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    光伏逆變器

    光伏逆變器 編輯
    逆變器又稱電源調整器,根據逆變器在光伏發電系統中的用途可分為獨立型電源用和并網用二種。根據波形調制方式又可分為方波逆變器、階梯波逆變器、正弦波逆變器和組合式三相逆變器。對于用于并網系統的逆變器,根據有無變壓器又可分為變壓器型逆變器和無變變壓器型逆變器。
    中文名 光伏逆變器 又    稱 電源調整器 分    為 獨立型電源用和并網用 整流電路 完成整流功能的電路 平衡壓差 蒲微防水透氣閥
    目錄
    1 簡介
    2 發展
    3 結構原理
    4 功能
    5 分類
    6 選購要素
    7 工作環境
    8 認證
    ? 認證目的
    ? 測試項目
    ? 認證周期及費用
    9 系統成本
    簡介編輯
    通常,把將交流電能變換成直流電能的過程稱為整流,把完成整流功能的電路稱為整流電路,把實現整流過程的裝置稱為整流設備或整流器。與之相對應,把將直流電能變換成交流電能的過程稱為逆變,把完成逆變功能的電路稱為逆變電路,把實現逆變過程的裝置稱為逆變設備或逆變器。
    如上所述,逆變器有多種類型,因此在選擇機種和容量時需特別注意。尤其在太陽能發電系統中,逆變器效率的高低是決定太陽能電池容量和蓄電池容量大小的重要因素。
    工作原理
    逆變裝置的核心,是逆變開關電路,簡稱為逆變電路。該電路通過電子開關的導通與關斷,來完成逆變的功能。[1]
    發展編輯
    2005至2010年,全球光伏逆變器市場規模由10.7億美元增至71.8億美元,年復合增長率為46.3%。歐洲、亞太地區及北美地區太陽能光伏產業的發展是光伏逆變器市場增長的主要推動力。
    2007年我國光伏新增裝機量僅20MW,到2010年國內光伏新增裝機量約520MW,是2009年228MW裝機量的2倍多。2011年我國新增裝機量達到2.9GW,在全球排名第四。
    2015年我國光伏逆變器需求量將達到5.0GW,2020年將達到10GW。
    在我國“十一五”期間,諸如逆變器等光伏發電配套設備多處在研發和創新階段,較少受到政策關注。“十二五”時期,光伏發電市場的趨勢是向全產業鏈發展,晶硅、組件以外的配套設備將受到市場與政策的進一步關注,發改委將逆變器列入指導目錄鼓勵類,就是這一趨勢的體現。
    2010年,我國光伏并網容量達500兆瓦,逆變器市場在5億元左右。目前,“十二五”國內的光伏裝機容量目標大幅上調到10GW,較之前公布的目標翻了一番。假設這些裝機全部并網,按照1元/瓦造價計算,預計到2015年,國內逆變器市場將達到100億元。
    隨著光伏逆變器行業競爭的不斷加劇,大型光伏逆變器企業間并購整合與資本運作日趨頻繁,國內優秀的光伏逆變器生產企業愈來愈重視對行業市場的研究,特別是對企業發展環境和客戶需求趨勢變化的深入研究。正因為如此,一大批國內優秀的光伏逆變器品牌迅速崛起,逐漸成為光伏逆變器行業中的翹楚![2]
    光伏逆變器是電力電子技術在太陽能發電領域的應用,行業技術水平和電力電子器件、電路拓撲結構、專用處理器芯片技術、磁性材料技術和控制理論技術發展密切相關。
    另外,功率等級在200 瓦~500 瓦的微型逆變器,可方便地在幕墻、窗臺、小型屋面上使用,在最近幾年也成為一個細分市場熱點。組串型光伏逆變器單相產品以升壓電路+單相無變壓器拓撲結構為主;組串型光伏逆變器三相產品以升壓電路+三相三電平無變壓器拓撲結構為主;電站型光伏逆變器以三相橋式電路拓撲為主,同時包括無變壓器和有變壓器兩類。光伏逆變器重點關注以下技術指標:高效率:光伏逆變器的轉換效率的高低直接影響到太陽能發電系統在壽命周期內發電量的多少。根據產品型號的不同,國際一流品牌的產品的轉換效率最高可達98%以上。長壽命:光伏發電系統設計使用壽命一般為20 年左右,所以要求光伏逆變器的設計壽命需要達到較高水平。高可靠性:光伏逆變器發生故障將會導致光伏系統停機,直接帶來發電量的損失,所以高可靠性是光伏逆變器的重要技術指標。寬直流電壓工作范圍:因為單塊太陽電池組件的輸出直流電壓比較低,所以在實際應用中需要進行多塊串聯,得到一個較高的直流電壓,再進行多組并聯后輸入到光伏逆變器。由于不同功率、不同電壓的光伏電池、不同的串并聯方案組合,要求對同一規格的光伏逆變器能夠適應不同的直流電壓輸入。所以,光伏逆變器具有越寬的直流電壓工作范圍,就越能適應客戶的實際應用需求。
