太阳能光伏器件与组件ch8光伏发电系统中的电力电子变换电路及其控制

,第8章 光伏发电系统中的电力电子变换电路及其控制,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,太阳能电池板所发出的电能为随天气、环境、负荷等变化而不断变化的直流电能，需要使用由电力电子器件构成的变换器将该电能进行适当的控制和变换，变成适合负载使用的电能供给负载或电网。如升/降压变换、直流/交流变换、可以进行电流控制，也可以进行电压、功率和电流或电压波形等控制。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,目 录 8.1 光伏直流变换电路 8.2 光伏发电系统中的蓄电池充放电控制器 8.3 光伏逆变电路 8.4 光伏并网发电系统,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏直流变换电路,直流变换电路是依靠半导体开关器件的开关动作，将某一直流电压变换为另一个直流电压的电路。 典型装置有蓄电池充电器、直流电动机驱动器和电子设备上用的稳压电源装置。 直流变换电路分为直接变换和间接变换两类，前者没有中间变压器介入，直接进行直流电压变化；后者先将直流电压变换为交流电压，经变压器转换后再变换为直流电压。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,1. 直流斩波器,直流变换装置中，使用半导体开关器件以很高的开关频率将直流电源反复开关，中间不经过交流环节而进行变换的装置，称为直流直接变换电路或直流斩波器。典型的有Buck 、Boost 、Buck-Boost 、Cuk变换器。,1Buck变换器 (1)电路拓扑 Buck电路属于串联型开关变换器，又称为降压变换器，由电压源、串联开关、电感器、电容器和二极管构成。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,(2)工作原理 Buck变换器工作原理是通过斩波形式将平均输出电压予以降低，可以将输入接在光伏电池输出端，通过调节其输出电压来达到调节负载之目的，以保持光伏阵列输出电压在其最大功率点的电压和电流处。,Buck电路拓扑图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Buck变换器电路工作过程,Uo=D*Us=Us*ton/Ts,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,(3)光伏阵列最大功率点控制和蓄电池充电控制 典型的Buck电路是连续向负载供电、间断从电源取电的，如果直接将Buck电路接在光伏电池板上将造成光伏电池板输出电流不连续而损失其发电功率，因此需要在光伏电池板输出端并联电容器以保证光伏阵列输出电流的连续。 通过调节Buck电路的开通占空比D达到调节负载电压的功效，进而达到调节光伏阵列输出平均功率的目的，实现对光伏阵列最大功率点控制。 Buck电路广泛应用于光伏阵列最大功率点跟踪、蓄电池充电和光伏直流电机控制等，优点是结构简单、效率高、控制易于实现，缺点是只能用于降压输出控制。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2Boost变换器 (1)电路拓扑 Boost变换器属于并联型开关变换器，又称为升压变换器，由光伏阵列(或蓄电池)、电感、开关管、二极管、电容器和负载构成。,Boost变换器拓扑图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,(2)工作原理 Boost变换器以电感电流源方式向负载放电，实现负载电压升高的目的。在光伏发电系统中，Boost变换器可以被用来将蓄电池或光伏电池输出的低电压变换为较高电压，满足较高电压负载的高额定电压需求。,Boost变换器电路工作过程,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Boost变换器可将光伏阵列或蓄电池输出电压进行升高变换，其效率较高，电路结构和控制也较为简单。如将光伏阵列直接接到Boost变换器输入端，可以进行光伏电池板的最大功率点跟踪。Boost变换器还可应用于光伏照明系统、光伏直流输电升压系统，其不足之处是只能进行升压变换，不能进行降压变换，如开关控制不当，可能会将负载电压升高到危险程度。,Uo= Us / (1-D) = UsTs / toff,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3BuckBoost变换器 (1)电路拓扑 Buck-Boost变换器又称为降压-升压变换器，该电路是在Buck变换器后串联一个Boost变换器，,Buck-Boost电路原始拓扑图,其电源Us可以是蓄电池也可以是光伏阵列输出的直流电力。 