離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的要求
太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電技術(shù)，太陽(yáng)光輻射能經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)能量?jī)?chǔ)存、控制與保護(hù)、能量變換等環(huán)節(jié)，使之可按人們的需要向負(fù)載提供直流電能或交流電能。太陽(yáng)能電池陣列所發(fā)出的電能為直流電，但是大多數(shù)用電設(shè)備采用的是交流供電方式，所以系統(tǒng)中需要有逆變器將直流電變換為交流電以供負(fù)載使用。
在離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的效率將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的效率，因此，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的控制技術(shù)具有重要的研究意義。在逆變器的設(shè)計(jì)中，通常采用模擬控制方法，然而，模擬控制系統(tǒng)中存在很多缺陷，如元器件的老化及溫漂效應(yīng)，對(duì)電磁干擾較為敏感，使用的元器件數(shù)目較多等。典型的模擬PWM逆變器控制系統(tǒng)采用自然采樣法將正弦調(diào)制波與三角載波比較，從而控制觸發(fā)脈沖，但三角波發(fā)生電路在高頻（20kHz）時(shí)容易被溫度、器件特性等因素干擾，從而導(dǎo)致輸出電壓中出現(xiàn)直流偏移，諧波含量增加，死區(qū)時(shí)間變化等不利影響。高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的發(fā)展使太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的數(shù)字化控制成為可能。因其大部分指令可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，因此可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的先進(jìn)的控制算法，進(jìn)一步改善輸出波形的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能，并且可以簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有良好的一致性。
逆變器是一種功率電子電路，能把太陽(yáng)能電池陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電為交流負(fù)載供電，是整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。離網(wǎng)光伏逆變器有兩個(gè)基本功能：一方面是為完成DC/AC轉(zhuǎn)換為交流負(fù)載提供電能，另一方面是找出最佳的工作點(diǎn)以優(yōu)化太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的效率。對(duì)于特定的太陽(yáng)光輻射、溫度及太陽(yáng)能電池類型，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)都相應(yīng)有唯一的最佳電壓及電流，從而使光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出最大功率的電能。因此，在離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)逆變器提出以下基本要求：
）逆變器要具有合理的電路結(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(guò)熱，過(guò)載保護(hù)等。
）具有較寬的直流輸入電壓適應(yīng)范圍，由于太陽(yáng)能太陽(yáng)能電池陣列的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對(duì)太陽(yáng)能電池的電壓具有鉗位作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動(dòng)，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寬的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓穩(wěn)定在負(fù)載要求的電壓范圍內(nèi)。
）逆變器盡量減少電能變換的中間環(huán)節(jié)，以節(jié)約成本、提高效率。
）逆變器應(yīng)具有較高的效率，由于目前太陽(yáng)能電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽(yáng)能電池，提高系統(tǒng)效率，必須提高逆變器的效率。
）逆變器應(yīng)具有較高的可靠性，目前離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)人值守和維護(hù)。這就要求逆變器具有高的可靠性。
）逆變器的輸出電壓與國(guó)內(nèi)市電電壓同頻、同幅值，以適用于通用電器負(fù)載。
