光伏发电系统中的晶闸管 逆变器设计
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摘要： 随着我国光伏发电应用规模与范围的不断扩大,光电市场对逆变器的需求量迅速增加。与此同时, 高质量、低成本的逆变器产品逐渐成为光电系统开发人员和广大用户所关注的问题。逆变器是电力电子技术的一个重要应用方面。

一、前言

随着我国光伏发电应用规模与范围的不断扩大,光电市场对逆变器的需求量迅速增加。与此同时, 高质量、低成本的逆变器产品逐渐成为光电系统开发人员和广大用户所关注的问题。晶闸管 逆变器是电力电子技术的一个重要应用方面。电力电子技术是电力、电子、自动控制及半导体等多种技术相互渗透与有机结合的综合技术。因此, 逆变器所涉及的知识领域和技术内容十分广泛, 本文仅从光伏发电系统应用的角度, 对逆变器的基本工作原理、电路系统的构成作一简要介绍。近年来, 随着“小家电”产品的日益增多, 愈来愈多的人在使用可充电电池, 许多家庭都备有小型蓄电池充电器。充电器的核心部件是整流器, 它的功能是将50 周波的交流电整流成为直流电。逆变器与整流器恰好相反, 它的功能是将直流电转换为交流电。这种对应于整流的逆向过程, 称之为“逆变”。太阳电池在阳光照射下产生直流电, 然而以直流电形式供电的系统有很大的局限性。例如: 日光灯、电视机、电冰箱、电风扇等均不能直接用直流电源供电, 绝大多数动力机械也是如此。此外, 当供电系统需要升高电压或降低电压时,交流系统只需加一个变压器即可, 而在直流系统中升降压技术与装置就要复杂得多了。因此, 除特殊用户外, 在光伏发电系统中都需要配备逆变器。逆变器还具有自动调压或手动调压功能, 可改善光伏发电系统的供电质量。综上所述, 逆变器已成为光伏发电系统中不可缺少的重要配套设备。

二、逆变器基本工作原理

逆变器的种类很多, 各自的具体工作原理、工作过程不尽相同, 但是最基本的逆变过程是相同的。下面以最基本的逆变电路———单相桥式逆变电路为例

具体说明逆变器的“逆变”过程。单相桥式逆变电路如图1 (a) 所示。输入直流电压为E , R 代表逆变器的纯电阻性负载。当开关K1 、K3 接通时, 电流流过K1 、R 和K3 , 负载上的电压极性是左正右负; 当开关K1 、K3 断开, K2 、K4 接通时, 电流流过K2 、R 和K4 , 负载上的电压极性反向。若两组开关K123 、K224 以频率f 交替切换工作时, 负载R 上便可得到频率为f 的交变电压Ur , 其波形如图1 ( b)所示。该波形为一方波, 其周期T = 1 / f 。图1 ( a) 电路中的开关K1 、K2 、K3 、K4 , 实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变器电路中常用的功率开关器件有功率晶体管( GTR) 、功率场效应管( POWER MOSF E T) 、可关断晶闸管( GTO) 及快速晶闸管( SCR) 等。近年来又研

制出功耗更低、开关速度更快的绝缘栅双极型晶体管( IGB T) 。

三、逆变器电路系统构成

图1 ( a) 所示电路是逆变器的逆变过程示意图。实际上要构成一台实用型逆变器, 尚需增加许多重要的功能电路及辅助电路。输出为正弦波电压,

其工作过程简述如下: 由太阳电池方阵(或蓄电池) 送来的直流电进入逆变器主回路,经逆变转换成交流方波,再经滤波器滤波后成为正弦波电压,最后由变压器升压后送至用电负载. 逆变器主回路中功率开关管的开关过程,是由系统控制单元通过驱动回路进行控制的. 逆变器电路各部分的工作状态及工作参量,经由不同功能的传感器变换为可识别的电信号后,通过检测回路将信息送入系统控制单元进行比较、分析与处理. 根据判断结果,系统控制单元对逆变器各回路的工况进行调控. 例如:通过电压调节回路可调节逆变器的输出电压值. 当检测回路送来的是短路信息时,系统控制单元通过保护回路,立即关断逆变器主回路的功率开关管,从而起到保护逆变器的作用. 逆变器工作的主要状态信息及故障情况,通过系统控制单元可以送至显示与报警回路. 根据逆变器功率大小,功能多少的不同,图2 中的系统控制单元,简单的可以是一块组件构成的逻辑电路或专用芯片;复杂的可以是单片微处理器或16 位微处理器等等. 此外,图2 所示的是逆变器典型的电路系统原理,实际的逆变器电路系统可以比图2 简单许多,也可较之更复杂. 最后要说明的是,一台功能完善、性能良好的逆变器,除具有如图2 所示的全部功能电路外,还要有二次电源. 该电源负责向逆变器所有用电部件、元器件、仪表等,提供不同等级的低压工作用电.

四、光伏系统中逆变器分类及特点

有关逆变器分类的原则很多, 例如: 根据逆变器输出交流电压的相数, 可分为单相逆变器和三相逆变器; 根据逆变器使用的半导体器件类型不同, 又可分为晶体管逆变器、晶闸管逆变器及可关断晶闸管逆变器等; 根据逆变器线路原理的不同, 还可分为自激振荡型逆变器、阶梯波叠加型逆变器和脉宽调制型逆变器等等。为了便于光电用户选用逆变器, 这里仅以逆变器输出交流电压波形的不同进行分类, 并对不同输

出波形逆变器的特点做一简要说明。

11 方波逆变器

方波逆变器输出的交流电压波形为方波, 如图3(a) 所示。此类逆变器所使用的逆变线路也不完全相同, 但共同的特点是线路比较简单, 使用的功率开关管数量很少。设计功率一般在几十瓦至几百瓦之间。方波逆变器的优点是: 价格便宜, 维修简单。缺点是: 由于方波电压中含有大量高次谐波, 在以变压器为负载的用电器中将产生附加损耗, 对收音机和某些通讯设备也有干扰。此外, 这类逆变器中有的调压

范围不够宽, 有的保护功能不够完善, 噪声比较大。

21 阶梯波逆变器

此类逆变器输出的交流电压波形为阶梯波, 如图3 ( b) 所示。逆变器实现阶梯波输出也有多种不同的线路, 输出波形的阶梯数目也不一样。阶梯波逆变器的优点是: 输出波形比方波有明显改善, 高次谐波含量减少, 当阶梯达到17 个以上对输出波形可实现准正弦波。当采用无变压器输出时, 整机效率很高。缺点是: 阶梯波叠加线路使用的功率开关管较多, 其中有些线路形式还要求有多组直流电源输入。这给太

阳电池方阵的分组与接线和蓄电池的均衡充电均带来麻烦。此外, 阶梯波电压对收音机和某些通讯设备仍有一些高频干扰。

31 正弦波逆变器

这类逆变器输出的交流电压波形为正弦波, 如图3 (c) 所示。正弦波逆变器的特点是: 综合技术性能好, 功能完善, 但线路复杂。正弦波逆变器的优点是: 输出波形好, 失真度很低, 对收音机及通讯设备无干扰, 噪声也很低。此外, 保护功能齐全, 整机效率高。缺点是: 线路相对复杂, 对维修技术要求高,价格较贵。上述三种类型逆变器的分类, 有利于光电系统开发人员和用户对逆变器进行识别和选型。实际上, 波

形相同的逆变器在线路原理, 使用器件及控制方法等等方面仍有很大区别。