    符合電網并網要求:各國電網對于接入電網的設備都有著嚴格的技術要求,包括并網電流諧波、注入電網直流分量、電網過欠壓時保護、電網過欠頻時保護、孤島保護等。隨著大量可再生能源發電設備的接入,對電網的運行、調度提出了新的挑戰,電網提出了如低電壓穿越、無功補償、儲能等新要求。
    結構原理編輯
    逆變器是一種由半導體器件組成的電力調整裝置,主要用于把直流電力
    光伏并網發電原理圖
    光伏并網發電原理圖
    轉換成交流電力。一般由升壓回路和逆變橋式回路構成。升壓回路把太陽電池的直流電壓升壓到逆變器輸出控制所需的直流電壓;逆變橋式回路則把升壓后的直流電壓等價地轉換成常用頻率的交流電壓。逆變器主要由晶體管等開關元件構成,通過有規則地讓開關元件重復開-關(ON-OFF),使直流輸入變成交流輸出。當然,這樣單純地由開和關回路產生的逆變器輸出波形并不實用。一般需要采用高頻脈寬調制(SPWM),使靠近正弦波兩端的電壓寬度變狹,正弦波中央的電壓寬度變寬,并在半周期內始終讓開關元件按一定頻率朝一方向動作,這樣形成一個脈沖波列(擬正弦波)。然后讓脈沖波通過簡單的濾波器形成正弦波。[3]
    元器件的構成:
    1、電流傳感器
    光伏逆變器一般采用霍爾電流傳感器來進行電流采樣,從小功率到大功率所采用的電流傳感器形式不一,列舉一些例子如下:
    500KW逆變器中JCE1005-FS電流傳感器外形圖
    500KW逆變器中JCE1005-FS電流傳感器外形圖
    100KW:檢測電流是300A左右,一般都會采用JCE308-TS7電流傳感器
    250KW:檢測電流是500A左右,一般都會采用JCE508-TS6電流傳感器
    500KW:檢測電流是1000A左右,一般會采用JCE1005-FS電流傳感器
    1MW:檢測電流是2000A左右,一般會采用JCE2005-FS電流傳感器
    對于電流傳感器要求精度高、響應時間快,而且耐低溫、高溫等環境要求,目前國內很多廠家都用開環電流傳感器來取代閉環電流傳感器,如:JCE1000-AXS、JCE1500-AXS、JCE2000-AXS等
    2、電流互感器
    一般采用BRS系列電流互感器,從幾百到幾千A不等,輸出信號一般采用0-5A為標準
    3、電抗器
    功能編輯
    逆變器不僅具有直交流變換功能,還具有最大限度地發揮太陽電池性能的功能和系統故障保護功能。歸納起來有自動運行和停機功能、最大功率跟蹤控制功能、防單獨運行功能(并網系統用)、自動電壓調整功能(并網系統用)、直流檢測功能(并網系統用)、直流接地檢測功能(并網系統用)。這里簡單介紹自動運行和停機功能及最大功率跟蹤控制功能。
    1、自動運行和停機功能
    早晨日出后,太陽輻射強度逐漸增強,太陽電池的輸出也隨之增大,當達到逆變器工作所需的輸出功率后,逆變器即自動開始運行。進入運行后,逆變器便時時刻刻監視太陽電池組件的輸出,只要太陽電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率,逆變器就持續運行;直到日落停機,即使陰雨天逆變器也能運行。當太陽電池組件輸出變小,逆變器輸出接近0時,逆變器便形成待機狀態。
    2、最大功率跟蹤控制功能
    太陽電池組件的輸出是隨太陽輻射強度和太陽電池組件自身溫度(芯片溫度)而變化的。另外由于太陽電池組件具有電壓隨電流增大而下降的特性,因此存在能獲取最大功率的最佳工作點。太陽輻射強度是變化著的,顯然最佳工作點也是在變化的。相對于這些變化,始終讓太陽電池組件的工作點處于最大功率點,系統始終從太陽電池組件獲取最大功率輸出,這種控制就是最大功率跟蹤控制。太陽能發電系統用的逆變器的最大特點就是包括了最大功率點跟蹤(MPPT)這一功能。
    分類編輯
    光伏逆變器有多種不同的分類方式,根據用途的不同可分為獨立型電源用逆變器和獨立型并網用逆變器(根據變壓器的有無,獨立型并網用逆變器還可分為變壓器型逆變器和無變壓器型逆變器)。
    根據波形調制方式的不同可分為方波型逆變器、階梯型逆變器、正弦波型逆變器和組合型三相逆變器。[4]
    選購要素編輯
    節能環保是大家共同關注的焦點,光伏產業從歐洲,澳洲,到現在的中國已經成了熱門行業,短短幾年內國內光伏逆變器生產廠家如春筍般的誕生,不過如何選擇太陽能逆變器這個還是有一定的標準。
