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光伏發電系統中逆變器的原理與應用

目前我國光伏發電系統主要是直流系統,即將太陽電池發出的電能給蓄電池充電,而蓄電池直接給負載供電,如我國西北地區使用較多的太陽能戶用光伏發電系統以及遠離電網的微波站供電系統均為直流系統。此類系統結構簡單,成本低廉,但由于負載直流電壓的不同(如12V、24V、48V等),很難實現系統的標準化和兼容性,特別是民用電力,由于大多為交流負載,以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進入市場。

另外,光伏發電最終將實現并網運行,這就必須采用成熟的市場模式,今后交流光伏發電系統必將成為光伏發電的主流。光伏發電系統對逆變電源的要求采用交流電力輸出的光伏發電系統,由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和逆變器四部分組成(并網發電系統一般可省去蓄電池),而逆變器是關鍵部件。光伏發電系統對逆變器要求較高:

1.要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價格偏高,為了最大限度地利用太陽電池,提高系統效率,必須設法提高逆變器的效率。

2.要求具有較高的可靠性。目前光伏發電系統主要用于邊遠地區,許多電站無人值守和維護,這就要求逆變器具有合理的電路結構,嚴格的元器件篩選,并要求逆變器具備各種保護功能,如輸入直流極性接反保護,交流輸出短路保護,過熱、過載保護等。

3.要求直流輸入電壓有較寬的適應范圍,由于太陽電池的端電壓隨負載和日照強度而變化,蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有重要作用,但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內阻的變化而波動,特別是當蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大,如12V蓄電池,其端電壓可在10V~16V之間變化,這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內保證正常工作,并保證交流輸出電壓的穩定。

4.在中、大容量的光伏發電系統中,逆變電源的輸出應為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統中,若采用方波供電,則輸出將含有較多的諧波分量,高次諧波將產生附加損耗,許多光伏發電系統的負載為通信或儀表設備,這些設備對電網品質有較高的要求,當中、大容量的光伏發電系統并網運行時,為避免與公共電網的電力污染,也要求逆變器輸出正弦波電流。逆變器將直流電轉化為交流電,若直流電壓較低,則通過交流變壓器升壓,即得到標準交流電壓和頻率。對大容量的逆變器,由于直流母線電壓較高,交流輸出一般不需要變壓器升壓即能達到220V,在中、小容量的逆變器中,由于直流電壓較低,如12V、24V,就必須設計升壓電路。中、小容量逆變器一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種,推挽電路,將升壓變壓器的中性插頭接于正電源,兩只功率管交替工作,輸出得到交流電力,由于功率晶體管共地邊接,驅動及控制電路簡單,另外由于變壓器具有一定的漏感,可限制短路電流,因而提高了電路的可靠性。其缺點是變壓器利用率低,帶動感性負載的能力較差。全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點,功率晶體管調節輸出脈沖寬度,輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有續流回路,即使對感性負載,輸出電壓波形也不會畸變。該電路的缺點是上、下橋臂的功率晶體管不共地,因此必須采用專門驅動電路或采用隔離電源。另外,為防止上、下橋臂發生共同導通,必須設計先關斷后導通電路,即必須設置死區時間,其電路結構較復雜。

推挽電路和全橋電路的輸出都必須加升壓變壓器,由于升壓變壓器體積大,效率低,價格也較貴,隨著電力電子技術和微電子技術的發展,采用高頻升壓變換技術實現逆變,可實現高功率密度逆變,這種逆變電路的前級升壓電路采用推挽結構,但工作頻率均在20KHz以上,升壓變壓器采用高頻磁芯材料,因而體積小、重量輕,高頻逆變后經過高頻變壓器變成高頻交流電,又經高頻整流濾波電路得到高壓直流電(一般均在300V以上)再通過工頻逆變電路實現逆變。采用該電路結構,使逆變器功率大大提高,逆變器的空載損耗也相應降低,效率得到提高,該電路的缺點是電路復雜,可靠性比上述兩種電路低。



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