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光伏發電系統中逆變電源的原理與實現
一、前言
??? 目前我國光伏發電系統主要是直流系統，即將太陽電池發出的電能給蓄電池充電，而蓄電池直接給負載供電，如我國西北地區使用較多的太陽能戶用照明系統以及遠離電網的微波站供電系統（如圖１所示）均為直流系統。此類系統結構簡單，成本低廉，但由于負載直流電壓的不同（如１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、等），很維實現系統的標準化和兼容性，特別是民用電力 ，由于大多為交流負載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進入市場。另外，光伏發電最終將實現并網運行，這就必須采用成熟，今后交流光伏發電系統必將成為光伏發電的主流。
二、光伏發電系統對逆變電源的要求
??? 采用交流電力輸出的光伏發電系統，由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和逆變電源四部分組成（并網發電系統一般可省去蓄電池），而逆變電源是關鍵部件。光伏發電系統對逆變電源要求較高：
（１）要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統效率，必須設法提高逆變電源的效率。
（２）要求具有較高的可靠性。目前光伏發電系統主要用于邊遠地區，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變電源具有合理的電路結構，嚴格的元器件篩選，并要求逆變電源具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護，交流輸出短路保護，過熱，過載保護等。
（３）要求直流輸入電壓有較寬的適應范圍，由于太陽電池的端電壓隨負載和日照強度而變化，蓄電池雖然對太陽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阻的變化而波動，特別是當蓄電池老化時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，這就要求逆變電源必須在較大的直流輸入電壓范圍內保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩定。
（４）在中、大容量的光伏發電系統中，逆變電源的輸出應為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產生附加損耗，許多光伏發電系統的負載為通信或儀表設備，這些設備對電網品質有較高的外，當中、大容量的光伏發電系統并網運行時，為避免鐸公共電網的電力污染，也要求逆變電源輸出正弦波電流。
三、逆變電源的原理與電路結構
??? 逆變電源將直流電轉化為交流，其電路原理如圖３所示、功率晶體管Ｔ１、Ｔ３和Ｔ２、Ｔ４交替開通得到交流電力，若直流電壓較低，則通過交流變壓器升壓，即得到標準交流電壓和頻率。對大容量的逆變電源，由人直流母線電壓較高，交流輸出一般不需要變壓器升壓即能達到２２０Ｖ，在中、小容量的逆變電源中，由于直流電壓較低，如１２Ｖ、２４Ｖ，就必須設計升壓電路。
??? 中、小容量逆變電源一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種其主電路分別如圖3、圖４和 圖５所示，圖４所示的推挽電路，將升壓變壓器的中性抽頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電力，由于功率晶體管共地邊接，驅動及控制電路簡單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點是變壓器利用率低，帶動感性負載的能力較差。
??? 圖３所示的全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點，功率晶體管T1、T4和T2、T3反相，T1和T2相位互差180度。調節T1和T2的輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。四只功率晶體管的控制信號和輸出波形如圖６所示，由于該電路具有能使T2和T4共同導通的功能，因而具有續流回路，即使對感性負載，輸出電壓波形也不會畸變。該電路的缺點是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專門驅動電路或采用隔離電源。另外，為防止上、下橋臂發生共同導通，在T1、T4及T2、T3之間必須設計先關斷后導通電路，即必須設置死區時間，其電路結構較復雜。
