风光互补发电系统逆变器的选用.doc

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1、风光互补发电系统逆变器的选用一、任务导入电子技术中交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。如图3-45所示是逆变器。图3-45 逆变器二、相关知识学习情境：风光互补发电系统逆变技术（一）风光互补发电系统对逆变器的要求 目前我国风光互补发电系统主要是采用直流母线，即将太阳能电池发出的直流电能、风力发电机发出的交流电能经整流给蓄电池充电，而由蓄电池直接给直流负载供电，如我国使用较多的太阳能户用照明

2、系统，以及远离电网的微波站、移动电话基站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如12V、24V、48V等），很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流供电的风光互补发电系统很难作为商品进入市场。另外，风光互补发电系统的最终发展趋势是为边远地区和海岛居民提供生产、生活用电，所以提供交流电源的风光互补发电系统将是今后发展的主流。 输出交流电的风光互补发电系统由太阳能光伏阵列、风力发电机、充放电控制器、蓄电池和逆变器5部分组成，而逆变器是系统中的关键部件。风光互补发电系统对逆变器的要求如下。 (1)逆变器要具有合理的电路结构，严格的

3、元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。 (2)具有较宽的直流输入电压适应范围。由于太阳能光伏阵列、风力发电机的端电压随负载、风力和日照强度而变化，蓄电池虽然具有一定的钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在1016V之间变化，这就要求逆变器必须在较宽的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压稳定在负载要求的电压范围内。 (3)逆变器尽量减少电能变换的中间环节，以节约成本、提高效率。 (4)逆变器应具有较高的效率。由于目前风光互

4、补发电系统发出电的价格偏高，为了最大限度地利用风力发电机郝太阳能电池，提高系统效率，必须提高逆变器的效率。逆变器在工作时其本身也要消耗一部分电力，因此，它的输入功率要大于它的输出功率。逆变器的效率即是逆变器输入功率与输出功率之比。例如，一台逆变器输入了100W的直流电，输出了90W的交流电，逆变器的效率就是90%。 (5)逆变器应具有较高的可靠性。目前风光互补发电系统主要用于边远地区，许多风光互补发电系统无人值守和维护。 (6)逆变器的输出电压与用电负载的电压同频、同幅值，并满足用电负载对电能质量的要求。(7)在中型风光互补发电系统中，逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中容量的风光

5、互补系统中，若采用方波供电，输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多风光互补发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的要求。对于风光互补发电系统的逆变器而言，高质量的输出波形有两方面的指标要求：一是稳态精度高，包括THD值小，基波分量相对参考波形在相位和幅度上无静差；二是动态性能好，即在外界扰动下调节快，输出波形变化小。8)逆变器要具有一定的过载能力，一般能过载125%150%。当过载150%时，应能持续30s；当过载125%时，应能持续60s以上。逆变器应在任何负载条件（过载情况除外）和瞬态情况下，保证标准的额定正弦输出。（二)逆变器的类型 逆变器按输出波形可分

6、为以下几类。 (1)方波逆变器。方波逆变器输出的交流电压波形为方波，此类逆变器可通过不同的逆变拓扑实现，但其共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关管数量少，设计功率一般在百瓦至千瓦之间。方波逆变器的优点是：线路简单、价格便宜、维修方便。其缺点是输出的方波电压中含有大量高次谐波，将在带有铁芯电感或变压器的用电负载中产生附加损耗，对音频和某些通信设备有干扰。此外，这类逆变器还有调压范围不够宽，保护功能不够完善，噪声比较大等缺点。 方波输出的逆变器目前多采用脉宽调制集成电路，如SG3525、TJA94等。实践证明，采用SG3525集成电路，并采用功率场效应管作为开关功率元件，能实现性能价格比较高的

