用電負載等5部分組成。目前也有把蓄電池充放電控制器和逆變器做成一體的獨立型逆變器。例如：Solarix 正弦波逆變器，它既有將直流電逆變成交流電的功能;也有對蓄電池充放電進行管理的功能。 　　根據(jù)獨立型逆變器在PVS 中的運行特點，可對用于獨立PVS 的逆變器進行下述性能評價。 　　(1)可靠性 　　從以往PVS 的運行來看，逆變器是影響系統(tǒng)可靠性的主要因素之一。由于獨立型逆變器一般工作在邊遠地區(qū)，一旦出現(xiàn)問題維修很不方便，所以獨立型逆變器的首要要求是必須運行可靠安全。 　　(2)額定輸出容量 　　在獨立型逆變器中，額定輸出容量也是一個很重要的參考因素，它表示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。在此需特別指出的是，當逆變器不是純阻性負載時，逆變器的負載能力將小于它所給出的額定輸出容量值。 　　(3)逆變器效 　　逆變器效率的高低對系統(tǒng)提高有效發(fā)電量和降低發(fā)電成本有著重要的影響。由于目前太陽電池的成本仍然比較高，而且近年也不會有大的降低，因此對于獨立型逆變器，則要求有高的效率，特別是低負荷供電時，仍然有較高的效率，低的空載負荷是獨立PVS 中專用逆變器相對普通逆變器的更高要求。 　　(4)起動性能  　　一般電感性負載，如電機、冰箱、空調、洗衣機、大功率水泵等，在起動時，功率可能是額定功率的5～6倍。因此，通常電感負載起動時，逆變器將承受大的瞬時浪涌功率。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(xù)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, 有時需采用軟起動或限流起動。 　　(5)諧波失真  　　當獨立型逆變器輸出波形是方波和修正波時，逆變器的輸出電流中除了基波外還有高次諧波，高次諧波電流會在電感性負載上產生渦流等附加損耗，導致部件嚴重發(fā)熱，不利于電氣設備的安全。方波逆變器的諧波失真大約在 40% 左右，一般只適用于電阻負載;修正波逆變器的諧波失真小于20%，適合用于大部分負載;正弦波逆變器的諧波失真小于3%，其波形質量比市電電網的質量還好，能夠適用于所有的交流用電負載。 　　(6) 輸出電壓穩(wěn)定能力 　　它指逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力。獨立太陽能PVS中蓄電池端電壓在充放電過程中波動很大，通常鉛酸蓄電池端電壓的起伏可達標稱電壓的30 %左右，這就要求逆變器有較好的調壓性能，能在較大直流輸入范圍內保證正常工作。高頻逆變器因采用了二次調寬和二次穩(wěn)壓技術，故相對工頻逆變器有更好的穩(wěn)定輸出電壓的能力。