Buck-Boost变换器实际电路由开关管T、电感器、电容器及二极管D1组成。在实际电路中由于变换器输出的电压Uo极性与输入电压Us的极性相反，故称该电路为反相输出型变换器。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Buck-Boost实际电路图,(2)工作原理 Buck-Boost变压器输出表达式为: Uo = Us*D/(1- D) 改变占空比，就能获得所需要的电压。当D0.5时，UoUs，变换器为升压变换器；当D0.5时， Uo Us ，变换器为降压变换器。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Buck-Boost变换器输出电压可以在很宽的范围工作，可以得到高压或低于输入电压的输出电压，即在要求输出电压一定的情况下，允许输入电压有较大的变化范围。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,4Cuk变换器 (1)电路拓扑 Cuk变换器又称为Boost-Buck电路，是在Boost电路后面串联一个Buck电路构成的。经等效简化，其实际电路由开关管T、二极管D1、电感器L1和L2和电容器C1和C2等组成。,Boost-Buck变换器,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Cuk变换器实际电路,(2)工作原理 将Buck-Boost变换器进行对偶变换，可以得出Cuk变换器。Buck-Boost变换器是由电压源、电流源转换器、电压负载组成的一种拓扑，而Cuk变换器是由电流源、电压源转换器、电流负载组成的，中间含有一级电容储能的电压转换器。电路能量的存储和传递是同时存在于开关期周期的ton和toff阶段，分别在两个环路中进行。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Cuk变换器中电流和电压的分配,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Cuk变换器输出电压可高于或低于输入电压，提供一个反极性不隔离的输出电压，其输人和输出电流都是连续的，具有较小的纹波分量，可以广泛应用于光伏发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪、光伏照明、光伏扬水应用等。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2. 开关电源型DC/DC变换器,开关电源型DC/DC变换器亦称为直-交-直型变换器，它通过半导体开关器件的开关动作将直流电先变为交流电，使用变压器对交流电进行变压，再经整流后又变为电压值不同的直流电。开关电源型DC/DC变换器在将直流电压变换为交流电压时频率是任意可选的，当使用高开关频率时，变压器和电感等磁性元件和平波用电容器可以小型化和轻量化。 开关电源型DCDC变换器在光伏发电系统中，常用于电压变换使用，如直流光伏输电线路、逆变器和负荷间的电压匹配变换等。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,1单端正激变换器 单端正激变换器的电路拓扑如图所示，由于变压器原边线圈磁通是单向的故称其为单端变压器，由于是在开关管T导通期间输入端电源经变压器向输出电容器和负载提供能量，故称为正激变换器。,单端正激变换器结构原理图,Uo=Us*D*N2/N1,正激变换器多用于小容量的降压电路，变压器在Ton期间积蓄的励磁能量，在Toff期间复位，需要一定的复位时间，否则会造成变压器磁心的磁饱和。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2单端反激式变换器 单端反激式变换器的电路拓扑如图所示，由于变压器初级线圈磁通也是单向的，故也称其为单端变压器，由于是在开关管Toff期间变压器向输出电容器和负载提供能量，故称为反激变换器。,单端反激式变换器结构原理图,反激式变换器分电流不连续模式和电流连续模式，前者存在变压器一次绕组和二次绕组电流之和为零的期间，后者则不存在该和电流为零的期间。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,电流断续模式下输出电压Uo和输入电压Us的关系如下： Uo = ( D2 Us2 Ts ) / ( 2 Lm Io )电流连续模式下输出电压Uo和输入电压Us的关系如下： Uo= D / (1 - D ) ( N2 / N1) Us,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3推挽变换器 推挽变换器的电路拓扑如图所示，由开关管、变压器、整流二极管、滤波电感器和电容器构成。推挽变换器中Tl开关和T2开关交替开通，即相互错开180相位，以相同脉冲宽度交替开通和关断。