離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的要求
1.離網(wǎng)光伏發(fā)電體系對逆變器的要求
太陽能光伏發(fā)電是一種將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的新式發(fā)電技能，太陽光輻射能經(jīng)過太陽能電池轉(zhuǎn)化為電能，再經(jīng)能量儲存、操控與保護(hù)、能量變換等環(huán)節(jié)，使之可按人們的需求向負(fù)載供給直流電能或溝通電能。太陽能電池陣列所發(fā)出的電能為直流電，可是大多數(shù)用電設(shè)備選用的是溝通供電方法，所以體系中需求有逆變器將直流電變換為溝通電以供負(fù)載運(yùn)用。
在離網(wǎng)光伏發(fā)電體系中，逆變器的功率將直接影響到整個體系的功率，因而，太陽能光伏發(fā)電體系逆變器的操控技能具有重要的研究含義。在逆變器的規(guī)劃中，一般選用模擬操控方法，然而，模擬操控體系中存在許多缺點(diǎn)，如元器材的老化及溫漂效應(yīng)，對電磁攪擾較為敏感，運(yùn)用的元器材數(shù)目較多等。典型的模擬PWM逆變器操控體系選用自然采樣法將正弦調(diào)制波與三角載波比較，然后操控觸發(fā)脈沖，但三角波發(fā)生電路在高頻（20kHz）時簡單被溫度、器材特性等因素攪擾，然后導(dǎo)致輸出電壓中出現(xiàn)直流偏移，諧波含量增加，死區(qū)時間改變等晦氣影響。高速數(shù)字信號處理器（DSP）的發(fā)展使太陽能光伏發(fā)電體系中逆變器的數(shù)字化操控成為可能。因其大部分指令可在一個指令周期內(nèi)完成，因而能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的先進(jìn)的操控算法，進(jìn)一步改進(jìn)輸出波形的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能，并且能夠簡化整個體系的規(guī)劃，使體系具有杰出的一致性。
逆變器是一種功率電子電路，能把太陽能電池陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為溝通電為溝通負(fù)載供電，是整個太陽能發(fā)電體系的要害組件。離網(wǎng)光伏逆變器有兩個根本功用：一方面是為完成DC/AC轉(zhuǎn)化為溝通負(fù)載供給電能，另一方面是找出最佳的作業(yè)點(diǎn)以優(yōu)化太陽能光伏體系的功率。關(guān)于特定的太陽光輻射、溫度及太陽能電池類型，太陽能光伏體系都相應(yīng)有僅有的最佳電壓及電流，然后使光伏發(fā)電體系發(fā)出最大功率的電能。因而，在離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電體系中對逆變器提出以下根本要求：
1）逆變器要具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器材篩選，并要求逆變器具備各種保護(hù)功用，如輸入直流極性接反保護(hù)，溝通輸出短路保護(hù)，過熱，過載保護(hù)等。
2）具有較寬的直流輸入電壓習(xí)慣規(guī)模，因?yàn)樘柲芴柲茈姵仃嚵械亩穗妷弘S負(fù)載和日照強(qiáng)度而改變，蓄電池盡管對太陽能電池的電壓具有鉗位效果，但因?yàn)樾铍姵氐碾妷弘S蓄電池剩下容量和內(nèi)阻的改變而動搖，特別是當(dāng)蓄電池老化時其端電壓的改變規(guī)模很大，如12V蓄電池，其端電壓可在10V～16V之間改變，這就要求逆變器有必要在較寬的直流輸入電壓規(guī)模內(nèi)保證正常作業(yè)，并保證溝通輸出電壓安穩(wěn)在負(fù)載要求的電壓規(guī)模內(nèi)。
3）逆變器盡量減少電能變換的中間環(huán)節(jié)，以節(jié)省成本、進(jìn)步功率。
4）逆變器應(yīng)具有較高的功率，因?yàn)槟壳疤柲茈姵氐膬r格偏高，為了最大限度地運(yùn)用太陽能電池，進(jìn)步體系功率，有必要進(jìn)步逆變器的功率。
5）逆變器應(yīng)具有較高的可靠性，目前離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電體系主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電體系無人值守和保護(hù)。這就要求逆變器具有高的可靠性。
6）逆變器的輸出電壓與國內(nèi)市電電壓同頻、同幅值，以適用于通用電器負(fù)載。