??? 推挽電路和全橋電路的輸出都必須加升壓變壓器，由于工頻升壓變壓器體積大，效率低，價格也較貴，隨著電力電子技術和微電子技術的發展，采用高頻升壓變換技術實現逆變，可實現高功率密度逆變，這種逆變電路的前級升壓電路采用推挽結構，但工作頻率均在２０ＫＨＺ以上，升壓變壓器采用高頻磁芯材料，因而體積小／重量輕，高頻逆變后經過高頻變壓器變成高頻交流電，又經高頻整流濾波電路得到高壓直流電（一般均在３００Ｖ以上）再通過工頻逆變電路實現逆變。
??? 采用該電路結構，使逆變虬路功率密度大大提高，逆變電源的空載損耗也相應降低，效率得到提高，該電路的缺點是電路復雜，可靠性比上述兩種電路低。
四、逆變電路的控制電路
??? 上述幾種逆變電源的主電路均需要有控制電路來實現，一般有方波和正弱波兩種控制方式，方波輸出的逆變電 源電路簡單，成本低，但效率低，諧波成份大。正弦波輸出是逆變電源的發展趨勢，隨著微電子技術的發民，有ＰＷＭ功能的微處理器也已問世，因此正弦波輸出的逆變技術已經成熟。
１、方波輸出的逆變電源目前多采用脈寬調制集成電路，如ＳＧ３５２５，ＴＬ４９４等。實踐證明，采用ＳＧ３５２５集成電路，并采用功率場效應管作為開關功率元件，能實現性能價格比較高的逆變電源，由于ＳＧ３５２５具有直接驅動功率場效應管的能力（圖７）并具有內部基準源和運算放大器和欠壓保護功能，因此其外圍電路很簡單。
２、正弦波輸出的逆變電源控制集成電路
正弦波輸出的逆變電源，其控制電路可采用微處理器控制，如INTEL公司生產的80C196MC、摩托羅拉公司生產的MP16以及MI－CROCHIP公司生產的PIC16C73等，這些單片機均具有多路ＰＷＭ發生器，并可設定上、上橋臂之間的死區時間，采用INTEL公司80C196MC實現正弦波輸出的電路如圖８所示，80C196MC完成正弦波信號的發生，并檢測交流輸出電壓，實現穩壓。
五、逆變電源主電路功率器件的選擇
逆變電源的主功率元件的選擇至關重要，目前使用較多的功率元件有達林頓功率晶體管（ＢＪＴ），功率場效應管（ＭＯＳＦＥＴ），絕緣柵晶體管（ＩＧＢＴ）和可關斷晶閘管（ＧＴＯ）等，在小容量低壓系統中使用較多的器件為ＭＯＳＦＥＴ，因為ＭＯＳＦＥＴ具有較低的通態壓降和較高的開關頻率，在高壓大容量系統中一般均采用ＩＧＢＴ模塊，這是因為ＭＯＳＦＥＴ隨著電壓的升高其通態電阻也隨之增大，而ＩＧＢＴ在中容量系統中占有較大的優勢，而在特大容量（１００ＫＶＡ以上）系統中，一般均采用ＧＴＯ作為功率元件。
一、前言
??? 目前我國光伏發電系統主要是直流系統，即將太陽電池發出的電能給蓄電池充電，而蓄電池直接給負載供電，如我國西北地區使用較多的太陽能戶用照明系統以及遠離電網的微波站供電系統（如圖１所示）均為直流系統。此類系統結構簡單，成本低廉，但由于負載直流電壓的不同（如１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、等），很維實現系統的標準化和兼容性，特別是民用電力 ，由于大多為交流負載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進入市場。另外，光伏發電最終將實現并網運行，這就必須采用成熟，今后交流光伏發電系統必將成為光伏發電的主流。
二、光伏發電系統對逆變電源的要求
??? 采用交流電力輸出的光伏發電系統，由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和逆變電源四部分組成（并網發電系統一般可省去蓄電池），而逆變電源是關鍵部件。光伏發電系統對逆變電源要求較高：
（１）要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統效率，必須設法提高逆變電源的效率。
（２）要求具有較高的可靠性。目前光伏發電系統主要用于邊遠地區，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變電源具有合理的電路結構，嚴格的元器件篩選，并要求逆變電源具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護，交流輸出短路保護，過熱，過載保護等。
（３）要求直流輸入電壓有較寬的適應范圍，由于太陽電池的端電壓隨負載和日照強度而變化，蓄電池雖然對太陽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阻的變化而波動，特別是當蓄電池老化時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，這就要求逆變電源必須在較大的直流輸入電壓范圍內保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩定。