      逆變器是太陽能光伏發電系統中的關鍵部件,所以對逆變器有較高的要求,在選用逆變器時應要注意其技術規格是否滿足系統設計的要求。一般重點考慮下列幾項技術指標。
      選購步驟及方法
      1、功率
      一般根據系統的要求配置對應功率段的逆變器,選型的逆變器的功率應該與太陽能電池方陣的最大功率匹配,一般選取光伏逆變器的額定輸出功率與輸入總功率相近左右,這樣可以節約成本。
      2、關鍵技術指標
      1)、選擇合適的輸入輸出電壓范圍,確保產品的最優組合。
      2)、逆變器的歐洲效率:它的高低將直接影響到光伏發電系統的設計成本與發電效率。
      3)、太陽電池方陣最大功率跟蹤功能(MPPT)及其效率。
      4)、應注意所選用的逆變器應有基本的保護功能,如過流/短路保護、過功率保護,過溫保護,防雷保護、孤島保護等功能。
      5)、逆變器輸出電流波形畸變率(THD%)要低于4%。
      3、認證標準
      作為光伏電站的核心設備,為保證電站的穩定、可靠、持續運行,并網逆變器必須有很高的可靠性。它應具有銷售目的地的安規認證,電磁兼容認證,及各國并網認證:(以歐洲為例)
      安規:EN62109-1,EN62109-2
      電磁兼容:EN61000-6-1,EN61000-6-2,EN61000-6-3,EN61000-6-4
      并網認證:VDE0126-1-1(德國)
      4、品牌與服務
      建議購買目前市場上口碑不錯的品牌,因為一般品牌形象好的公司,通常會在技術,以及維修服務上有較大的投資,能滿足對客戶的承諾。
    工作環境編輯
    1.光伏逆變器要求具有較高的效率。由于2011年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,必須設法提高逆變器的效率。
    2.光伏逆變器要求具有較高的可靠性。2012年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,這就要求逆變器具有合理的電路結構,嚴格的元器件篩選,并要求逆變器具備各種保護功能,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.光伏逆變器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重要作用,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,這就要求逆變器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.光伏逆變器在中、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要求,當中、大容量的光伏發電系統并網運行時,為避免與公共電網的電力污染,也要求逆變器輸出正弦波電流。
    認證編輯
    認證目的
    并網逆變器除了需要完成正常商用/工業用電器設備的安規測試以及EMC(電磁兼容)測試以外,最重要的部分是完成各個國家不同的并網測試,以滿足各個國家不同的電力設施的供電參數以及電網波動的保護需求.
    只有在具有資質的實驗室完成了這三部分的測試,并持有實驗室出具的報告后,逆變器才可以取得當地的并網許可,輸送電力到當地的電力公司,并取得電網補貼.  簡而言之,沒有完成當地逆變器認證測試的逆變器,是不被當地政府或者電力公司許可接入到電網,那當然你也就沒有資格獲取電網補貼。
    逆變器在測試中
    逆變器在測試中
    測試項目
    并網逆變器測試的項目必定包括三個部分:
    安規測試部分 Electrical Safety
    IEC EN 50178: Electronic equipment for use in power installations
    IEC EN 62109-1/2
    對應國內標準 GB17799.1,GB17799.3
    測試項目舉例:
    交流過電流測試
    測試方法:
    a.連接線路;
    b.把控制面板上的AC_I的端子拔掉,在AC_I端子的2、4腳加入對應等效電流的交流電壓信號。如圖4。電流等效電壓的關系:5A=1V。交流過電流整定值24A對應的等效交流電壓為4.8Vrms.
