【科普】一文看懂光伏逆變器的工作原理!

戶用光伏網訊:工作原理及特點

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。該電路通過電力電子開關的導通與關斷，來完成逆變的功能。

特點：

(1)要求具有較高的效率。

由於目前太陽能電池的價格偏高，為了最大限度的利用太陽能電池，提高系統效率，必須設法提高逆變器的效率。

(2)要求具有較高的可靠性。

目前光伏電站系統主要用於邊遠地區，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變器有合理的電路結構，嚴格的元器件篩選，並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)要求輸入電壓有較寬的適應範圍。

由於太陽能電池的端電壓隨負載和日照強度變化而變化。特別是當蓄電池老化時其端電壓的變化範圍很大，如12V的蓄電池，其端電壓可能在10V~16V之間變化，這就要求逆變器在較大的直流輸入電壓範圍內保證正常工作。

光伏逆變器分類

有關逆變器分類的方法很多，例如：根據逆變器輸出交流電壓的相數，可分為單相逆變器和三相逆變器;根據逆變器使用的半導體器件類型不同，又可分為電晶體逆變器、晶閘管逆變器及可關斷晶閘管逆變器等。根據逆變器線路原理的不同，還可分為自激振蕩型逆變器、階梯波疊加型逆變器和脈寬調製型逆變器等。根據應用在併網系統還是離網系統中又可以分為併網逆變器和離網逆變器。為了便於光電用戶選用逆變器，這裡僅以逆變器適用場合的不同進行分類。

1、集中型逆變器

集中逆變技術是若干個並行的光伏組串被連到同一臺集中逆變器的直流輸入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模塊，功率較小的使用場效應電晶體，同時使用DSP轉換控制器來改善所產出電能的質量，使它非常接近於正弦波電流，一般用於大型光伏發電站(>10kW)的系統中。最大特點是系統的功率高，成本低，但由於不同光伏組串的輸出電壓、電流往往不完全匹配(特別是光伏組串因多雲、樹蔭、汙漬等原因被部分遮擋時)，採用集中逆變的方式會導致逆變過程的效率降低和電戶能的下降。同時整個光伏系統的發電可靠性受某一光伏單元組工作狀態不良的影響。最新的研究方向是運用空間矢量的調製控制以及開發新的逆變器的拓撲連接，以獲得部分負載情況下的高效率。

2、組串型逆變器

組串逆變器是基於模塊化概念基礎上的，每個光伏組串(1-5kw)通過一個逆變器，在直流端具有最大功率峰值跟蹤，在交流端並聯併網，已成為現在國際市場上最流行的逆變器。

許多大型光伏電廠使用組串逆變器。優點是不受組串間模塊差異和遮影的影響，同時減少了光伏組件最佳工作點與逆變器不匹配的情況，從而增加了發電量。技術上的這些優勢不僅降低了系統成本，也增加了系統的可靠性。同時，在組串間引人"主-從"的概念，使得系統在單串電能不能使單個逆變器工作的情況下，將幾組光伏組串聯繫在一起，讓其中一個或幾個工作，從而產出更多的電能。

最新的概念為幾個逆變器相互組成一個"團隊"來代替"主-從"的概念，使得系統的可靠性又進了一步。目前，無變壓器式組串逆變器已佔了主導地位。

3、微型逆變器

在傳統的PV系統中，每一路組串型逆變器的直流輸入端，會由10塊左右光伏電池板串聯接入。當10塊串聯的電池板中，若有一塊不能良好工作，則這一串都會受到影響。若逆變器多路輸入使用同一個MPPT，那麼各路輸入也都會受到影響，大幅降低發電效率。在實際應用中，雲彩，樹木，煙囪，動物，灰塵，冰雪等各種遮擋因素都會引起上述因素，情況非常普遍。

而在微型逆變器的PV系統中，每一塊電池板分別接入一臺微型逆變器，當電池板中有一塊不能良好工作，則只有這一塊都會受到影響。其他光伏板都將在最佳工作狀態運行，使得系統總體效率更高，發電量更大。在實際應用中，若組串型逆變器出現故障，則會引起幾千瓦的電池板不能發揮作用，而微型逆變器故障造成的影響相當之小。