7）在中、大容量的離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電體系中，逆變器的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。因在中、大容量體系中，若選用方波供電，輸出將含有較多的諧波重量，高次諧波將發(fā)生附加損耗，許多離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電體系的負(fù)載為通訊或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對電源品質(zhì)有較高的要求。關(guān)于離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電體系的逆變器而言，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，基波重量相對參閱波形在相位和幅度上無靜差；二是動態(tài)性能好，即在外界擾動下調(diào)理快，輸出波形改變小。
8）逆變器要具有必定的過載才能，一般能過載125%～150%。當(dāng)過載150%時，應(yīng)能繼續(xù)30s；當(dāng)過載125%時，應(yīng)能繼續(xù)60s以上。逆變器應(yīng)在任何負(fù)載條件（過載狀況除外）和瞬態(tài)狀況下，都應(yīng)保證規(guī)范的額外正弦輸出。
目前，逆變器存在的問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。進(jìn)步逆變器可靠性要從規(guī)劃方面著手，如下降器材的結(jié)溫，減少器材的電應(yīng)力，下降運(yùn)轉(zhuǎn)電流及選用優(yōu)質(zhì)的磁性材料等措施可大大進(jìn)步其可靠性。若規(guī)劃中選用第一代磁性材料，如TDK的H35、FDK的H45等，因?yàn)檫@種磁性材料的飽滿磁通密度及居里溫度點(diǎn)較低，因而在功率較大長時間作業(yè)極易出毛病。而選用第三代磁性材料，如TDK的H7C4、FDK的H63B和H45C、西門子的N47和N67，不光能有效地進(jìn)步轉(zhuǎn)化功率，并且大大進(jìn)步了逆變器可靠性。
要進(jìn)步逆變器的功率，就有必要減小其損耗。逆變器中的損耗一般可分為兩類：導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是因?yàn)槠鞑木哂斜囟ǖ膶?dǎo)通電阻Rds，因而當(dāng)有電流流過期將會發(fā)生必定的功耗，導(dǎo)通損耗功率Pc由下式核算：
Pc=I2×Rds
在器材注冊和關(guān)斷過程中，器材不只流過較大的電流，并且還接受較高的電壓，因而器材也將發(fā)生較大的損耗，這種損耗稱為開關(guān)損耗。開關(guān)損耗可分為注冊損耗、關(guān)斷損耗和電容放電損耗。
注冊損耗：
Pon=(1/2)×Ip×Vp×ts×f
關(guān)斷損耗：
Poff=(1/2)×Ip×Vp×ts×f
電容放電損耗：
Pcd=（1/2）×Cds×Vc2×f
總的開關(guān)損耗
Pcf=Ip×Up×ts×f＋(1/2)×Cds×Vc2×f
式中：Ip為器材開關(guān)過程中流過的電流最大值；Vp為器材開關(guān)過程中接受的電壓最大值；ts為注冊關(guān)斷時間；f為作業(yè)頻率；Cds為功率MOSFET的漏源寄生電容。
要減小上述這些損耗，就有必要對功率開關(guān)管施行零電壓或零電流轉(zhuǎn)化，即選用諧振型變換結(jié)構(gòu)。
2.光伏逆變器的根本規(guī)劃
光伏逆變器的根本規(guī)劃規(guī)范包括額外電壓、容量、功率、太陽能電池能效、輸出AC電源質(zhì)量、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）效能、通訊特性和安全性。
1）額外電壓。光伏逆變器的主要功用是把來自太陽能電池（有時是經(jīng)過穩(wěn)壓的DC電壓）的可變DC電壓轉(zhuǎn)化為AC電壓以給溝通負(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；而對工業(yè)使用來說，480V也很常見。對選定的逆變器拓?fù)鋪碚f，輸出AC電壓的規(guī)模將決定DC母線電壓以及每個半導(dǎo)體開關(guān)的額外電壓。
2）容量。它是光伏逆變器額外功率的另一個說法，該數(shù)值在200W（太陽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、價格越高。光伏逆變器的成本以美元/瓦來衡量。就一個恰到好處的規(guī)劃而言，確定容量時，有必要把浪涌、過載以及接連作業(yè)形式等狀況考慮在內(nèi)。
3）功率。每個光伏逆變器都對功率（輸出功率/輸入功率）提出較高的要求，例如，一個數(shù)千瓦逆變器的典型功率要求到達(dá)95%以上。基于太陽能電池陣列的能量轉(zhuǎn)化功率相對低（約在15%左右）的現(xiàn)實(shí)，所以，就以最小的太陽能電池容量取得最多的輸出功率來說，高效逆變器具有十分重要的含義。
4）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效果，它能平抑DC電壓可能的動搖并把負(fù)載還未運(yùn)用的能量存儲起來。
5）輸出電能質(zhì)量。源于逆變器內(nèi)在的開關(guān)形式特性，其AC輸出波形并非理想的正弦波，且一般還包括由脈寬調(diào)制（PWM）引入的寬規(guī)模高頻諧波。對許多電子負(fù)載來說，這些諧波有害無益。
