逆变器及其工作原理 - 太阳能光伏系统中的关键设备

太阳能光伏系统中使用的逆变器 (Inverter) 是一种将太阳电池所产生的直流电能转换成交流电能的转换装置。它使转换后的交流电的电压、频率与电力系统的电压、频率一致。常见的有正弦波形、模拟正弦波形以及矩形波形等种类。逆变器的功能如下:

(1) 尽管太阳电池的输出电压、功率受太阳电池的温度、日照强度的影响，但逆变器可使太阳电池的出力最大;

图6.8 无变压器功率控制器

图6.9 无变压器功率控制器

(a)挂式无变压器功率控制器　(b) 住宅用无变压器功率控制器

(2) 抑制高次谐波电流流入电力系统，减少对电力系统的影响;

(3) 当剩余电能流向电力系统时，能对电压进行自动调整，维持负载端的电压在规定的范围之内。

逆变器有电压型 (Voltage Source Type)、电流型 (Current Source Type) 等多种型式。逆变器的直流侧的电压保持一定的方式称为电压型，直流侧的电流保持一定的方式称为电流型，太阳能光伏系统一般使用电压型逆变器。交流输出的控制方法有两种: 电流控制方法和电压控制方法。独立型太阳能光伏系统一般用电压控制型 (Voltage Control Type) 逆变器，系统并网型太阳能光伏系统一般用电流控制型(Current Control Type) 逆变器，即电流控制电压型逆变器。

1. 逆变器的原理

如图6.10所示，逆变器由三极管或IGBT等开关元件构成，控制器使开关元件有一定规律地连续开 (ON)、关 (OFF)，将正 (或负) 的直流切断，然后使极性正负交替，最后将直流输入转换成交流输出。

图6.11所示为逆变器将直流电转换成交流电的过程。半导体元件以1/100秒的速度开关，将直流切断，将其中一半的波形反向而得到矩形的交流波形，然后经过滤波 (使矩形的交流波平滑)，最后得到交流波形。

图6.10 逆变器的原理

图6.11 逆变器将直流电转换成交流电的过程

最简单的逆变器电路如图6.12所示。如果使半导体元件开关以1/100秒的速度进行，极性的状态如图状态 (1) 和状态 (2) 所示连续变化，则可以得到50Hz的矩形波的交流电。但由于家庭等负载一般使用交流电，因此还必须将矩形波的交流电经过滤波变成商用正弦波交流电。

图6.12 逆变器的简单电路

太阳能光伏系统所用逆变器一般使用脉冲宽度调制PWM (Pulse Width Modulation) 方式来实现将矩形波交流电转换成商用电力系统的正弦波交流电。即利用高频PWM技术，使开关在半周期间内同方向多次地动作，将正弦波两端附近地方的电压宽度变窄，中间部分宽度变宽，得到脉冲波的序列，然后通过滤波器则得到图6.13中所示的正弦波交流电。

图6.13 PWM逆变器的原理

与系统并网的逆变器是如何将太阳电池产生的电力送往电力系统的呢? 其原理是先与系统电源侧同期，然后调整系统侧电压与逆变器输出电压 (滤波器前) 之间的相位，以调整功率和电流的流向。当逆变器侧的电压的相位超前系统侧的电压的相位时，则向系统侧送电; 相反，若逆变器侧的电压的相位滞后系统侧的电压的相位，并且逆变器侧有负载的话，则系统向逆变器侧送电。

下面介绍系统并网逆变器的输出功率调整方法。图6.14为电流控制电压型逆变器电路。图中ei为逆变器输出电压，e L为电抗器的电压，ec为系统电压，ic为逆变器的输出电流，电抗器L称为并网电抗器。

逆变器始终监视系统的电压，如果要增加输出功率，可使半导体元件的触发时间提前，使逆变器的输出电压的相位超前系统侧的电压的相位。由图6.15所示的系统并网逆变器的输出矢量图可知，如果使误差信号的相位超前，系统电压ec与逆变器的输出电压ei的相位角θ增加，可使输出功率增加。

图6.14 电流控制电压型逆变器电路

图6.15的矢量图表示逆变器的输出电压、输出电流以及系统电压之间的关系。可利用控制手段使逆变器的输出电流ic始终与系统电压ec同向，电抗器的电压e L与逆变器的输出电流ic始终保持90°的关系并使其超前工作。

逆变器的输出功率为:

P=ec.ic　(6.1)

电抗器L的阻抗为ωL，则:

ic=e L/ (ωL)　(6.2)

根据系统并网逆变器的输出矢量图可知:

e L=eisinθ　(6.3)(www.xing528.com)

将 (6.2)、(6.3) 式代入 (6.1) 式，则可得出逆变器的输出功率:

由上式可知，控制系统电压ec与逆变器的输出电压ei的相位角θ，则可控制逆变器的输出功率。下面将要介绍的最大功率点跟踪控制与此方法基本一样，即利用自动控制技术，监视最大功率并调整相位角θ，使太阳电池的输出功率最大。

图6.15 系统并网型逆变器的输出矢量图

2. 最大功率点跟踪控制

太阳电池的出力受日照强度、太阳电池的温度影响，为了使太阳电池的输出功率 (Output Power of PV System) 最大，需要对太阳电池的最大功率点进行跟踪控制 (Maximum Power Point Tracking，MPPT)。最大功率时的工作点称为最佳工作点，此时的电压、电流分别称为最佳工作电压、最佳工作电流。为了使太阳电池的输出功率最大，功率控制器使太阳电池的出力电压上下变动，并监视其功率的变化，改变电压使功率向增加的方向变化，使太阳电池输出最大功率。