4、功率優化器

太陽能發電系統加裝功率優化器(OptimizEr)可大幅提升轉換效率，並將逆變器(Inverter)功能化繁為簡降低成本。為實現智慧型太陽能發電系統，裝置功率優化器可確實讓每一個太陽能電池發揮最佳效能，並隨時監控電池耗損狀態。功率優化器是介於發電系統與逆變器之間的裝置，主要任務是替代逆變器原本的最佳功率點追蹤功能。功率優化器藉由將線路簡化以及單一太陽能電池即對應一個功率優化器等方式，以類比式進行極為快速的最佳功率點追蹤掃描，進而讓每一個太陽能電池皆可確實達到最佳功率點追蹤，除此之外，還能藉置入通訊晶片隨時隨地監控電池狀態，即時回報問題讓相關人員儘速維修。

光伏逆變器的功能

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(併網系統用)、自動電壓調整功能(併網系統用)、直流檢測功能(併網系統用)、直流接地檢測功能(併網系統用)。這裡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

早晨日出後，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後，逆變器即自動開始運行。進入運行後，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於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(晶片溫度)而變化的。另外由於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。相對於這些變化，始終讓太陽電池組件的工作點處於最大功率點，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。

光伏逆變器的主要技術指標

1.輸出電壓的穩定度

在光伏系統中，太陽電池發出的電能先由蓄電池儲存起來，然後經過逆變器逆變成220V或380V的交流電。但是蓄電池受自身充放電的影響，其輸出電壓的變化範圍較大，如標稱12V的蓄電池，其電壓值可在10.8～14.4V之間變動(超出這個範圍可能對蓄電池造成損壞)。對於一個合格的逆變器，輸入端電壓在這個範圍內變化時，其穩態輸出電壓的變化量應不超過額定值的Plusmn;5%，同時當負載發生突變時，其輸出電壓偏差不應超過額定值的±10%。

2.輸出電壓的波形失真度

對正弦波逆變器，應規定允許的最大波形失真度(或諧波含量)。通常以輸出電壓的總波形失真度表示，其值應不超過5%(單相輸出允許l0%)。由於逆變器輸出的高次諧波電流會在感性負載上產生渦流等附加損耗，如果逆變器波形失真度過大，會導致負載部件嚴重發熱，不利於電氣設備的安全，並且嚴重影響系統的運行效率。

3.額定輸出頻率

對於包含電機之類的負載，如洗衣機、電冰箱等，由於其電機最佳頻率工作點為50Hz，頻率過高或者過低都會造成設備發熱，降低系統運行效率和使用壽命，所以逆變器的輸出頻率應是一個相對穩定的值，通常為工頻50Hz，正常工作條件下其偏差應在Plusmn;l%以內。

4.負載功率因數

表徵逆變器帶感性負載或容性負載的能力。正弦波逆變器的負載功率因數為0.7～0.9，額定值為0.9。在負載功率一定的情況下，如果逆變器的功率因數較低，則所需逆變器的容量就要增大，一方面造成成本增加，同時光伏系統交流迴路的視在功率增大，迴路電流增大，損耗必然增加，系統效率也會降低。

5.逆變器效率

逆變器的效率是指在規定的工作條件下，其輸出功率與輸入功率之比，以百分數表示，一般情況下，光伏逆變器的標稱效率是指純阻負載，80%負載情況下的效率。由於光伏系統總體成本較高，因此應該最大限度地提高光伏逆變器的效率，降低系統成本，提高光伏系統的性價比。目前主流逆變器標稱效率在80%～95%之間，對小功率逆變器要求其效率不低於85%。在光伏系統實際設計過程中，不但要選擇高效率的逆變器，同時還應通過系統合理配置，儘量使光伏系統負載工作在最佳效率點附近。

6、額定輸出電流(或額定輸出容量)

表示在規定的負載功率因數範圍內逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產品給出的是額定輸出容量，其單位以VA或kVA表示。逆變器的額定容量是當輸出功率因數為1(即純阻性負載)時，額定輸出電壓為額定輸出電流的乘積。

