太陽(yáng)能pvs中逆變器的應(yīng)用

太陽(yáng)能pvs中逆變器的應(yīng)用

1光電池生全流程和系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)目前，我國(guó)的照明發(fā)電系統(tǒng)主要是直梯系統(tǒng)，然而，最常見(jiàn)的能源消耗是交流負(fù)荷，因此，直梯波形的光強(qiáng)電源很難作為商品推廣。同時(shí)，由于太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電可以不要蓄電池，且維護(hù)簡(jiǎn)單，而節(jié)省投資是光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)。這些都必須采用交流供電方式，因此逆變器在PVS中的應(yīng)用也就越來(lái)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(shù)在電力電子技術(shù)中已較為成熟。例如：UPS電源中的逆變器，變頻技術(shù)中的逆變技術(shù)、特種電源中的逆變技術(shù)和功率調(diào)節(jié)器中的逆變技術(shù)等，這些都已經(jīng)以產(chǎn)品的形式推向市場(chǎng)，并受到社會(huì)的廣泛認(rèn)可。本文總結(jié)了PVS用的逆變器；分析研究了系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)；展望了PVS用的逆變器向高性能和智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)。2用于pvs的反向函數(shù)2.1功率器件的調(diào)節(jié)在小容量、低壓PVS中，功率器件多使用金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。因其在低壓時(shí)，具有較低的通態(tài)壓降和較高的開(kāi)關(guān)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(guān)斷晶閘管（GTO）作為功率器件。PVS中的逆變驅(qū)動(dòng)電路主要針對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的門極驅(qū)動(dòng)。要得到好的PWM脈沖波形，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)很重要。近年來(lái)，隨著微電子及集成電路技術(shù)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(yīng)用電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便。逆變電源中常用的控制電路主要是為驅(qū)動(dòng)電路提供要求的邏輯和波形，如PWM,SPWM控制信號(hào)等。目前，較常用的芯片有國(guó)外生產(chǎn)的8XC196,MP16,PIC16C73和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的TMS320F206,TMS320F240,SG3525等。2.2逆變電路交流負(fù)載在使用蓄電池儲(chǔ)能的太陽(yáng)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(jìn)行升壓來(lái)滿足220V常用交流負(fù)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(yīng)用中它們的性能差別很大。(1）帶單獨(dú)帶保護(hù)功能的變壓器圖1示出采用工頻變壓器升壓的逆變電路。它首先把直流電逆變成工頻低壓交流電；再通過(guò)工頻變壓器升壓成220V,50Hz的交流電供負(fù)載使用。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各種保護(hù)功能均可在較低電壓下實(shí)現(xiàn)。因其逆變電源與負(fù)載之間存有工頻變壓器，故逆變器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、過(guò)負(fù)荷能力和抗沖擊能力強(qiáng)，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(jià)格高的問(wèn)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(fù)荷效率一般不超過(guò)90%，同時(shí)因工頻變壓器在滿負(fù)荷和輕負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)鐵損基本不變，因而使其在輕負(fù)荷下運(yùn)行的空載損耗較大，效率也較低。(2）高頻濾波器電路圖2示出采用高頻變壓器升壓的逆變電路。它首先通過(guò)高頻DC/DC變換技術(shù)，將低壓直流電逆變?yōu)楦哳l低壓交流電；然后經(jīng)過(guò)高頻變壓器升壓后，再經(jīng)過(guò)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(guò)工頻逆變電路得到220V工頻交流電供負(fù)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(zhuǎn)換效率能達(dá)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(fù)荷低，但不能接滿負(fù)荷的感性負(fù)載，且過(guò)載能力差。