）在中、大容量的離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。因在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)電源品質(zhì)有較高的要求。對(duì)于離網(wǎng)太陽(yáng)能離網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的逆變器而言，高質(zhì)量的輸出波形有兩方面的指標(biāo)要求：一是穩(wěn)態(tài)精度高，包括THD值小，基波分量相對(duì)參考波形在相位和幅度上無(wú)靜差；二是動(dòng)態(tài)性能好，即在外界擾動(dòng)下調(diào)節(jié)快，輸出波形變化小。
）逆變器要具有一定的過(guò)載能力，一般能過(guò)載125%～150%。當(dāng)過(guò)載150%時(shí)，應(yīng)能持續(xù)30s；當(dāng)過(guò)載125%時(shí)，應(yīng)能持續(xù)60s以上。逆變器應(yīng)在任何負(fù)載條件（過(guò)載情況除外）和瞬態(tài)情況下，都應(yīng)保證標(biāo)準(zhǔn)的額定正弦輸出。
目前，逆變器存在的問(wèn)題主要是可靠性不高，影響逆變器可靠性的主要因素有電解電容器、光電耦合器及磁性材料。提高逆變器可靠性要從設(shè)計(jì)方面著手，如降低器件的結(jié)溫，減少器件的電應(yīng)力，降低運(yùn)行電流及采用優(yōu)質(zhì)的磁性材料等措施可大大提高其可靠性。若設(shè)計(jì)中采用第一代磁性材料，如TDK的H35、FDK的H45等，由于這種磁性材料的飽和磁通密度及居里溫度點(diǎn)較低，因而在功率較大長(zhǎng)時(shí)間工作極易出故障。而采用第三代磁性材料，如TDK的H7C4、FDK的H63B和H45C、西門子的N47和N67，不但能有效地提高轉(zhuǎn)換效率，而且大大提高了逆變器可靠性。
要提高逆變器的效率，就必須減小其損耗。逆變器中的損耗通常可分為兩類：導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是由于器件具有一定的導(dǎo)通電阻Rds，因此當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一定的功耗，導(dǎo)通損耗功率Pc由下式計(jì)算：
×
在器件開通和關(guān)斷過(guò)程中，器件不僅流過(guò)較大的電流，而且還承受較高的電壓，因此器件也將產(chǎn)生較大的損耗，這種損耗稱為開關(guān)損耗。開關(guān)損耗可分為開通損耗、關(guān)斷損耗和電容放電損耗。
開通損耗：
×Ip×Vp×ts×
關(guān)斷損耗：
×Ip×Vp×ts×
電容放電損耗：
（1/2）×Cds×Vc2×
總的開關(guān)損耗
×Up×ts×f＋(1/2)×Cds×Vc2×
式中：Ip為器件開關(guān)過(guò)程中流過(guò)的電流最大值；Vp為器件開關(guān)過(guò)程中承受的電壓最大值；ts為開通關(guān)斷時(shí)間；f為工作頻率；Cds為功率MOSFET的漏源寄生電容。
要減小上述這些損耗，就必須對(duì)功率開關(guān)管實(shí)施零電壓或零電流轉(zhuǎn)換，即采用諧振型變換結(jié)構(gòu)。
光伏逆變器的基本設(shè)計(jì)
光伏逆變器的基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括額定電壓、容量、效率、太陽(yáng)能電池能效、輸出AC電源質(zhì)量、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）效能、通信特性和安全性。
）額定電壓。光伏逆變器的主要功能是把來(lái)自太陽(yáng)能電池（有時(shí)是經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的DC電壓）的可變DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓以給交流負(fù)載供電。最常用的單相和三相AC電壓分別為120V/220V以及208V/380V；而對(duì)工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，480V也很常見。對(duì)選定的逆變器拓?fù)鋪?lái)說(shuō)，輸出AC電壓的范圍將決定DC母線電壓以及每個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)的額定電壓。
）容量。它是光伏逆變器額定功率的另一個(gè)說(shuō)法，該數(shù)值在200W（太陽(yáng)能電池組件集成模塊）到數(shù)百千瓦之間。容量越大，逆變器的體積越大、價(jià)格越高。光伏逆變器的成本以美元/瓦來(lái)衡量。就一個(gè)恰到好處的設(shè)計(jì)而言，確定容量時(shí)，必須把浪涌、過(guò)載以及連續(xù)工作模式等情況考慮在內(nèi)。
）效率。每個(gè)光伏逆變器都對(duì)效率（輸出功率/輸入功率）提出較高的要求，例如，一個(gè)數(shù)千瓦逆變器的典型效率要求達(dá)到95%以上。基于太陽(yáng)能電池陣列的能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)低（約在15%左右）的事實(shí)，所以，就以最小的太陽(yáng)能電池容量獲得最多的輸出功率來(lái)說(shuō)，高效逆變器具有非常重要的意義。
）蓄電池。在逆變器的DC側(cè)加裝蓄電池組起著能量緩存器的作用，它能平抑DC電壓可能的波動(dòng)并把負(fù)載還未使用的能量存儲(chǔ)起來(lái)。
）輸出電能質(zhì)量。源于逆變器內(nèi)在的開關(guān)模式特性，其AC輸出波形并非理想的正弦波，且通常還包含由脈寬調(diào)制（PWM）引入的寬范圍高頻諧波。對(duì)許多電子負(fù)載來(lái)說(shuō)，這些諧波有害無(wú)益。
）MPPT效能。太陽(yáng)能電池的輸出將遵循其電流-電壓曲線中的不同光照條件下的一系列特性曲線，因此，為獲得最大功率輸出，需對(duì)電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