,推挽式变换器结构原理图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,设T1、T2的导通占空比为D = ton / Ts，输出电压Uo和输入电压Us的关系如下： Uo = 2D(N2N1)Us 开关期间的开关管T1、T2所耐受的电压是输入电压的2倍，要求开关管必须有足够的耐压容量，但开关管工作电流只有单管正激变换器的一半，所以管子的电流的额定值可以减小。 该电路的缺点是变压器利用率低，开关管耐压要求较高，开关T1、T2的导通期间的差异会导致变压器发生偏磁。此种推挽电路多应用于中小型直流变换器中。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,4桥式变换器 桥式变换器分全桥和半桥变换器。典型的全桥电路使用四个开关管，构成H型的开关拓扑形式，如图所示。,(a)全桥变换器,(b)半桥变换器,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,在全桥变换器中，开关管稳态时其施加的最高电压为电源电压，暂态过程中的尖峰电压亦被箝位于电源电压，比推挽变换器的工作电压降低一半多。箝位二极管将变压器漏抗储能归还给输入电源，有益于提高效率，宜于应用于大功率变换器。 半桥电路为使用全桥一半的开关管，其另一侧桥臂使用两个电容器分压。其开关管上承受的电压与全桥开关管相同，由于连接电容器的桥臂的电压保持恒定，因此变压器上只获得电源的一半电压，要获取与全桥电路和推挽电路相同功率，其开关管需流过二倍的电流，因此半桥变换器只适合于中等容量变换器。C3的作用是防止由于开关管T1、T2导通存在的差异，而导致的变压器偏磁。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏发电系统中的蓄电池充放电控制器,光伏充放电控制器是光伏发电系统中配合蓄电池特性，对蓄电池实施充电与放电控制的设备。为了最大限度延长蓄电池使用寿命，充放电控制器应对蓄电池进行有效的充电、防止过度充电或过度放电。光伏发电系统的蓄电池充放电控制，比其他应用场合充放电的控制要困难，因为光伏发电系统所供给的电力带有很大的不确定因素，同时运行也很不稳定。蓄电池自身的充电和放电特性不是一成不变的，它与蓄电池的使用过程及蓄电池的新旧程度有关，光伏发电系统由于受环境影响，蓄电池的使用不会像其他应用那样有稳定的充放电环境，光伏发电系统中广泛使用的是无记忆特性的铅酸蓄电池，但铅酸蓄电池充放电如果不当，则很容易造成损坏，要有较好的充放电控制器予以配合。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,1. 充电控制器,充电控制器主要分为并联型、串联型充电控制器和PWM控制器等几种类型。 PWM控制器：在光伏阵列与蓄电池之间串联一个开关管，通过控制串联开关管的导通脉宽，实现对充电电压或电流的控制。充电开始时，导通脉宽较宽，充电电流也较大，随着蓄电池电压的升高，充电电流的开通脉宽将变窄，充电电流变小。当蓄电池到达满充电状态时，充电电流将下降至涓流充电电流以下。PWM型控制器型充电器结构复杂、成本较高，多用于中、大型光伏发电系统，该系统一般具有光伏最大功率点跟踪能力，逐渐成为光伏充电控制器的主流。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,蓄电池的充电电流与电压的时间关系,充电开始时，首先在OA处电压急剧上升，然后沿ABC线电压缓慢上升，持续较长时间，到达C点之后电压很快上升，此时蓄电池中的水被电解，到达D点时蓄电池被充满。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,以不同的电流充电，曲线会有很大的不同。电流越大，充电时间越短，同时相应的充电终了电压也越高。另外充电过程还要受到电解液浓度、温度、充电历史的影响。 充电策略对于蓄电池非常重要，一个优化的充电策略可以提高蓄电池的性能和寿命；反之，一个不合理的充电策略会非常显著的降低蓄电池可用容量和使用寿命。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,1电压匹配型光伏充电器 光伏阵列经串联二极管隔离后直接给蓄电池充电，选择好光伏阵列工作点电压范围在蓄电池特性之最佳电压匹配范围，因此称作电压匹配型充电器。随着蓄电池充电进程，蓄电池端电压在增加，光伏输出电流在减小，工作点沿着光伏阵列的伏安特性曲线向开路电压方向移动。 由于光伏阵列的伏安特性曲线受光照变化影响，其工作曲线是不确定的，电压匹配也是不完全的，因此该充电器只能在太阳辐射充足时给蓄电池充满电。串联二极管的作用是防止反向放电，二极管可以使用硅整流二极管或肖特基二极管，肖特基二极管具有较低的管压降，因此其导通损耗较小。因为这种充电器充电效率较低，且蓄电池充电电压与光伏阵列匹配困难，现已较少采用。