2.3負(fù)載過(guò)流導(dǎo)致磁心飽圖3a示出方波逆變器的輸出電壓波形。雖然方波逆變器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在效率較低，損耗多，諧波成分大，使用負(fù)載受限制等缺點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載為大功率電機(jī)負(fù)載或帶有變壓器的用電器負(fù)載時(shí)，因其負(fù)載的飽和磁通都是按正弦波的上升速率設(shè)計(jì)的，而方波的上升速度過(guò)快，因而造成其鐵心飽和，負(fù)載會(huì)出現(xiàn)起動(dòng)困難、鐵心過(guò)熱及發(fā)出噪聲等問(wèn)題。而且方波逆變器的效率遠(yuǎn)低于修正波和正弦波逆變器的效率，一般不到60%。由于太陽(yáng)能PVS的發(fā)電成本較高，因此在太陽(yáng)能PVS電系統(tǒng)中，方波逆變器已經(jīng)很少應(yīng)用了。(2）迭加線路修正波圖3b示出修正波逆變器的輸出電壓波形。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(guò)對(duì)方波電壓進(jìn)行階梯迭加而產(chǎn)生的，這種方式存在控制電路復(fù)雜，迭加線路所用的功率開(kāi)關(guān)管較多，以及逆變器的體積和重量較大等諸多問(wèn)題。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，已普遍采用PWM脈寬調(diào)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(yuǎn)地區(qū)的用戶系統(tǒng)，因?yàn)檫@些用戶系統(tǒng)對(duì)用電質(zhì)量要求不是很高，而它能夠滿足大部分用電設(shè)備的需求，但它還是存在20%的諧波失真，在運(yùn)行精密設(shè)備時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，也會(huì)對(duì)通訊設(shè)備造成高頻干擾，因此此時(shí)必須使用正弦波逆變器。(3）正弦波變壓器的優(yōu)點(diǎn)圖3c示出正弦波逆變器的輸出電壓波形。它的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形好，失真度很低，且其輸出波形與市電電網(wǎng)的交流電波形基本一致，實(shí)際上優(yōu)良的正弦波逆變器提供的交流電比電網(wǎng)的質(zhì)量更高。正弦波逆變器對(duì)收音機(jī)和通訊設(shè)備及精密設(shè)備的干擾小，噪聲低，負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)，能滿足所有交流負(fù)載的應(yīng)用，而且整機(jī)效率較高；它的缺點(diǎn)是線路和相對(duì)修正波逆變器復(fù)雜，對(duì)控制芯片和維修技術(shù)的要求高，價(jià)格較貴。在太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，為避免對(duì)公共電網(wǎng)的電力污染，也必須使用正弦波逆變器。3能源環(huán)境ps中的逆分類3.1蓄電池充放電控制器和變壓器圖4示出獨(dú)立PVS結(jié)構(gòu)圖。它通常由光伏陣列、蓄電池、控制器、逆變器及用電負(fù)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(dú)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(duì)蓄電池充放電進(jìn)行管理的功能。根據(jù)獨(dú)立型逆變器在PVS中的運(yùn)行特點(diǎn)，可對(duì)用于獨(dú)立PVS的逆變器進(jìn)行下述性能評(píng)價(jià)。(1）靠性因素從以往PVS的運(yùn)行來(lái)看，逆變器是影響系統(tǒng)可靠性的主要因素之一。由于獨(dú)立型逆變器一般工作在邊遠(yuǎn)地區(qū)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題維修很不方便，所以獨(dú)立型逆變器的首要要求是必須運(yùn)行可靠安全。(2）變壓器供電能力在獨(dú)立型逆變器中，額定輸出容量也是一個(gè)很重要的參考因素，它表示逆變器向負(fù)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(fù)載。在此需特別指出的是，當(dāng)逆變器不是純阻性負(fù)載時(shí)，逆變器的負(fù)載能力將小于它所給出的額定輸出容量值。(3）獨(dú)立型變壓器的特性逆變器效率的高低對(duì)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(yáng)電池的成本仍然比較高，而且近年也不會(huì)有大的降低，因此對(duì)于獨(dú)立型逆變器，則要求有高的效率，特別是低負(fù)荷供電時(shí)，仍然有較高的效率，低的空載負(fù)荷是獨(dú)立PVS中專用逆變器相對(duì)普通逆變器的更高要求。