（４）在中、大容量的光伏發電系統中，逆變電源的輸出應為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產生附加損耗，許多光伏發電系統的負載為通信或儀表設備，這些設備對電網品質有較高的外，當中、大容量的光伏發電系統并網運行時，為避免鐸公共電網的電力污染，也要求逆變電源輸出正弦波電流。
三、逆變電源的原理與電路結構
??? 逆變電源將直流電轉化為交流，其電路原理如圖３所示、功率晶體管Ｔ１、Ｔ３和Ｔ２、Ｔ４交替開通得到交流電力，若直流電壓較低，則通過交流變壓器升壓，即得到標準交流電壓和頻率。對大容量的逆變電源，由人直流母線電壓較高，交流輸出一般不需要變壓器升壓即能達到２２０Ｖ，在中、小容量的逆變電源中，由于直流電壓較低，如１２Ｖ、２４Ｖ，就必須設計升壓電路。
??? 中、小容量逆變電源一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種其主電路分別如圖3、圖４和 圖５所示，圖４所示的推挽電路，將升壓變壓器的中性抽頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電力，由于功率晶體管共地邊接，驅動及控制電路簡單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點是變壓器利用率低，帶動感性負載的能力較差。
??? 圖３所示的全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點，功率晶體管T1、T4和T2、T3反相，T1和T2相位互差180度。調節T1和T2的輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。四只功率晶體管的控制信號和輸出波形如圖６所示，由于該電路具有能使T2和T4共同導通的功能，因而具有續流回路，即使對感性負載，輸出電壓波形也不會畸變。該電路的缺點是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專門驅動電路或采用隔離電源。另外，為防止上、下橋臂發生共同導通，在T1、T4及T2、T3之間必須設計先關斷后導通電路，即必須設置死區時間，其電路結構較復雜。
??? 推挽電路和全橋電路的輸出都必須加升壓變壓器，由于工頻升壓變壓器體積大，效率低，價格也較貴，隨著電力電子技術和微電子技術的發展，采用高頻升壓變換技術實現逆變，可實現高功率密度逆變，這種逆變電路的前級升壓電路采用推挽結構，但工作頻率均在２０ＫＨＺ以上，升壓變壓器采用高頻磁芯材料，因而體積小／重量輕，高頻逆變后經過高頻變壓器變成高頻交流電，又經高頻整流濾波電路得到高壓直流電（一般均在３００Ｖ以上）再通過工頻逆變電路實現逆變。
??? 采用該電路結構，使逆變虬路功率密度大大提高，逆變電源的空載損耗也相應降低，效率得到提高，該電路的缺點是電路復雜，可靠性比上述兩種電路低。
四、逆變電路的控制電路
??? 上述幾種逆變電源的主電路均需要有控制電路來實現，一般有方波和正弱波兩種控制方式，方波輸出的逆變電 源電路簡單，成本低，但效率低，諧波成份大。正弦波輸出是逆變電源的發展趨勢，隨著微電子技術的發民，有ＰＷＭ功能的微處理器也已問世，因此正弦波輸出的逆變技術已經成熟。
１、方波輸出的逆變電源目前多采用脈寬調制集成電路，如ＳＧ３５２５，ＴＬ４９４等。實踐證明，采用ＳＧ３５２５集成電路，并采用功率場效應管作為開關功率元件，能實現性能價格比較高的逆變電源，由于ＳＧ３５２５具有直接驅動功率場效應管的能力（圖７）并具有內部基準源和運算放大器和欠壓保護功能，因此其外圍電路很簡單。
２、正弦波輸出的逆變電源控制集成電路
正弦波輸出的逆變電源，其控制電路可采用微處理器控制，如INTEL公司生產的80C196MC、摩托羅拉公司生產的MP16以及MI－CROCHIP公司生產的PIC16C73等，這些單片機均具有多路ＰＷＭ發生器，并可設定上、上橋臂之間的死區時間，采用INTEL公司80C196MC實現正弦波輸出的電路如圖８所示，80C196MC完成正弦波信號的發生，并檢測交流輸出電壓，實現穩壓。
五、逆變電源主電路功率器件的選擇
逆變電源的主功率元件的選擇至關重要，目前使用較多的功率元件有達林頓功率晶體管（ＢＪＴ），功率場效應管（ＭＯＳＦＥＴ），絕緣柵晶體管（ＩＧＢＴ）和可關斷晶閘管（ＧＴＯ）等，在小容量低壓系統中使用較多的器件為ＭＯＳＦＥＴ，因為ＭＯＳＦＥＴ具有較低的通態壓降和較高的開關頻率，在高壓大容量系統中一般均采用ＩＧＢＴ模塊，這是因為ＭＯＳＦＥＴ隨著電壓的升高其通態電阻也隨之增大，而ＩＧＢＴ在中容量系統中占有較大的優勢，而在特大容量（１００ＫＶＡ以上）系統中，一般均采用ＧＴＯ作為功率元件。
工商網監
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