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1、太 阳 能 光 伏 发 电之 逆 变 器 技 术,二o一四年 四 月 十六 日,目录,逆变技术概述逆变电路基本工作原理离网逆变器关键技术并网逆变器关键技术,逆变与整流相对应，将直流电（DC）变成交流电（AC），它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。 在逆变器未出现以前，DC/AC变换是通过直流电动机-交流发电机来实现的，称为旋转变流器。随着电力电子技术的高速发展，大功率开关器件和集成控制电路的研发成功，利用半导体技术就可以完成DC/AC变换，这种变换装置称为静止变流器。通常所说的逆变器均指静止变流器。,一. 逆变技术概述,逆变概念,直流电源如蓄电池、干电池和太阳能电池,逆变电路,交流负载供电,一
2、. 逆变技术概述,逆变电路的作用,1）交流电动机的变频调速； 2）新能源的开发和利用； 3）电网谐波补偿；4）不间断电源；5）开关稳压电源和专用电源。,一. 逆变技术概述,逆变技术的应用场合,户用电源（几十瓦-几百瓦） ： 满足日常照明、生活用电需求。集中式电站（几千瓦-几百千瓦） ： 满足一个地区的供电需求屋顶并网电站（几千瓦-几兆瓦） ：利用建筑的屋顶发电并入电网荒漠并网电站（几百千瓦-几百兆瓦） ： 利用荒漠铺建大面积光伏组件，并入电网,一. 逆变技术概述,光伏系统逆变技术的应用场合,1）按输出交流频率分类 工频（50-60Hz）：大多数应用场合； 中频（400Hz-几十KHz）：工业、
3、军工应用场合； 高频（几十kHz-几MHz）：特殊应用场合。2）按输出交流能量的去向分类 无源逆变：独立逆变器； 有源逆变：并网逆变器、有源滤波器等。3）按输出电压相数分类：单相、三相、多相；,一. 逆变技术概述,逆变器的分类,4）按输出电压波形分类：方波 、修正正弦波、 正 弦波。,一. 逆变技术概述,逆变器的分类,电路,优点,缺点,功率范围,正激,电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单,变压器单向激磁，利用率低,几百W几kW,反激,电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单,难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低,几W几十W,全桥,变压器双向励磁，容易达到大功率,结构复杂，成
4、本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路,几百W几百kW,半桥,变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低,有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路,几百W几kW,推挽,变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单,有偏磁问题,几百W几kW,5）按电路结构分类：单端式、推挽式、半桥式、全桥式,一. 逆变技术概述,逆变器的分类,6）按输入直流电源类型分类电压型：直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；电流型：直流侧为电流源或串联大电感，直流侧电流基本无脉动；交流输出电流为矩形波，输
5、出电压因负载不同而不同；7）按输入与输出的电气隔离分类：非隔离型、 工频隔离、高频隔离。,一. 逆变技术概述,逆变器的分类,交流滤波电感,交流滤波电容,负载,输入直流电压,功率开关器件,直流平波电容,工频隔离变压器,二. 逆变电路基本工作原理,单相全桥逆变电路,上图中S1与S2、S3与S4由两对互补的信号控制，防止同一桥壁上的两个开关管直通，造成电源短路而烧毁功率器件。 当负载为纯阻性负载时，负载uo和io的波形与相位相同；当负载为感性负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。,二. 逆变电路基本工作原理,单相全桥逆变电路,当S1与S4导通时，负载上得到的是上正下负的电压当S2与S3导通时，负载
6、上得到的是上负下正的电压,二. 逆变电路基本工作原理,单相全桥逆变电路,系统在一个开关周期状态下的电压电流分析：,二. 逆变电路基本工作原理,单相全桥逆变电路,PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。 PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。,二. 逆变电路基本工作原理,PWM控制技术,PWM重要理论基础面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,冲量,窄脉冲的面积,效果基本相同,环节
7、的输出响应波形基本相同,二. 逆变电路基本工作原理,PWM控制技术,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,二. 逆变电路基本工作原理,PWM控制技术,对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波如下（单极性调制）：,二. 逆变电路基本工作原理,PWM控制技术,采用上述调制方式的PWM称为SPWM波，通过其控制功率器件，使得输出的波形经过滤波后为正弦波。SPWM波的调制方式还存在下面这种方式（双极性调制）：,二. 逆变电路基本工作原理,PWM控制技术,二. 逆变电路基本工作原理,PWM控制技术,输出电压控制 谐波含量（THD）抑制 提高系统效