(4）變壓器可靠撞擊一般電感性負(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)，功率可能是額定功率的5～6倍。因此，通常電感負(fù)載起動(dòng)時(shí)，逆變器將承受大的瞬時(shí)浪涌功率。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(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)。(5）在負(fù)載上的缺陷當(dāng)獨(dú)立型逆變器輸出波形是方波和修正波時(shí)，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(huì)在電感性負(fù)載上產(chǎn)生渦流等附加損耗，導(dǎo)致部件嚴(yán)重發(fā)熱，不利于電氣設(shè)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(fù)載；修正波逆變器的諧波失真小于20%，適合用于大部分負(fù)載；正弦波逆變器的諧波失真小于3%，其波形質(zhì)量比市電電網(wǎng)的質(zhì)量還好，能夠適用于所有的交流用電負(fù)載。(6）變壓器統(tǒng)一控制它指逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力。獨(dú)立太陽(yáng)能PVS中蓄電池端電壓在充放電過(guò)程中波動(dòng)很大，通常鉛酸蓄電池端電壓的起伏可達(dá)標(biāo)稱電壓的30%左右，這就要求逆變器有較好的調(diào)壓性能，能在較大直流輸入范圍內(nèi)保證正常工作。高頻逆變器因采用了二次調(diào)寬和二次穩(wěn)壓技術(shù)，故相對(duì)工頻逆變器有更好的穩(wěn)定輸出電壓的能力。3.2光伏并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)PVS主要用于調(diào)峰光伏電站和屋頂PVS。PVS并網(wǎng)供電時(shí)要求逆變器輸出的正弦波電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。圖5示出一個(gè)帶有蓄電池的并網(wǎng)PVS結(jié)構(gòu)。通常，將帶有蓄能裝置的并網(wǎng)PVS稱為可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)，它是可以進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存和分配的，而不帶蓄電池的叫不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)?？烧{(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)因使用了蓄電池儲(chǔ)能，因此成本較不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)的高。然而，由于蓄電池的儲(chǔ)能作用，使PVS能作為一個(gè)UPS系統(tǒng)，在公用電網(wǎng)停電或品質(zhì)不合格時(shí)，使系統(tǒng)斷開(kāi)電網(wǎng)，同時(shí)繼續(xù)給用電負(fù)載供電，這體現(xiàn)了太陽(yáng)能PVS的優(yōu)越性。該系統(tǒng)特別適用于經(jīng)常停電的地區(qū)。不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)因不使用蓄電池中間儲(chǔ)能，因而節(jié)省了投資，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，且易于維護(hù)。而且因該系統(tǒng)中不帶蓄電池，光伏陣列的串聯(lián)輸出電壓可達(dá)到很高，即250～600V。這樣，逆變器就可以不要升壓器件，從而減少逆變器損耗。該型并網(wǎng)逆變器的峰值效率高達(dá)94%～96%。然而，由于沒(méi)有蓄電池對(duì)太陽(yáng)陣列的工作電壓進(jìn)行箝位，因而必須采用最大功率跟蹤，以保證PVS工作在最佳工作點(diǎn)附近。并網(wǎng)逆變器區(qū)別于獨(dú)立型逆變器的一個(gè)重要特征是必須進(jìn)行“孤島效應(yīng)”防護(hù)。孤島效應(yīng)指并網(wǎng)逆變器在向電網(wǎng)供電時(shí)，電網(wǎng)因電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電，這時(shí)并網(wǎng)逆變器仍會(huì)繼續(xù)向電網(wǎng)輸送一定比例的電能，從而出現(xiàn)孤島現(xiàn)象。孤島效應(yīng)會(huì)對(duì)設(shè)備和人員的安全帶來(lái)重要隱患。首先，電網(wǎng)中斷供電后，當(dāng)檢修人員對(duì)電網(wǎng)的電力線路和電力設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)，若并網(wǎng)逆變器繼續(xù)供電會(huì)造成人員傷亡事故；再者，若并網(wǎng)逆變器仍繼續(xù)供電，一旦電網(wǎng)恢復(fù)供電，電網(wǎng)和并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和相位可能存在較大的差異，會(huì)在一瞬間產(chǎn)生很大的沖擊電流，而損壞設(shè)備。