6）MPPT效能。太陽能電池的輸出將遵從其電流-電壓曲線中的不同光照條件下的一系列特性曲線，因而，為取得最大功率輸出，需對電壓進(jìn)行動態(tài)調(diào)理。
7）通訊特性。對一個數(shù)千瓦的光伏逆變器來說，構(gòu)建一個用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲的通訊連接很有必要，作為一種通用操控器的微處理器(MCU)很合適該功用。
8）安全性。有兩個含義：一是要保證光伏發(fā)電體系的安全安穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，二是在操作、保護(hù)和維修時，保證作業(yè)人員應(yīng)沒安全風(fēng)險。
3.光伏逆變器規(guī)劃的要害要素
規(guī)劃光伏逆變器時要考慮的兩個要害要素是功率和諧波失真，功率可分成兩個部分：太陽能電池的功率和逆變器的功率。逆變器的功率在很大程度上取決于規(guī)劃運(yùn)用的外部元件，而不是操控器；而太陽能電池的功率與操控器怎么操控太陽能電池陣列有關(guān)。每個太陽能電池陣列的最大作業(yè)功率在很大程度上取決于太陽能電池陣列的溫度和光照。MCU有必要操控太陽能電池陣列的輸出負(fù)載，以使太陽能電池陣列的作業(yè)功率最大。因?yàn)檫@不是一個數(shù)學(xué)密集型算法，因而可運(yùn)用低成本MCU來完成任務(wù)。
目前，大多數(shù)光伏逆變器只能從太陽能電池陣列的某個最佳方位對太陽能電池陣列的整體功率進(jìn)行優(yōu)化。這種優(yōu)化方法嚴(yán)峻限制了太陽能發(fā)電體系的功率。假設(shè)光伏體系在非最佳電壓及電流水平下運(yùn)轉(zhuǎn)，體系的功率就十分低，白白浪費(fèi)收集太陽能的良機(jī)。在光伏發(fā)電體系中，太陽能電池是由多個串聯(lián)組在并聯(lián)后構(gòu)成的。就像節(jié)日燈飾一樣，假設(shè)串聯(lián)中的某個太陽能電池發(fā)生毛病，就會導(dǎo)致整個太陽能電池組失效。此外，當(dāng)有局部暗影等遮蓋太陽能電池時，這種狀況也會發(fā)生。
為了處理上述問題，目前太陽能電池都集成了旁路二極管，然后使電流能夠繞過被遮蓋的失效太陽能電池部份。發(fā)動二極管后，它可將電流從頭路由，即改道繞過失效的太陽能電池。這樣一來，不只浪費(fèi)了受遮蓋太陽能電池的供電潛能，并且會下降整個太陽能電池組的總電壓。基于選取太陽能電池最佳作業(yè)點(diǎn)的準(zhǔn)則，逆變器有必要決定是應(yīng)該優(yōu)化受影響太陽能電池串的電壓，仍是應(yīng)該優(yōu)化其他沒受影響太陽能電池組所發(fā)生的能量。在大多數(shù)的狀況下，逆變器都會選擇優(yōu)化沒有影響的太陽能電池組，并相應(yīng)地下降受影響太陽能電池組所發(fā)生的能量，甚至是完全關(guān)閉受影響的太陽能電池組。所導(dǎo)致的結(jié)果是，太陽能光伏發(fā)電體系只要出現(xiàn)10%的遮蓋，便會使太陽能光伏發(fā)電量下降一半。發(fā)生這一現(xiàn)象的原因主要是現(xiàn)行的太陽能光伏發(fā)電體系并不能與極度敏感的太陽能電池相匹配。因而，需求選用更高智能的技能和產(chǎn)品來開發(fā)太陽能。
位于光伏逆變器前端的旁路二極管，嚴(yán)格來說盡管不屬于逆變部分，可是作為太陽能發(fā)電設(shè)備的一部分，關(guān)于逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)乃至整個體系的可靠性也至關(guān)重要。美高森美新針對此使用推出兩款新產(chǎn)品：LX2400和SFDS1045。LX2400融入了最新的散熱封裝技能（CoolRUNTM工藝），無需散熱器，經(jīng)過10A電流時溫升小于10℃。以30年安穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)為方針的可靠性規(guī)劃保證了100μA以下漏電流，20A的穩(wěn)態(tài)電流才能和雙向抗閃電功用。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，特別合適直接使用于太陽能電池陣列。另外其共同的柔韌銅引腳具有衛(wèi)星使用級別的可靠性。
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江西艾能科技有限公司成立于2016年，是江西省光伏產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟單位，中國光伏行業(yè)協(xié)會會員單位，國家光電建筑專委會委員單位。公司秉持 “為家園開采陽光”的服務(wù)理念，專注于光伏發(fā)電項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)、建設(shè)安裝、運(yùn)維服務(wù)及品牌代理銷售，為客戶提供一站式光伏應(yīng)用解決方案。 ...
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