逆变器在光伏发电系统中的应用

逆变器在光伏发电系统中的应用
摘要：综合阐述了光伏发电逆变技术发展趋势，并介绍了太阳能逆变器的原理。

针对目前我国采用低压、小容量并网运行的逆变技术导致逆变器数量多、系统结构复杂的现状，介绍了一种实现智能控制是发展太阳能逆变器技术的关键。

关键词：逆变器；光伏发电；智能控制
中图分类号：tm464文献标识码：a文章编号：
1.光伏发电系统对逆变电源的要求采用交流电力输出的光伏发
电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变器四部分组成，而逆变器是关键部件。

光伏发电系统对逆变器要求较高（1）要求具有较高的效率。

由于目前太阳能蓄电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

（2）要求具有较高的可靠性。

目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器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，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。

（3）要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳能蓄电池的电压具有重要作用，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１２ｖ蓄电池，其端电压可在１０～１６ｖ之间变化，这就要求逆变器必须在较大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
的稳定。

（4）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。

这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则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通信或仪表设备，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，为避免与公共电网的电力污染，也要求逆变器输出正弦波电流。

逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。

对大容量的逆变器，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到２２０ｖ，在中、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如１２ｖ、２４ｖ，就必须设计升压电路。

中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽电路，将升压变压器的中性插头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。

其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。

全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。

由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。

该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。

另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。

推挽
电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，由于升压变压器体积大，效率低，价格也较贵，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在２０ｋｈｚ以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电（一般均在３００ｖ以上）再通过工频逆变电路实现逆变。

采用该电路结构，使逆变器功率大大提高，逆变器的空载损耗也相应降低，效率得到提高，该电路的缺点是电路复杂，可靠性比上述两种电路低。

2.光伏发电逆变系统架构
由于光伏系统应用场合的多样性，势必导致太阳能电池板安装的多样性。

为了使太阳能的转换效率最高同时又兼顾应用地点的美观性等要素，光伏发电逆变系统具有多样化等特点来实现最佳方式的太阳能转换。

现在世界上比较通用的太阳能逆变方式为：集中式逆变器、单组式逆变器、组串式逆变器和近期发展迅速的ac模块逆变器，现将几种光伏逆变系统的特点和运用场合加以分析。

2.1集中式逆变器
集中逆变器一般用在过去大型光伏发电站(>10kw)的系统中，很多并行的光伏组串被连接到同一台集中逆变器的直流输入端，以达到较大的直流电压和功率级别，同时使用dc--ac转换控制器来控制逆变器所产出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流，其直流侧可提供高电压高电流输出。

这种架构最大的优点是系统的功率高,
成本低。

其缺点也显而易见，受光伏组串部分遮影和和相互匹配的影响，整个光伏系统的发电可靠性受某一个光伏阵列组工作状态影响较大，从而导致整个光伏系统的电产能和效率不高。

2.2单组式逆变器
目前己成为现在国际市场上最流行的逆变器。

它可以看作是集中式逆变器的简化，只有单组光电模块连接到一个逆变器上”通过这个逆变器，使其在直流侧具有最大功率峰值跟踪功能，在交流侧并联电网”单组式逆变器输入直流电压高，不需要电压放大环节，如果逆变器含有直流升压电路或者工频变压器，也可以串联较少的光电模块，一般用在中功率场合。

相比集中式逆变器，它不受组串间模块差异和遮影的影响，也没有分组二极管，在分组二极管上就不会产生功率损耗，拥有更高的系统效率，降低了成本,增加了可靠性。

2.3多组式逆变器
多组逆变器是单组式逆变器和集中式逆变器的进一步发展，多组逆变器通过各自独立的dc一dc变换器和公用的逆变器相连。

每组光伏阵列都可以实现单独控制。

dc一dc变换器完成对每组光伏阵列的最大功率点跟踪控制和提升电压功能，逆变器环节完成输出交流电流。

这样,使用者也可以用几个模块构成独立的光伏发电系统。

系统扩建也很容易。

因为每组拥有独立dc一dc变换器，可以将组串间的遮影影响和由于组串间的差异而引起的损失减到最小。

这样，系统更加灵活和高效。

2.4 ac模块逆变器
ac模块逆变器是近几年发展比较快,研究比较热的技术。

ac模块逆变器相比前几种逆变器的结构具有以下优点：
2.4.1保证每个组件都运行在最大功率点，具有很强的局部抗阴影能力，消除了光电模块间的配合不当,系统结构更加合理，系统的功率损耗降低。

2.4.2将逆变器和光伏组件集成,可以实现模块化设计,实现即插即用和热插拔,系统扩展简单方便。

2.4.3并网逆变器基本不独立占用安装空间，分布式安装便于配置，充分利用空间适应不同安装角度和方向的应用。

2.4.4系统冗余度高,可靠性高，单个模块的失效不会对整个系统造成影响。

3.光伏发电中逆变技术发展趋势
随着光伏发电的迅速发展，对光伏发电提出了新的要求，需要大规模的并网发电，与电网连接同步运行。

并网逆变器作为光伏发电的核心，对其要求也越来越高。

首先，要求逆变器输出的电量和电网电量保持同步，在相位、频率上严格一致，逆变器的功率因数近于1；其次，满足电网电能质量的要求，逆变器应输出失真度小的正弦波; 第三，具有对孤岛检测的功能，防止孤岛效应的发生，避免对用电设备和人身造成伤害; 第四，为了保证电网和逆变器安装可靠运行，两者之间的有效隔离及接地技术也非常重要。

3.1 结构发展趋势
过去逆变器的结构由工频变压器结构的光伏逆变器转化多转换级带高频变压器的逆变结构，功率密度大大提高，但也导致了逆变器的电路结构复杂，可靠性降低。

现阶段的光伏并网逆变器普遍采用了串级型，经过反复研究表明: 逆变器采用多串级逆变结构，融合了串级的设计灵活、高能量输出与集中型低成本的优点，是今后光伏并网逆变结构的一种发展趋势。

3.2 控制策略发展趋势
光伏并网发电系统中的逆变器需要对电流和功率进行控制，逆变器输出电流主要采用各种优化的pwm 控制策略。

对光伏阵列工作点跟踪控制主要有: 恒电压控制策略和 mppt 光伏阵列功率点控制策略。

现代控制理论中许多先进算法也被应用到光伏逆变系统的控制中，如人工神经网络、自适应、滑模变结构、模糊控制等。

将来光伏并网系统的综合控制成为其研究发展的新趋势。

基于瞬时无功理论的无功与谐波电流补偿控制，使得光伏并网系统既可以向电网提供有功功率，又可以实现电网无功和谐波电流补偿。

这对逆变器跟踪电网控制的实时性、动态特性要求更高。

4.结语
21世纪是一个机遇与挑战并存的时代，大量使用常规能源使地球生态恶化，环境受到污染，利用光伏发电等可再生能源可以积极有效的解决此类问题的发生。

随着各国不断完善能源法律制度和出台相关能源政策，光伏发电技术日趋成熟以及成本的日益降低，太阳能发电在未来能源结构中的战略地位将日益凸显。

因此作为太阳能
光伏应用的光伏逆变器的研究越来越受到人们的重视。

参考文献:
[1]肖巧景.3kw光伏并网逆变器的研制7d].河南:郑州大
学,2007.
[2] [211韩思亮,马皓.新型boost逆变器滑模控制策略[j].江南大学学报.2004,3.。