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2并联型光伏充电器 这是目前小型光伏发电系统用得最为普遍、也最为经济的充电器。其原理是在串联隔离二极管前接人一并联放电电路，当充电电压超过蓄电池设定的充电电压高限值时，开通旁路放电回路，将充电电压拉下来；当蓄电池充电电压低于蓄电池设定的充电电压低限值时，断开旁路放电回路，充电电压将回升。该控制使蓄电池充电电压保持在允许范围之内，实现蓄电池过充电保护。,此充电器简单可靠，但该充电控制方案缺少智能，光伏电池利用率相对较低。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,施德凯太阳能控制器电路图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3串联型光伏充电器 串联型光伏充电器原理是在光伏阵列与蓄电池之间串联一个开关管。当充电电压超过蓄电池设定的充电电压高限值时，关断充电开关管，蓄电池停止充电；当充电电压低于蓄电池设定的充电电压低限值时，开通充电开关管，蓄电池开始充电。该控制器可使蓄电池充电电压保持在允许范围之内，实现对蓄电池过充电和过放电保护。,此充电器简单可靠，多用于小型光伏系统，但其充电控制方案缺少智能，光伏电池利用率相对较低。,JBS107太阳能控制器电路图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,4PWM型光伏充电器 在路灯等光伏发电系统中，由于光伏电池本身的非线性以及其输出受到光强和温度的影响，传统的蓄电池恒压、恒流以及按指数规律的脉冲充电等方法很难适用于光伏充电控制器。在光伏系统中，给蓄电池充电的速度已经不被关心；取而代之的是如何在充电的过程中既能够最大限度的利用光伏电能，又合理的给蓄电池充电达到减小损耗、延长寿命的目的。影响蓄电池充电的因素有很多，如温度、蓄电池电解液浓度、蓄电池极板老化程度等。要得到一个最优化的蓄电池充电策略是不容易的，在系统中实现起来就更加困难了。实际系统中只有抓住主要的因素才能够获得较好的结果。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,一般的充电策略是以光伏电池电压、电流和蓄电池电压、电流、容量同时作为变量和控制对象的综合策略。它分成三个部分： 在蓄电池缺电的时候采用最大功率点跟踪策略，也就是快速充电阶段要尽可能充分利用光伏阵列最大可能的输出能量，但是充电电流不宜过大，一般控制充电率小于C1。这个阶段要求蓄电池充电到8090的额定容量。 在蓄电池的端电压超过过充阶段所设定的阈值时(单体电压一般设为2.52.7V)，采用PI调节的恒压控制。这个蓄电池可以充电到97以上。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,在蓄电池已经充满或者非常接近充满的时候，就要进入浮充阶段，它采用带PI调节的第二级恒压控制。对于蓄电池每个单体，电压可以设为2.27V。这个过程是为了给蓄电池一个很小的电流，以补充蓄电池自放电的损失。 蓄电池充电过程三个状态的判定和切换要遵循对蓄电池输入特性精确的控制，这里的判定标志就是蓄电池的电压、电流和容量。同时不同种类的蓄电池也有不同的参数，因此在实际系统中一定要事先查好和测准一些必要的阈值以实现上述控制策略。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,5蓄电池的温度补偿 蓄电池充电期间，其电解液温度会升高，随着温度的变化其充电的电压门槛也会跟着变化。充放电控制器要检测蓄电池温度，对蓄电池的充放电电压予以补偿。 蓄电池在充满电后，保持电量的最好方法就是加一个恒定电压到蓄电池上，对蓄电池进行浮充电。浮充电压值既要能补偿蓄电池的自放电电流、又不能太大，以免导致蓄电池内部因过充而发生化学成分的分解。 铅酸蓄电池的电压特性具有明显的负温度系数，2V的电池约为-4.0mV/。充电器应该根据蓄电池的温度系数给予温度补偿。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,6实现蓄电池长寿命使用的原则 保持蓄电池良好状态的充电过程截止电压有以下原则： 连续使用、不经常进行充放电循环的情况下，平均每个蓄电池单元的截止电压为2.40 V。 周期性的充放电循环运行，平均每个蓄电池单元的截止电压为2.35V，光伏充电系统一般工作在此状态下。 一天一次充放电循环，平均每个蓄电池单元的截止电压为2.45 V，保持2小时。 每月一次的满充，平均每个蓄电池单元的截止电压为2.45 V，并保持5小时。 每两个月一次均衡充电，平均每个蓄电池单元的截止电压为2.45 V，并保持15小时。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,使用中(放电)还需要遵循以下原则： 避免深度放电。 至少每月一次充电到满荷电状态(在单个蓄电池单元电压2.4 V，充电4小时)。 至少每3个月进行一次“均衡充电”。 