所以要求在電網(wǎng)停電后，必須立即中止光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的供電。針對(duì)“孤島效應(yīng)”，并網(wǎng)逆變器一般會(huì)采用被動(dòng)和主動(dòng)兩種檢測(cè)方法進(jìn)行防護(hù)。前者，指實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位。當(dāng)電網(wǎng)中斷供電時(shí)，會(huì)在電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位參數(shù)上產(chǎn)生跳變信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)跳變信號(hào)來(lái)判斷電網(wǎng)是否失電。后者，指對(duì)電網(wǎng)參數(shù)發(fā)出小干擾信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)反饋信號(hào)來(lái)判斷電網(wǎng)是否失電。當(dāng)并網(wǎng)逆變器檢測(cè)到電網(wǎng)中斷供電后，會(huì)立即停止工作；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，并網(wǎng)逆變器不會(huì)立即投入運(yùn)行，而是將檢測(cè)電網(wǎng)信號(hào)持續(xù)一段時(shí)間，如90s內(nèi)完全正常后，才投入運(yùn)行。4光伏逆變/控制器的應(yīng)用國(guó)際光伏發(fā)電市場(chǎng)開(kāi)始由邊遠(yuǎn)農(nóng)村和特殊應(yīng)用，向并網(wǎng)發(fā)電、與建筑結(jié)合供電的方向發(fā)展，光伏發(fā)電已由補(bǔ)充能源向替代能源過(guò)渡。并網(wǎng)發(fā)電是光伏發(fā)電進(jìn)入電力規(guī)模應(yīng)用的必然結(jié)果，也是未來(lái)最大的光伏發(fā)電市場(chǎng)，得到了世界各國(guó)的廣泛重視，紛紛制定政府計(jì)劃加以扶植和推廣。目前，美、日、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家都推出了相應(yīng)的屋頂光伏計(jì)劃。德國(guó)，1990年提出1000屋頂發(fā)電計(jì)劃；1998年進(jìn)一步提出10萬(wàn)屋頂計(jì)劃，已于2003年完成；日本，提出2010年要累計(jì)安裝總?cè)萘繛?萬(wàn)MW的家用的光伏發(fā)電站，作為并網(wǎng)戶用PVS的核心，戶用并網(wǎng)逆變器的開(kāi)發(fā)研究越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。目前，戶用并網(wǎng)系統(tǒng)的核心器件———光伏專用并網(wǎng)逆變/控制器的產(chǎn)地主要集中在德國(guó)、日本、澳大利亞、北美等光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)較發(fā)達(dá)的地區(qū)。比較知名的公司有SMA,SUNPOWER,Xantrex和AES等。其中SMA公司占據(jù)了歐洲光伏逆變器市場(chǎng)的80%和美國(guó)并網(wǎng)逆變器市場(chǎng)的75%。在日本，很多大公司的子公司或分公司都參加了這方面的研發(fā)和生產(chǎn)工作。例如：Sharp,SanyoElectic,Omron,MitsubishiElectric等公司都為戶用PVS生產(chǎn)了3～5kVA的逆變器，因發(fā)達(dá)國(guó)家戶用PVS的廣泛應(yīng)用，使戶用并網(wǎng)光伏逆變器的技術(shù)較為成熟，在產(chǎn)量大幅度提高的情況下，產(chǎn)品的成本和價(jià)格不斷下降，目前1～10kVA的并網(wǎng)光伏逆變器價(jià)格已降到550～950美元/kVA以下。我國(guó)的PVS逆變器技術(shù)雖較發(fā)達(dá)國(guó)家落后，但國(guó)家科技部在“九五”、“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃中安排了相關(guān)的攻關(guān)項(xiàng)目，這些課題的完成，說(shuō)明國(guó)內(nèi)已掌握了PVS中逆變器的關(guān)鍵技術(shù)，并且從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行情況看也達(dá)到了預(yù)期的效果。5太陽(yáng)能發(fā)電：可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策能源短缺和環(huán)境污染兩大問(wèn)題對(duì)世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的影響十分突出，大力推廣太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生潔