7、保護措施

一款性能優良的逆變器，還應具備完備的保護功能或措施，以應對在實際使用過程中出現的各種異常情況，使逆變器本身及系統其他部件免受損傷。

(1)輸入欠壓保戶：

當輸入端電壓低於額定電壓的85%時，逆變器應有保護和顯示。

(2)輸入過壓保戶：

當輸入端電壓高於額定電壓的130%時，逆變器應有保護和顯示。

(3)過電流保護：

逆變器的過電流保護，應能保證在負載發生短路或電流超過允許值時及時動作，使其免受浪湧電流的損傷。當工作電流超過額定的150%時，逆變器應能自動保護。

(4)輸出短路保戶

逆變器短路保護動作時間應不超過0.5s。

(5)輸入反接保護：

當輸入端正、負極接反時，逆變器應有防護功能和顯示。

(6)防雷保護：

逆變器應有防雷保護。

(7)過溫保護等

另外，對無電壓穩定措施的逆變器，逆變器還應有輸出過電壓防護措施，以使負載免受過電壓的損害。

8.起動特性

表徵逆變器帶負載起動的能力和動態工作時的性能。逆變器應保證在額定負載下可靠起動。

9.噪聲

電力電子設備中的變壓器、濾波電感、電磁開關及風扇等部件均會產生噪聲。逆變器正常運行時，其噪聲應不超過80dB，小型逆變器的噪聲應不超過65dB。

選型技巧

逆變器的選用，首先要考慮具有足夠的額定容量，以滿足最大負荷下設備對電功率的要求。對於以單一設備為負載的逆變器，其額定容量的選取較為簡單。

當用電設備為純阻性負載或功率因數大於0.9時，選取逆變器的額定容量為用電設備容量的1.1～1.15倍即可。同時逆變器還應具有抗容性和感性負載衝擊的能力。

對一般電感性負載，如電機、冰箱、空調、洗衣機、大功率水泵等，在起動時，其瞬時功率可能是其額定功率的5～6倍，此時，逆變器將承受很大的瞬時浪湧。針對此類系統，逆變器的額定容量應留有充分的餘量，以保證負載能可靠起動，高性能的逆變器可做到連續多次滿負荷起動而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全，有時需採用軟起動或限流起動的方式。

安裝注意事項及維護

1、在安裝前首先應該檢查逆變器是否在運輸過程中有無損壞。

2、在選擇安裝場地時，應該保證周圍內沒有任何其他電力電子設備的幹擾。

3、在進行電氣連接之前，務必採用不透光材料將光伏電池板覆蓋或斷開直流側斷路器。暴露於陽光，光伏陣列將會產生危險電壓。

4、所有安裝操作必須且僅由專業技術人員完成。

5、光伏系統發電系統中所使用線纜必須連接牢固，良好絕緣以及規格合適。

發展趨勢

對於太陽能逆變器來講，提高電源的轉換效率是一個永恆的課題，但是當系統的效率越來越高，幾乎接近100%時，進一步的效率改善會伴隨著性價比的低下，因此，如何保持一個很高的效率，又能維持很好的價格競爭力將是當前的重要課題。

與逆變器效率的改善努力相比，如何提高整個逆變系統的效率，正逐漸成為太陽能系統的另一個重要課題。在一個太陽能陣列中，當局部的2~3%面積的陰影出現時，對採用一個MPPT功能的逆變器來講，此時的系統輸出電力惡劣時甚至會出現20%左右的功率下降!為了更好地適應類似這樣的狀況針對單一或部分太陽能組件，採用一對一的MPPT或多個MPPT控制功能是十分有效的方法。

由於逆變系統處於併網運行的狀況，系統對地的漏電會造成嚴重的安全問題;此外，為了提高系統的效率，太陽能陣列大多會被串聯成很高的直流輸出電壓使用;為此，在電極間因異常狀況的發生，很容易產生出直流電弧，由於直流電壓高，非常不容易滅弧，極容易導致火災。隨著太陽能逆變系統的廣泛採用，系統安全性的問題也將是逆變技術的重要部分。

此外，電力系統正在迎來智能電網技術的快速發展和普及。大量的太陽能等新能源電力的系統併網，給智能電網系統的穩定性提出了新的技術挑戰。設計出能夠更加快速、準確、智能化地兼容智能電網的逆變系統，將成為今後太陽能逆變系統的必要條件。

總的來說，逆變技術的發展是隨著電力電子技術、微電子技術和現代控制理論的發展而發展。隨著時間的推移，逆變技術正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發展。

原標題:光伏逆變器工作原理