    c.電網頻率為50Hz,加入對應頻率的交流電壓信號,從整定值的90%緩慢(0.1V步長)增加到過流保護點,記錄此時電壓V1,換算成電流值;
    d.交流電壓信號跳變:從0V開始跳變到V1+0.2,從0V開始跳變到過流保護整定值110%,從0V開始跳變到過流保護整定值的150%,分別測量保護動作的時間;
    e.電網的頻率設為60Hz,重復c~d步驟;
    判定標準:
    1、交流過流,保護裝置能正常動作(查看GB信號變為高電平),并且LED屏上顯示故障一致;
    2、保護點在保護整定值的5%內,整定值最大不超過150%;
    3、保護動作時間在0.5秒以內。
    電磁兼容部分 EMC
    IEC EN 61000-6-1; IEC EN 61000-6-3: emissions and immunity requirements for equipment in residential environments
    IEC EN 61000-6-2; IEC EN 61000-6-4: emissions and immunity requirements for equipment in industrial environments
    EMC CE
    EMC CE
    并網測試部分
    對于并網測試部分,每個國家有不同的并網測試標準.
    以歐洲主要的幾個新能源補貼較好的國家為例.
    試驗應遵循各項配電網要求
    國家標準
    意大利: Enel 配電網連接準則 Guidelines for connections to the Enel Distribuzione grid  CEI 0-21 A70
    德國: DIN VDE 0126-1-1 & VDE 4105  BDEW中壓電網
    英國: G83-1 ENEA ER G59/1
    西班牙: 第661/2007號皇家法令 RD 1663/2000
    認證周期及費用
    一般來說,單個國家的測試項目完全完成安規,EMC以及并網測試項目需要兩個月的時間. 但是安規和EMC部分的測試結果可以相互參照,所以以歐洲為例. 安規和EMC測試只需要一次即可. 而每個國家的并網測試標準雖然各為不同,但是在細節項目上多為重疊,只是區別對應的參數不一致。但是每個國家的認證機構卻只是專長于各自的并網標準, 對于他國的標準,往往是采取外包的方式.
    所以對企業來說,最有效的方式是尋找具有資質能力的實驗室,一次性完成多個國家的并網測試標準。并由實驗室代為申請各個國家的入網許可,同時可以取得各個認證機構的證書
    歐洲最大的光伏實驗室Eurotest
    歐洲最大的光伏實驗室Eurotest
    系統成本編輯
    在光伏逆變器中運用新型SiCBJT可實現更低的系統成本。
    最近,碳化硅(SiC)的使用為BJT賦予了新的生命,生產出一款可實現更高功率密度、更低系統成本且設計更簡易的器件。SiCBJT運用在光伏電源轉換器中時,可實現良好效率,并且(也許更重要的是)能夠使用更小、更便宜的元件,從而在系統級別上顯著降低成本。
    在過去30多年中,諸如MOSFET和IGBT之類的CMOS替代產品在大多數電源設計中逐漸取代基于硅的BJT,但是今天,基于碳化硅的新技術為BJT賦予了新的意義,特別是在高壓應用中。
    碳化硅布局以同等或更低的損耗實現更高的開關頻率,并且在相同形狀因數的情況下可產生更高的輸出功率。運用了SiCBJT的設計也將使用一個更小的電感,并且使成本顯著降低。雖然運用碳化硅工藝生產的BJT相較于僅基于硅的BJT會更昂貴,但是使用SiC技術的優勢在于可在其它方面節省設計成本,從而實現更低的整體成本。本文介紹的升壓轉換器設計用于光伏轉換階段,其充分利用SiCBJT的優勢,在顯著降低系統成本的同時可實現良好的效率。
    碳化硅的優勢
    基于硅的BJT在高壓應用中失寵有幾方面原因。首先,SiBJT中的低電流增益會形成高驅動損耗,并且隨著額定電流的增加,損耗變得更糟。雙極運行也會導致更高的開關損耗,并且在器件內產生高動態電阻。可靠性也是一個問題。在正向偏壓模式下運行器件,可能會在器件中形成具有高電流集中的局部過溫,這可能導致器件發生故障。此外,電感負載切換過程中出現的電壓和電流應力,可能會導致電場應力超出漂移區,從而導致反向偏壓擊穿。這會嚴格限制反向安全工作區(RSOA),意味著基于硅的BJT將不具有短路能力。