8、率 抗冲击负载能力 抗三相负载不平衡能力 系统保护措施,三. 离网逆变器关键技术,三. 离网逆变器关键技术,输出电压控制：,离网逆变器为负载提供电源，其输出电压需严格满足负载需求。因此，对逆变器输出电压的控制是离网型控制器的首要功能，主要包括电压有效值和频率控制。通过对SPWM波调制比的实时控制即可保障输出电压稳定在额定值，对载波比控制即可保障输出频率稳定在额定值。,三. 离网逆变器关键技术,谐波含量（THD）抑制,保障逆变器输出电压在额定负载范围内的谐波含量满足国标要求(5%)，主要通过以下几种方法（具体分析见并网逆变器谐波抑制）：采取高性能功率器件； 对控制算法进行改进； 对功率器件的死区
9、进行补偿；,三. 离网逆变器关键技术,提高系统效率,逆变器输出效率对于新能源系统尤其重要，主要采取以下几种方式： 采取低损耗功率器件、降低功率器件的导通损害及开关损耗； 对软件算法进行优化； 选取高效率的滤波器、变压器等；,三. 离网逆变器关键技术,抗冲击负载能力,过载时不能使输出电压变为零，只能适当地限制；输出短路时能及时切断输出电压，并能承受长期短路故 障；当输出接入感性负载冲击时，不应该对输出电压造成过大的影响；当过载或短路故障解除时，设备应能自动恢复工作。,保护控制要求:,三. 离网逆变器关键技术,抗三相负载不平衡能力,针对太阳能系统的用户特性，单相负载占据了绝大多数，如果负载分配不平
10、衡，则会造成三相逆变电源的输出偏载。 对于三相全桥逆变电路，通过软件算法增加抗不平衡能力，可20%抗偏载；对于三个单相全桥组成的三相逆变电路，可以达到100%抗偏载能力；,三. 离网逆变器关键技术,系统保护能力,输入反接保护：防止用户误操作输入欠压保护：防止蓄电池放亏输入过压保护：保护系统输入在额定电压以内输出过载保护：保障负载在额定范围内输出短路保护：防止输出短路系统过热保护：系统防止过热损坏内部故障保护：内部器件故障检测,系统拓扑结构 闭环控制策略 光伏阵列的最大功率跟踪（MPPT） 并网功率因数（PF）控制 并网电流的谐波（THD）抑制 反孤岛效应防护 接地故障检测,四. 并网逆变器关键
11、技术,1.直接耦合系统2.工频隔离系统3.高频隔离系统4.高频不隔离系统,四. 并网逆变器关键技术,并网逆变器拓扑结构,闭环控制策略,四. 并网逆变器关键技术,实时鉴相SPLL特点：实时鉴相，快速锁定，跟踪最快缺点：实现复杂，抗干扰能力差 简单过零点鉴相SPLL特点：软硬件设计简单，实现容易缺点：锁定最慢，且跟踪精度受开关频率限制 基于变步长细分的过零点鉴相SPLL特点：跟踪较快，跟踪精度高，且抗干扰能力强缺点：仍存在鉴相和锁相的延迟问题,并网功率因数（PF）控制,四. 并网逆变器关键技术,并网功率因数测试结果 IEEE Std 929-2000标准在10%负载时PF = 0.85 测试结果1
12、0%负载 PF 0.95 50%负载 PF 0.9870%负载 PF 0.99 100%负载 PF = 1,并网功率因数（PF）控制,四. 并网逆变器关键技术,阵列输出曲线：输出功率随温度、日照变化而变化,光伏阵列的最大功率跟踪（MPPT）,四. 并网逆变器关键技术,光伏阵列的最大功率跟踪（MPPT）,扰动观察法,四. 并网逆变器关键技术,增量电导法,增量电导法，可以更好的适应天气的快速变化,光伏阵列的最大功率跟踪（MPPT）,四. 并网逆变器关键技术,电流波形畸变可能原因分析 AD采样的偏移和非线性误差 开关死区的影响 驱动电路的窄脉冲抑制作用 谐波抑制策略 采用高等级的传感器和AD ，并对
13、AD进行线性校准 基于直接脉冲补偿的开关死区效应抑制策略 驱动窄脉冲的合并输出,并网电流的波形畸变分析与谐波抑制,四. 并网逆变器关键技术,并网电流波形畸变测试结果,补偿前：THD=8.95%,补偿后：THD=2.85%,并网电流的波形畸变分析与谐波抑制,四. 并网逆变器关键技术,并网电流波形畸变测试结果,Idc = 0.2A,P=29.35kW,Ithd 3%,PF = 1,并网电流的波形畸变分析与谐波抑制,四. 并网逆变器关键技术,样机采用：被动电网频率和相位检测 + 主动电网频率偏移,反孤岛效应 防护,四. 并网逆变器关键技术,被动式孤岛效应检测被动检测电网电压、频率、相位等信息，根据检
14、测量的突变或异常情况，判断孤岛是否发生； 当逆变器输出与负载匹配时，被动式检测失效。 主动式孤岛效应检测主动式检测是指对系统的输出并网电流、有功功率、频率或相位加上周期性的扰动，并定时检测电网相应参数是否受到扰动的影响，以此为据判断是否有孤岛效应发生。,采用：被动电网频率和相位检测 + 主动电网频率偏移,反孤岛效应 防护,四. 并网逆变器关键技术,反孤岛测试结果（Load = 100% ）,反孤岛效应 防护,四. 并网逆变器关键技术,逆变器接地是将系统的外壳和避雷器的接地端连接到大地上，保证系统和人身安全。采用单点接地，防止各电路之间的传导干扰和共地传导干扰。 接地故障检测用于判断逆变器是否可靠接地，为操作人员提供安全保障。,采用检测系统的漏电流判断逆变器是否接地,接地故障检测,四. 并网逆变器关键技术,大力发展中国的太阳能事业,Thank You !,利在千秋,功在当代,