）通信特性。對(duì)一個(gè)數(shù)千瓦的光伏逆變器來(lái)說(shuō)，構(gòu)建一個(gè)用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的通信連接很有必要，作為一種通用控制器的微處理器(MCU)很適合該功能。
）安全性。有兩個(gè)含義：一是要保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，二是在操作、維護(hù)和維修時(shí)，確保工作人員應(yīng)沒(méi)安全風(fēng)險(xiǎn)。
光伏逆變器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素
設(shè)計(jì)光伏逆變器時(shí)要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵要素是效率和諧波失真，效率可分成兩個(gè)部分：太陽(yáng)能電池的效率和逆變器的效率。逆變器的效率在很大程度上取決于設(shè)計(jì)使用的外部元件，而不是控制器；而太陽(yáng)能電池的效率與控制器如何控制太陽(yáng)能電池陣列有關(guān)。每個(gè)太陽(yáng)能電池陣列的最大工作功率在很大程度上取決于太陽(yáng)能電池陣列的溫度和光照。MCU必須控制太陽(yáng)能電池陣列的輸出負(fù)載，以使太陽(yáng)能電池陣列的工作功率最大。由于這不是一個(gè)數(shù)學(xué)密集型算法，因此可使用低成本MCU來(lái)完成任務(wù)。
目前，大多數(shù)光伏逆變器只能從太陽(yáng)能電池陣列的某個(gè)最佳位置對(duì)太陽(yáng)能電池陣列的整體效率進(jìn)行優(yōu)化。這種優(yōu)化方法嚴(yán)重制約了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的效率。如果光伏系統(tǒng)在非最佳電壓及電流水平下運(yùn)行，系統(tǒng)的效率就非常低，白白浪費(fèi)采集太陽(yáng)能的良機(jī)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池是由多個(gè)串聯(lián)組在并聯(lián)后形成的。就像節(jié)日燈飾一樣，假如串聯(lián)中的某個(gè)太陽(yáng)能電池發(fā)生故障，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)太陽(yáng)能電池組失效。此外，當(dāng)有局部陰影等遮蔽太陽(yáng)能電池時(shí)，這種情況也會(huì)發(fā)生。
為了解決上述問(wèn)題，目前太陽(yáng)能電池都集成了旁路二極管，從而使電流可以繞過(guò)被遮蔽的失效太陽(yáng)能電池部份。啟動(dòng)二極管后，它可將電流重新路由，即改道繞過(guò)失效的太陽(yáng)能電池。這樣一來(lái)，不僅浪費(fèi)了受遮蔽太陽(yáng)能電池的供電潛能，而且會(huì)降低整個(gè)太陽(yáng)能電池組的總電壓。基于選取太陽(yáng)能電池最佳工作點(diǎn)的原則，逆變器必須決定是應(yīng)該優(yōu)化受影響太陽(yáng)能電池串的電壓，還是應(yīng)該優(yōu)化其他沒(méi)受影響太陽(yáng)能電池組所產(chǎn)生的能量。在大多數(shù)的情況下，逆變器都會(huì)選擇優(yōu)化沒(méi)有影響的太陽(yáng)能電池組，并相應(yīng)地降低受影響太陽(yáng)能電池組所產(chǎn)生的能量，甚至是完全關(guān)閉受影響的太陽(yáng)能電池組。所導(dǎo)致的結(jié)果是，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)只要出現(xiàn)10%的遮蔽，便會(huì)使太陽(yáng)能光伏發(fā)電量下降一半。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是現(xiàn)行的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)并不能與極度敏感的太陽(yáng)能電池相匹配。因此，需要采用更高智能的技術(shù)和產(chǎn)品來(lái)開發(fā)太陽(yáng)能。
位于光伏逆變器前端的旁路二極管，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)雖然不屬于逆變部分，但是作為太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的一部分，對(duì)于逆變器運(yùn)行乃至整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也至關(guān)重要。美高森美新針對(duì)此應(yīng)用推出兩款新產(chǎn)品：LX2400和SFDS1045。LX2400融入了最新的散熱封裝技術(shù)（Cool RUNTM工藝），無(wú)需散熱器，通過(guò)10A電流時(shí)溫升小于10℃。以30年穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo)的可靠性設(shè)計(jì)保證了100μA以下漏電流，20A的穩(wěn)態(tài)電流能力和雙向抗閃電功能。其最大特點(diǎn)是業(yè)界最低溫升。SFDS1045是新一代肖特基二極管，也是迄今為止業(yè)界最薄的旁路二極管，只有0.74mm厚度并置于玻璃封裝之下，特別適合直接應(yīng)用于太陽(yáng)能電池陣列。另外其獨(dú)特的柔韌銅引腳具有衛(wèi)星應(yīng)用級(jí)別的可靠性。
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