尽可能使蓄电池处于“浮充电电压”状态(单体蓄电池电压为2.27 V)。 避免高温。 避免因温度过低而结冰。 及时补充蒸馏水(可维护性的铅酸蓄电池)。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,7光伏发电系统中的充电控制器 (1)数字芯片构成的充电控制器 图为一典型的以单片机构成的光伏路灯系统充电控制器的逻辑图。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,控制软件各部分实现的功能包括： 程序初始化。初始化常量、初始化变量、设置中断。 循环程序。作为整个程序的中心，负责根据外部条件控制程序的走向。当光电池的输出大于零(有一门槛值)时，进入充电子程序；当光伏电池电压为零(有一门槛值)时，进入开灯子程序。 充电和MPPT程序。将整个充电过程分为三个部分，即基于MPPT的快速充电过程、恒压过充阶段和恒压浮充阶段。 定时器中断程序。定时采集光伏电池电压、电流和蓄电池电压、电流。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,(2)模拟芯片构成的充电控制器 光伏发电系统中，除了单片机和DSP为核心芯片的蓄电池充电控制器外，还有一些集成电路公司生产的蓄电池充电控制专用芯片也可以用于光伏系统中铅酸蓄电池充电的智能控制，如德州仪器公司(TI)公司的充电控制芯片UC3906，它与外部开关管构成串联式充电电路，可以提供铅酸蓄电池的优化充电控制。它检测蓄电池的充电电压、充电电流和蓄电池温度，根据蓄电池状态，提供包括快充、过充和浮充三个阶段的充电方法；同时它还包括有充电状态下的过流、过充保护，浮充状态下的温度补偿等功能，可以使蓄电池的寿命得到最大限度的延长。此类芯片光伏应用于小型光伏充电控制器中，如光伏庭院灯照明系统的充电控制。,TI公司充电控制芯片UC3906构成的串联充电控制器电路原理图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,UC3906的一个非常重要特性就是具有精确的基准电压，其基准电压随环境温度而变，且变化规律与铅酸电池电压的温度特性完全一致，实现对工作环境温度的准确检测，保证电池既充足电又不会严重过充电。除此之外，芯片内部还包括一个输入欠压检测电路以对充电周期进行初始化。 采用充电控制芯片设计充电控制器，如果选型恰当，可以大大简化系统的软、硬件设计，并提高系统的可靠性。但由于这类集成芯片一般都是应用于电网给蓄电池充电场合，如果在独立工作的光伏发电系统中使用，将很难在实现充电控制的同时，达到实时跟踪光伏阵列最大功率点的目的。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2. 放电控制器,光伏发电系统特点决定了其所用之蓄电池每天都处于较深程度的放电循环状态。即每昼夜放电深度3050，检测和控制避免蓄电池过度放电非常重要。 一般来说，标称2V的铅酸蓄电池其截止放电电压在1.71.9V之间，蓄电池充放电电量统计也可以作为放电控制的一个约束条件。要准确统计蓄电池充电输入和放 电输出安时或瓦时电量是容易的，但并非充入蓄电池多少瓦时电量，蓄电池就能放出多少瓦时电量，蓄电池充电效率大约在80左右，长时间的积分统计可能会产生累计误差，需要不断加以修正，以充电电流降下来转入涓流充电拐点处近似为蓄电池充满标志来加以修正蓄电池电量。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,表明蓄电池以不同的放电电流的时间特性曲线，其放电截止电压是不同的。,按10A电流放电，可放电10小时，放电终止电压为1.8V；以25A放电，可放电时间为3小时，放电终止电压为1.75V。,某100Ah单体蓄电池放电时间特性曲线,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,某200Ah蓄电池放电的安时特性曲线,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,蓄电池放电深度与循环周期关系曲线,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏逆变电路,1. 逆变器及其分类,逆变器是将直流电转换为交流电，为“逆向”的整流过程，因此称为“逆变”。 逆变的需要: 许多负载需要交流电能，如变压器和电机等。直流供电系统有很大的局限性，不便于变换电压，负载应用范围也有限。除特殊用电负荷外，均需要使用逆变器将直流电变换为交流电。在并网光伏发电系统也需要使用具有并网功能的交流逆变器。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,逆变器的种类: 逆变器种类很多，根据逆变器线路逆变原理的不同，有自激振荡型逆变器、阶梯波叠加逆变器和脉宽调制(PWM)逆变器等。