将直流电能变换成为交流电能的过程称为逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路，而实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。太阳能光伏系统中使用的逆变器是一种将太阳能电池所产生的直流电能转换为交流电能的转换装置。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。在太阳能光伏发电系统中，太阳电池方阵所发出的电力如果要供交流负载使用，实现此功能的主要器件是逆变器。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统，将发出的电能馈入电网。
逆变器按输出波形，可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器，成本高，但可以适用于各种负载。从长远看，SPWM脉宽调制正弦波逆变器将成为发展的主流。
它使转换后的交流电的频率、电压和电力系统交流电的频率、电压相一致，以满足为各种设备供电、交流用电装置及并网发电的需要，常见逆变器外形如图1－13所示。
1.逆变器简介
逆变器的种类很多，可以按照不同方式进行分类。按照逆变器输出交流电的相数，可分为多相逆变器、三相逆变器和单相逆变器;按照逆变器输出交流电的频率，可分为中频逆变器、工频逆变器和高频逆变器;按照逆变器线路原理不同，可分为自激振荡型逆变器、谐振型逆变器、阶梯波叠加型和脉宽调制型等;按照逆变器的输出电压的波形，可分为正弦波、方波和阶梯波逆变器;按照逆变器输出功率大小不同，可以分大功率逆变器(＞10 kW)、功率逆变器(1～10 kW)、小功率逆变器(＜1 kW);按照逆变器主电路结构不同，可分为推挽式逆变器、半桥式逆变器、单端式逆变器和全桥式逆变器;按照逆变器输出能量的去向不同，可分为有源逆变器和无源逆变器。
图1－13 逆变器外形
对太阳能光伏发电系统来说，在并网型光伏发电系统中需要有源逆变器，而在离网独立型光伏发电系统中需要无源逆变器。
逆变器主要由半导体功率器件和逆变器驱动、控制电路两大部分组成。随着电力电子技术和微电子技术的迅速发展，驱动控制电路与新型大功率半导体开关器件的出现促进了逆变器的快速发展和技术完善。目前的逆变器多数采用功率场效应晶体管(VMOSFET)、静电感应晶体管(SIT)、可关断晶体管(GTO)、绝缘栅极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)、MOS控制晶体管(MGT)、静电感应晶闸管(SITH)以及智能型功率模块(IPM)等多种先进且易于控制的大功率器件，控制逆变驱动电路也从模拟集成电路发展到单片机控制，甚至采用数字信号处理器(DSP)控制，使逆变器向着高频化、全控化、节能化、集成化和多功能化方向发展。
表1－1是逆变器常用的半导体功率开关器件，主要有可控硅(晶闸管)、场效应管、大功率晶体管及功率模块等。
表1－1 常用的逆变器半导体功率与开关器件
2.逆变器的电路构成
逆变器的基本电路构成如图1－14所示，在现代电力电子技术中，逆变器一般除了逆变电路和控制电路以外，一般还有保护电路、辅助电路、输入和输出电路等。
图1－14 逆变器基本电路构成示意图
(1)保护电路。保护电路主要包括输入欠压、过压保护，输出过压、欠压保护，过流和短路保护，过热保护，过载保护等。
(2)控制电路。控制电路主要为主逆变电路提供一系列的控制脉冲来控制逆变开关器件的导通和关断，配合主逆变电路完成逆变功能。
(3)主逆变开关电路。主逆变开关电路是逆变电路的核心，它的主要作用是通过半导体开关器件的导通和关断完成逆变的功能。逆变电路分为非隔离式和隔离式两大类。
(4)输入电路。输入电路的主要作用为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流工作电压。
(5)输出电路。输出电路主要是对主逆变电路输出的交流点的波形、电压、电流频率的幅值相位等进行调理、补偿、修正，使之能满足使用需求。
(6)辅助电路。辅助电路主要将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压，辅助电路还包含了多种检测电路。
3.太阳能发电系统对逆变器的要求
光伏发电系统对逆变器的要求如下:
①并网型逆变器的输出电压与电网电压同频、同幅值(功率因数为1)、同相，而且其输出还应满足电网的电能质量要求。
②逆变器要具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如交流输出短路保护、输入直流极性接反保护、过热保护、过载保护等。
③逆变器尽量减少电能变换的中间环节，以节约成本、提高效率。
④逆变器应具有较高的可靠性，目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多光伏发电系统无人值守和维护。
⑤具有较宽的直流输入电压适应范围，由于太阳能光伏阵列的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳能电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大(如12 V蓄电池的端电压可在10～16 V变化)，这就要求逆变器必须在较宽的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压稳定在负载要求的电压范围内。