图6.16所示为最大功率点控制的基本原理。通过增减太阳电池的输出电流，使电压变化，测出相应的输出功率，然后找出最大功率点，使太阳电池的出力最大。例如，当A点在最佳工作电压以上运行，B点在最佳工作电压以下运行时，无论哪种情况都朝向最佳工作电压的O点移动。但是，当日照强度变化时，功率的变化与电压的操作无关，因此很难推算最佳工作电压。此时可根据多次电压操作、功率监视等，当判断为日照变化中时，则暂时停止最佳工作电压的推算。由于太阳电池的出力最大值随日照量的变化而变化，因此工作点也随之变化。为了使太阳电池的出力最大，因此功率控制器的运行条件也必须随之改变。

太阳电池组件的输出功率与太阳电池的温度、日照强度有关，图6.17为太阳电池的温度与输出功率的关系，图6.18为日照强度与输出功率的关系。由图可以看出，太阳电池的温度越高，日照强度越弱，则输出功率越小。因此，当这些条件变化时，由于输出功率的最佳工作点发生变化，所以有必要随温度、日照强度变化而相应地改变太阳电池组件的工作点，即利用让太阳电池组件在图6.17、图6.18所示的A、B、C、D点的最大功率点处运行。即利用最大功率点跟踪控制。

由于在电压-功率 (V-P) 特性曲线上存在输出功率最大点，为了使出力工作在最大功率点，有必要进行最大功率点跟踪控制 (MPPT)。最大功率点跟踪控制有登山法、扫描法、d V/d I法、二值比较法以及遗传式算法等，这里主要介绍登山法。

图6.16 最大功率点控制

图6.17 太阳电池的温度与输出功率

登山法的原理如图6.19所示。最初，功率控制器控制其输出电压与太阳电池的输出电压(以下称目标输出电压) VA一致，当太阳电池的实际输出电压与VA一致时，测出此时的太阳电池的输出功率WA，然后将目标输出电压移至VB处，同样功率控制器控制其输出使实际输出电压与VB一致，测出此时的太阳电池的输出功率WB，如果输出功率增大，即WB＞WA则可以断定此时的功率并非最大功率点，然后将目标输出电压变为VC重复以上的过程。

图6.18 日照量与输出功率

图6.19 登山法最大功率点跟踪控制

这样，同样地进行重复判断，最后到达最大功率点D点，再从D点往前，然后将目标输出电压变为VE，此时输出功率WE变小，因此可知超过了最大功率点(D点)。此时，将目标输出电压返回到VD，测出此时的输出功率，如果WD大于WE，再将目标输出电压返回到VC，同样测出此时的输出功率，如果WD大于WC，可知又超过了最大功率点D点。这样不断地重复以上的过程使其在最大功率点D点附近运行，使太阳电池的输出功率最大。这种方法不适用于当太阳电池的输出功率曲线存在2个以上峰值曲线的情况，为了对应这种情况，可使用扫描法。

3. 自动运行停止功能

当太阳冉冉升起，日照强度不断增大，达到可以输出电能的条件时，逆变器开始自动运行，监视太阳电池的出力，并在满足可输出电能的条件下连续运行。如果出现阴天等情况，太阳电池的出力变小，逆变器的出力接近0W时，逆变器进入待机状态，日落时逆变器自动停止运行。

4. 自动电压调整功能

一般的家庭所使用的电压为220V的交流电，为了使配电线的电压维持在一定的范围之内，电气公司采用了比较复杂的控制方式。但是，当系统并网型太阳能光伏系统与电力系统并网并处在反送电运行状态时，如果并网点处的电压超过电力系统的允许范围，需要有自动电压调整以防止并网点的电压上升。但对于小容量的太阳能光伏系统来说，由于几乎不会引起电压上升，所以一般省去此功能。

自动电压调整功能有两种方法，一个是超前相位无功功率控制方法，另一个是出力控制方法。

(1) 超前相位无功功率控制

系统并网逆变器一般在功率因素为1的条件下运行，即逆变器输出电流的相位与电力系统的电压同相。但是，并网点处的电压上升并超过超前相位无功功率控制所设定的电压时，逆变器的输出电流的相位超前电力系统的电压的相位，从系统侧流入的电流为滞后电流，因此使并网点处的电压下降，此时需要进行超前相位无功率控制。超前相位无功功率控制可使功率因素达到0.8，电压上升的抑制效果可达2%～3%的程度。

(2) 出力控制

由于超前相位无功功率控制只能使电压上升的抑制效果达2%～3%的程度，如果系统电压继续上升，此时必须抑制太阳能光伏系统的出力，即出力控制以防止并网点处的电压上升。

5. 系统并网控制

系统并网控制的目的是使功率控制器的交流输出的电压值、波形、交流电流中所含的高次谐波电流在规定范围值以内，从而避免对电力系统造成大的影响。

为了满足上述要求，需要对交流输出功率的电压、电流进行控制。图6.20为系统并网控制方块图。由图可知，首先取出实际系统交流电压，并作为逆变器的交流输出电压的目标值。功率控制器时常取太阳电池组件的最大出力，决定最大功率点工作时的太阳电池组件的目标输出电压，并与实际输出电压进行比较、运算， PID运算器计算出系统输出电流的目标值，即目标系统电流值。然后，将目标系统电流与实际系统电流比较，根据运算差分值，PI控制器修正逆变器的PWM导通宽度以控制实际系统电流始终与目标系统电流相同。

图6.20 系统并网控制方块图