根据逆变器主回路拓扑结构不同，可分为半桥结构、全桥结构、推挽结构等。逆变器按输出类型，又分为电压型逆变器和电流型逆变器。 逆变器的控制: 可以使用逻辑电路或专用的控制芯片，也可以使用通用单片机或DSP芯片等。 逆变器的损耗和效率: 不论是变压器还是电子电路升压，都要损失一部分能量。最佳逆变器工作模式是直流输入电压与输电线路所需要的电压相匹配，直流电力只经过一层逆变环节，以降低变换环节的损耗。一般来说逆变器的效率在90以上。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,逆变环节损耗的能量转换为功率管、变压器的热形式能量，该热量对逆变器的运行是不利的，威胁装置的安全，要使用散热器、风扇等将此热量排出装置以外。逆变损耗通常包括二部分：导通损耗和开关损耗，MOSFET管开关频率较高，导通阻抗较大，由其构成的逆变器多工作在几十到上百千赫兹频率下；而IGBT则导通压降相对较小，开关损耗较大，开关频率在几千到几十千赫兹之间一般选择十千赫兹以下。 降低逆变器损耗主要是要降低开关损耗，新型的谐振型开关逆变器，在电压或电流过零点处实施开通或关断，从而可以降低开关损耗。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,逆变器的技术指标包括：使用环境为海拔不超过3000m，温度0+40(也有特殊用途的逆变器要求低温为-10或更低的)，相对湿度90以下，直流输入额定电压15，输出电压波动范围不超过5，频率波动范围不超过1，谐波畸变率不超过10，允许负载功率因数变化范围0.51.0，三相输出电压不对称度小于5，噪声小于80dB，具有过载200额定输出电流1分钟的能力，逆变器在额定负载下应能够可靠地启动。 逆变器保护功能：应具有输出短路保护、输出过电流保护、输出过电压保护、输出欠电压保护、输出缺相保护、功率电路超温保护等。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,1方波逆变器 此逆变器输出的电压波形为方波，逆变器线路简单，价格便宜，实现较为容易。缺点是大量的高次谐波成分在负载中会产生附加的损耗，并对通信等设备产生较大的干扰，需要外加额外的滤波器。此类逆变器多见于早期，设计功率不超过几百瓦的小容量逆变器。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2阶梯波逆变器 阶梯波逆变器输出的电压波形为阶梯波形，阶梯波逆变器的优点是输出波形接近正弦波，比方波有明显的改善，高次谐波含量减少。当阶梯波的阶梯达到16个以上时，输出的波形为准正弦波，整机效率较高。但此逆变器往往需要多组直流电源供电，需要的功率开关管也较多，给光伏阵列分组和蓄电池分组带来不便。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3 正弦波PWM逆变器 正弦波逆变器的优点是输出波形基本为正弦波，在负载中只有很少的谐波损耗，对通信设备干扰小，整机效率高。缺点是设备复杂、价格高。随着电力电子技术的进步，脉宽调制技术的普及，大容量SPWM逆变器逐渐成为逆变器的主流产品。以典型的单相全桥式逆变器为例，四个对角的开关功率管以每个对角线的二个开关管为一组，依次导通和关断，在负载二端就产生交替的正负电压，形成交流输出。当此交替导通的频率与负载所需的交流频率相同时，其输出的电压就为方波电压。当开关管以比逆变交流输出电压高许多的频率开关，且每次开关的脉宽按照正弦波的幅值调制时，就变成了SPWM输出的逆变器，加滤波器后其输出的电压波形就是正弦波输出逆变器。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,SPWM波形,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,PWM型逆变器广泛使用功率场效应管(PowerMOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、可关断型晶闸管(GTO)等作为开关管，而控制部分使用专用型PWM开关集成电路以及带有PWM输出的DSP和单片机芯片。构成一台实用型逆变器需要主功率电路、控制电路和辅助电路(如保护、测量和监控等)。 SPWM的开关频率一般是逆变器输出交流基波频率的十几倍、几十倍到上百倍。典型的逆变器交流输出频率为50Hz，逆变器开关频率可以几百到几十千赫。PWM调制的开关频率愈高，则逆变器输出波形谐波愈小，但开关过程带来的功率损耗则愈大，要权衡选取开关管PWM调制的开关频率。 低通滤波器由电感器和电容器构成。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,4电压型逆变器 电压型逆变器一般需要在直流侧接有平波电容，根据器件的开关动作，输出一连串的方波电压，方波的幅值箝位在直流电压上，逆变器是个电压源。