⑥逆变器应具有较高的效率，由于目前太阳能电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳能电池、提高系统效率，必须提高逆变器的效率。
⑦逆变器要具有一定的过载能力，一般能过载125%～150%。当过载150%时，应能持续30 s;当过载125%时，应能持续60 s以上。逆变器应在任何负载条件(过载情况除外)和瞬态情况下，保证标准的额定正弦输出。
⑧在大、中容量系统中，逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在大、中容量系统中，若采用方波供电，输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为仪表或通讯设备，这些设备对电网品质有较高的要求，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免污染公共电网，也要求逆变器输出正弦波电流。对于光伏发电系统的逆变器而言，高质量的输出波形有两方面的指标要求:一是动态性能好，即在外界扰动下调节快，输出波形变化小。二是稳态精度高，包括THD值小，基波分量相对参考波形在相位和幅度上无静差。
4.逆变器的主要技术参数及使用要求
(1)额定直流输入电压
额定直流输入电压是指光伏发电系统中输入逆变器的直流电压，中、大功率逆变器电压有24 V、48 V、110 V、220 V、和500 V，小功率逆变器输入电压有12 V和24 V等。
(2)额定输出效率
额定输出效率是指在规定的工作条件下，输出与输入功率比，通常应在70%以上。逆变器的效率会随着负载的大小而改变，当负载率低于20%和高于80%时，效率要低一些。标准规定逆变器的输出功率在大于或等于额定功率的75%时，效率应大于或等于80%。
(3)额定输出电压
光伏逆变器在规定的输入直流电压允许的波动范围内，应能输出额定的电压值，一般在额定输出电压为单相220 V和三相380 V时，电压波动偏差如下:
①在正常工作条件下，逆变器输出的三相电压不平衡度不应超过8%。
②在稳定状态运行时，一般要求电压波动差不超过额定值的±5%。
③逆变器输出交流电压的频率在正常工作条件下其偏差应在1%以内。GB/T 19064—2003规定的输出电压频率应为49～51 Hz。
④在负载突变时，电压偏差不超过额定值的±10%。
⑤输出的电压波形(正弦波)失真度一般要求不超过5%。
(4)负载功率因数
负载功率因素大小是表示逆变器带感性负载能力，在正弦波条件下负载功率因素为0.7～0.9。
(5)额定直流输入电流
额定直流输入电流是指太阳能光伏发电系统为逆变器提供额定直流工作电流。
(6)过载能力
过载能力是要求逆变器在特定的输出输出功率条件下能持续工作一定的时间，其标准规定如下:
①输出功率和电压为额定值的150%时，逆变器应连续可靠工作10 s以上;
②输出电压和功率为额定值的125%时，逆变器应连续可靠工作1min以上;
③输出功率和电压为额定值时，逆变器应连续可靠工作4 h以上。
(7)额定输出电流和额定输出容量
额定输出电流是表示在规定的负载功率因数范围内逆变器的额定输出电流，其单位A;额定输出容量是指当输出功率因数是1(即纯电阻性负载)时，逆变器额定输出电压和额定输出电流的乘积，其单位kVA或kW。
(8)保护功能
太阳能光伏发电系统应具有较高的安全性和可靠性，作为光伏发电系统重要组成部分的逆变器应具备如下保护功能:
①短路保护。当逆变器输出短路时，应具有短路保护措施。短路排除后，设备应能正常工作。
②欠压保护。当输入电压低于规定的欠压断开(LVD)值时，逆变器应能自动关机保护。
③极性接反保护。逆变器的正极输入端与负极性输入端接反时，逆变器应能自动保护。待极性正接后，设备应能正常工作。
④雷电保护。逆变器应具有雷电保护功能，其防雷器件的技术指标应能保证吸收预期的冲击能量。
⑤过电流保护。当工作电流超过额定值的150%时，逆变器应能自动保护。当电流恢复正常后，设备又能正常工作。
(9)电磁干扰和噪声
逆变器中的开关电路极容易产生电磁干扰，容易在铁芯变压器上因震动而产生噪声。因而在设计和制造中都必须控制电磁干扰和噪声指标，使之满足有关标准和用户的要求。其噪声要求是:当输入电压为额定值时，在设备高度的1/2、正面距离为3m处用声级计分别测量50%额定负载和满载时的噪声应小于或等于65dB。
(10)使用环境条件
对于高频高压型逆变器，其工作环境和工作特性、工作状态有关。在高海拔，空气稀薄，容易出现电路极间放电，影响工作。在高湿度地区则容易结露，造成局部短路。因此逆变器都规定了相应的工作范围。
逆变器功率器件的工作温度直接影响到逆变器的波形、输出电压、频率、相位等许多重要特性，而工作温度又与海拔高度、环境温度、工作状态及相对湿度有关。
光伏逆变器的正常使用条件为:环境温度－20～+50℃，海拔≤5 500 m，相对湿度≤93%，且无凝露。当工作环境和工作温度超出上述范围时，要考虑降低容量使用或重新设计定制。
(11)安全性能要求
①绝缘强度。逆变器的直流输入与机壳间应能承受频率为50 Hz、正弦波交流电压为500 V、历时1min的绝缘强度试验，无击穿或飞狐现象。逆变器交流输出与机壳间应能承受频率为50 Hz，正弦波交流电压为1 500 V，历时1min的绝缘强度试验，无击穿或飞狐现象。
②绝缘电阻。逆变器直流电输入与机壳间的绝缘电阻应大于或等于50 MΩ，逆变器交流输出与机壳间的绝缘电阻应大于或等于50MΩ。
(12)直流电压输入范围
光伏逆变器直流输入电压允许在额定直流输入电压的90%～120%范围变化，而不影响输出电压的变化。
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