    在運用碳化硅的新型BJT中不存在同樣的問題。與硅相比,碳化硅支持的能帶間隙是其三倍,可產生更大的電流增益,以及更低的驅動損耗,因此BJT的效率更高。碳化硅的擊穿電場強度是硅的10倍,因此器件不太容易受到熱擊穿影響,并且要可靠得多。碳化硅在更高的溫度下表現更出色,因此應用范圍更為廣泛,甚至包括汽車環境。
    從成本角度而言,碳化硅的高開關頻率在硬件級可實現成本節約。雖然相較于基于純硅,基于碳化硅的BJT更昂貴,但SiC工藝的高功率密度將會轉換為更高的芯片利用率,并且支持使用更小的散熱器和更小的過濾器元件。從長遠來看,使用更昂貴的碳化硅BJT實際上更省錢,因為整體系統的生產成本更低。我們設計的升壓轉換器就是一個例子。它設計用于額定功率為17千瓦的光伏系統中,具有600伏的輸出電壓,輸入范圍為400到530V。
    管理效率
    BJT的驅動器電路能夠減少損耗和提高系統效率。驅動器做了兩件事:對器件電容迅速充放電,實現快速開關;確保連續提供基極電流,使晶體管在導通狀態中保持飽和狀態。
    為了支持動態操作,15V的驅動器電源電壓引起更快的瞬態變化,并提高性能。SiCBJT的閾值電壓約為3V。通常情況下無需使用負極驅動電壓或米勒鉗位來提高抗擾度。
    SiCBJT是一個“常關型”器件,并且僅在持續提供基極電流時激活。選擇靜態操作的基極電流值會涉及到傳導損耗和驅動損耗間的折衷平衡。盡管有較高的增益值(因此會形成較低的基極電流),驅動損耗對SiCBJT仍非常重要,由于SiC布局具有較寬能帶間隙,因此必須在基極和發射極間提供一個更高的正向電壓。將基極電流增加一倍,從0.5A增加到1A,僅降低正向等效電阻10%,因此需要降低傳導損耗,同時使飽和度轉變為較高水平。這是我們設計升壓轉換器的一個重要考慮因素,因為它會在更高的電流紋波下運行。1A的基極電流會使開關能力增加至40A
    靜態驅動損耗是選定驅動電壓和輸入電壓的一個函數(間接表示占空比值)。實現高開關速度需要15V的驅動電壓,產生約8W的損耗,主要集中在基極電阻上。為了彌補這方面的損耗,對于動態和靜態操作,我們通常使用兩個單獨的電源電壓。圖1提供了示意圖。高壓驅動器的控制信號會“中斷”,因此它僅在開關瞬態期間使能。靜態驅動階段使用較低電壓,從而可以降低靜態損耗,并在整個導通期間保持激活狀態。
    使用兩個電源電壓降低損耗
    使用兩個電源電壓降低損耗
    圖1.使用兩個電源電壓降低損耗
    減小濾波器的尺寸
    在更高的開關頻率下運行,可降低無源元件的成本。為了進一步提高功率密度,我們著眼于改善濾波器電感的方法。在評估了各種核心材料的能力后,我們選擇了一種使用Vitroperm500F(一種薄夾層式納米晶體材料)制成的新型磁芯材料。該材料產生的損耗低,且在高頻率下運轉良好。此外也可在高飽和磁通值下運行,這意味著該材料比類似的鐵氧體磁芯(圖2右側)要小得多。使用Virtoperm磁芯構成的濾波電感器,約為參照系統的四分之一大小。
    圖2顯示了在最大電流紋波(40%)下對于不同材料將電感器尺寸作為開關頻率函數的因素。在此,我們假設電感量近似為電感值,而這又取決于峰值磁通密度和開關頻率。在達到指定的臨界點(在100mW/cm時定義的特定損耗3)后,需要降低峰值磁通量以避免過熱,從而在該點之外運行將不會導致其大小顯著減小。頻率一定時,Vitroperm500F可在所有材料中實現最佳性能。
    比較
    比較
    圖2.用作頻率函數的不同芯材的電感器大小,以及與Vitroperm和鐵氧體磁芯的大小比較
    圖3顯示了測得的效率級,包括采用兩階段解決方案的驅動損耗。根據計算得出的損耗分布如下圖曲線所示。該系統可以在沒有達到臨界溫度或飽和度的情況下達到高電流負載。該兩階段驅動解決方案會將驅動損耗降低至輸入功率的0.02%左右。整體損耗更低使得所需的散熱片尺寸減小,且更高的開關頻率允許使用更小的過濾器元件。所有這些特性最終有助于降低系統成本。
    原型圖
    原型圖
    圖3.48kHz時的效率和驅動損耗,以及原型圖

     

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