该逆变器以对角线T1和T4、对角线T2和T3构成两组联动开关，两组开关交替开通，其结果是在负载端输分别为出正负的方波电压。,单相全桥电压型逆变器的主电路,具体器件的开关顺序选择，根据控制目的的不同也存在多种控制方式，如方波逆变控制、正弦波PWM逆变控制等。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,5电流型逆变器 电流型逆变器将直流电路上的电容器换成了直流电感，其输出是以直流电流为峰值的正负方波电流，逆变器是电流源。,三相电流型逆变器,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,逆变器输出侧设有滤波电容，由于换相能量会使电容瞬间充电，在负载电压上会出现浪涌电压，如图所示，同时该图还显示出了电流型逆变器按方波控制方式工作的基本工作模式，以及各开关管的导通方式及其波形。在一个开关周期里有6个工作模式，在不同模式下，直流正极侧和负极侧各有一个器件导通，间隔120。逆变器输出电流中所含的基波有效值I1，和直流电流Idc有如下关系：,三相电流型逆变器的各部分波形,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,6电压型与电流型逆变器的比较 电压型和电流型逆变器在电路结构、直流侧电源、输出波形等方面都有着对偶关系： 电压型逆变器在直流电源侧并联滤波电容器，逆变桥臂的开关管上有反并联续流二极管，逆变器的输出阻抗很小，输出为电压源，在一般情况下，输出电压波形是不等宽的脉冲列；而电流型逆变器在直流电源侧串联电抗器，电源阻抗大，输出为电流源，桥臂结构采用可控开关器件和二极管串联方式，输出电流波形是不等宽的脉冲列。 电压型逆变器的换相在上下桥臂间进行，而电流型逆变器的换相要在不同的相间进行。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,从开关暂态特性上看，电压型逆变器负载短路时的过电流危害严重，应予重点保护，暂态过电压保护相对容易；电流型由于电源阻抗很大，所以负载短路时的过电流危害不严重，而过电压危害较为严重，其保护也相对困难。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,7变频器 变频器是由三相整流器、电压源的无源逆变器和控制器构成，由于光伏发电系统所发电力为直流的特殊性，光伏变频器不需要三相整流器，而直接将变频器的直流母线接到光伏发电系统的直流母线上。鉴于光伏电力受光照的自然环境影响较大，直流母线一般要加蓄电池来稳定变频器的运行；在变频器控制端子要加弱电控制信号，不停地调节变频器的设定频率，改变变频器输出功率，以达到与光伏阵列最大功率点跟踪的目的。变频器作为可调节性负载要与光伏阵列的MPPT联合控制，在光伏发电系统中，电动机类动力性负荷尽量配合使用变频器，以减少电动机启动电流的冲击，并可以灵活调节电动机负荷。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2. 复杂逆变电路,1箝位型多电平变换器,中点箝位三电平变换器,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,多电平变换器起源于三电平中性点箝位电路。三电平中性点箝位电路的显著特点是比传统二电平电路多产生一个电平。,中点箝位三电平变换器输出波形,二极管箝位五电平变换器,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,二极管箝位五电平变换器输出线电压波形,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2级联式变换器 带独立直流电源的级联式变换器可以避免额外的箝位二极管和电压平衡电容，每个独立直流电源和一个单相全桥变换器相连，各个单相变换器输出以串联方式给负载供电，形成负载侧的多电平电压。 级联式多电平变换器不存在电容平衡问题，但输入需要多个直流隔离电源。多电平逆变器的输出谐波分量要远小于传统的二电平逆变器。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,级联式多电平变换器,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,新型多电平拓扑结构能够以较少的器件实现更多电平。通过合理选择开关管的导通状态，可以获得多达9级的电压。从波形图可以看出，该拓扑结构能较好地逼近参考波形。,新型级联拓扑结构图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,新型级联拓扑输出波形图,新型拓扑结构，既可以减少元器件数量，又可以获得较多的电平数目，且不存在电容电压平衡问题。因而是一种较为合适的用于小功率的光伏发电系统中的变换器拓扑结构。,三角波,正弦波,Ecologically Economically Creatively,PHOT