太陽能pvs中逆變器的應(yīng)用

太陽能pvs中逆變器的應(yīng)用

1光電池生全流程和系統(tǒng)運行特點目前，我國的照明發(fā)電系統(tǒng)主要是直梯系統(tǒng)，然而，最常見的能源消耗是交流負(fù)荷，因此，直梯波形的光強電源很難作為商品推廣。同時，由于太陽能光伏并網(wǎng)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(yīng)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(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，并受到社會的廣泛認(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；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。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)體場效應(yīng)管（MOSFET）。因其在低壓時，具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(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)動電路主要針對功率開關(guān)管的門極驅(qū)動。要得到好的PWM脈沖波形，驅(qū)動電路的設(shè)計很重要。近年來，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)計帶來了極大的方便。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(chǎn)的8XC196,MP16,PIC16C73和國內(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(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）帶單獨帶保護功能的變壓器圖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)點是結(jié)構(gòu)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(fù)載之間存有工頻變壓器，故逆變器運行穩(wěn)定、可靠、過負(fù)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(fù)荷效率一般不超過90%，同時因工頻變壓器在滿負(fù)荷和輕負(fù)荷下運行時鐵損基本不變，因而使其在輕負(fù)荷下運行的空載損耗較大，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)過高頻變壓器升壓后，再經(jīng)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(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，且過載能力差。2.3負(fù)載過流導(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(fù)載受限制等缺點。當(dāng)負(fù)載為大功率電機負(fù)載或帶有變壓器的用電器負(fù)載時，因其負(fù)載的飽和磁通都是按正弦波的上升速率設(shè)計的，而方波的上升速度過快，因而造成其鐵心飽和，負(fù)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)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對方波電壓進行階梯迭加而產(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關(guān)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(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地區(qū)的用戶系統(tǒng)，因為這些用戶系統(tǒng)對用電質(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，在運行精密設(shè)備時會出現(xiàn)問題，也會對通訊設(shè)備造成高頻干擾，因此此時必須使用正弦波逆變器。(3）正弦波變壓器的優(yōu)點圖3c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(wǎng)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(wǎng)的質(zhì)量更高。正弦波逆變器對收音機和通訊設(shè)備及精密設(shè)備的干擾小，噪聲低，負(fù)載適應(yīng)能力強，能滿足所有交流負(fù)載的應(yīng)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(fù)雜，對控制芯片和維修技術(shù)的要求高，價格較貴。在太陽能發(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用時，為避免對公共電網(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）靠性因素從以往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）變壓器供電能力在獨立型逆變器中，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(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，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）獨立型變壓器的特性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(fù)荷供電時，仍然有較高的效率，低的空載負(fù)荷是獨立PVS中專用逆變器相對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、冰箱、空調(diào)、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(fù)載起動時，逆變器將承受大的瞬時浪涌功率。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動，高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿負(fù)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）在負(fù)載上的缺陷當(dāng)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(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(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)，它是可以進行能量儲存和分配的，而不帶蓄電池的叫不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)。可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)因使用了蓄電池儲能，因此成本較不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)的高。然而，由于蓄電池的儲能作用，使PVS能作為一個UPS系統(tǒng)，在公用電網(wǎng)停電或品質(zhì)不合格時，使系統(tǒng)斷開電網(wǎng)，同時繼續(xù)給用電負(fù)載供電，這體現(xiàn)了太陽能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能，因而節(jié)省了投資，使系統(tǒng)簡化，且易于維護。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94%～96%。然而，由于沒有蓄電池對太陽陣列的工作電壓進行箝位，因而必須采用最大功率跟蹤，以保證PVS工作在最佳工作點附近。并網(wǎng)逆變器區(qū)別于獨立型逆變器的一個重要特征是必須進行“孤島效應(yīng)”防護。孤島效應(yīng)指并網(wǎng)逆變器在向電網(wǎng)供電時，電網(wǎng)因電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電，這時并網(wǎng)逆變器仍會繼續(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)會對設(shè)備和人員的安全帶來重要隱患。首先，電網(wǎng)中斷供電后，當(dāng)檢修人員對電網(wǎng)的電力線路和電力設(shè)備進行檢修時，若并網(wǎng)逆變器繼續(xù)供電會造成人員傷亡事故；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)對電網(wǎng)的供電。針對“孤島效應(yīng)”，并網(wǎng)逆變器一般會采用被動和主動兩種檢測方法進行防護。前者，指實時檢測電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位。當(dāng)電網(wǎng)中斷供電時，會在電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位參數(shù)上產(chǎn)生跳變信號，通過檢測跳變信號來判斷電網(wǎng)是否失電。后者，指對電網(wǎng)參數(shù)發(fā)出小干擾信號，通過檢測反饋信號來判斷電網(wǎng)是否失電。當(dāng)并網(wǎng)逆變器檢測到電網(wǎng)中斷供電后，會立即停止工作；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時，并網(wǎng)逆變器不會立即投入運行，而是將檢測電網(wǎng)信號持續(xù)一段時間，如90s內(nèi)完全正常后，才投入運行。4光伏逆變/控制器的應(yīng)用國際光伏發(fā)電市場開始由邊遠農(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)電已由補充能源向替代能源過渡。并網(wǎng)發(fā)電是光伏發(fā)電進入電力規(guī)模應(yīng)用的必然結(jié)果，也是未來最大的光伏發(fā)電市場，得到了世界各國的廣泛重視，紛紛制定政府計劃加以扶植和推廣。目前，美、日、歐盟等發(fā)達國家都推出了相應(yīng)的屋頂光伏計劃。德國，1990年提出1000屋頂發(fā)電計劃；1998年進一步提出10萬屋頂計劃，已于2003年完成；日本，提出2010年要累計安裝總?cè)萘繛?萬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)逆變器的開發(fā)研究越來越受到學(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、日本、澳大利亞、北美等光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)較發(fā)達的地區(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的80%和美國并網(wǎng)逆變器市場的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)達國家戶用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)品的成本和價格不斷下降，目前1～10kVA的并網(wǎng)光伏逆變器價格已降到550～950美元/kVA以下。我國的PVS逆變器技術(shù)雖較發(fā)達國家落后，但國家科技部在“九五”、“十五”科技攻關(guān)計劃中安排了相關(guān)的攻關(guān)項目，這些課題的完成，說明國內(nèi)已掌握了PVS中逆變器的關(guān)鍵技術(shù)，并且從實驗系統(tǒng)的運行情況看也達到了預(yù)期的效果。5太陽能發(fā)電：可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策能源短缺和環(huán)境污染兩大問題對世界經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的影響十分突出，大力推廣太陽能、風(fēng)能等可再生潔