7、逆变器，由于SG3525具有直接驱动功率场效应管的能力，并具有内部基准源、运算放大器和欠压保护功能，因此其外围电路简单。 (2)阶梯波逆变器。此类逆变器输出的交流电压波形为阶梯波，逆变器实现阶梯波输出也有多种不同的电路结构，输出波形的阶梯数目差别很大。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个以上时输出波形可实现准正弦波；当采用无变压器输出时，整机效率高。其缺点是，阶梯波叠加电路使用的功率开关管较多，其中有些电路形式还要求有多组直流电源输入，这对风光互补发电系统的发电部分分组与接线和蓄电池的均衡充电不利。此外，阶梯波电压对音频和某些通信设备仍有一些高频干

8、扰。(3)正弦波逆变器（图3-46所示）。正弦波逆变器输出的交流电压波形为正弦波。正弦波逆变器的优点是，输出波形好，失真度很低，对音频及通信设备干扰小，噪声低。此外，保护功能齐全，对电感型和电容型负载适应性强，整机效率高。其缺点是，线路相对复杂，对维修技术要求高，价格较高。 图3-46 正弦波逆变器 早期的正弦波逆变器多采用分立电子元件或小规模集成电路组成模拟式波形产生电路，直接模拟50Hz正弦波，采用切割几千赫兹至几十千赫兹的三角波产生一个SPWM正弦脉宽调制的高频脉冲波形，经功率转换电路、升压变压器和LC漶波器得到正弦交流输出。但是这种模拟式正弦波逆变器的电路结构复杂、电子元件数量多、整机

9、工作可靠性低。随着大规模集成微电子技术的发展，专用SPWM波形产生芯片和智能CPU芯片逐渐取代小规模分立元件电路，组成数字式SPWM波形逆变器，使正弦波逆变器的技术性能和工作可靠性得到很大提高，已成为当前中、大型正弦波逆变器的优选方案。逆变器分类的方法很多，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，可分为晶体管逆变器、MOSFET模块及可关断晶闸管逆变器等；根据功率转换电路又可分为推挽电路、桥式电路和高频升压电路逆变器等。(三）逆变器的主要技术性能指标 逆变器的主要技术性能指标如下。 (1)额定输出电压。在规定的直流输入电压允许波动范围内

10、，逆变器应能输出的额定电压值。对输出额定电压值的稳定精度有如下规定。在稳态运行时，电压波动范围应有一个限定，如其偏差不超过额定值的3%或5%。 在负载突变（额定负载的0、50%、100%）或在有其他干扰因素影响的动态情况下，其输出电压偏差不应超过额定值的8%或10%。 逆变器应具有足够的额定输出容星和过载能力，以满足最大负荷下设备对电功率的需求。额定输出容量表征逆变器向负载供电的能力。当逆变器的负载不是纯阻性时，也就是输出功率因数小于1时，逆变器的带负载能力将小于所给出的额定输出容量值。 在离网风光互补发电系统中均以蓄电池为储能设备，当标称电压为12V的蓄电池处于浮充电状态时，端电压可达13.

11、5V，短时间过充状态可达15V。蓄电池带负荷放电终了时端电压可降至10.5V或更低。蓄电池端电压的起伏可达标称电压的30%左右。这就要求逆变器具有较好的调压性能，才能保证风光互补发电系统供给负载稳定的交流电压。 (2)逆变器的输出电压稳定度表征逆变器输出电压的稳压能力，多数逆变器产品给出的是在输入直流电压允许波动范围内该逆变器输出电压偏差的百分数，通常称为电压调整率。高性能的逆变器应同时给出当负载由0 100%变化时，该逆变器输出电压偏差的百分数，通常称为负载调整率。性能良好的逆变器的电压调整率应3%，负载调整率应6%。 (3)输出电压的波形失真度。当逆变器输出电压为正弦波时，应规定允许的最大

12、波形失真度（或谐波含量）。通常以输出电压的总波形失真度表示，其值不应超过5%。 (4)额定输出频率。逆变器输出交流电压的频率应是一个相对稳定的值，通常为工频50Hz。正常工作条件下其偏差应在1%以内。我国的交流负载是在50Hz的频率下工作的。而高质量的设备需要精确的频率，因为频率偏差会引起用电设备的性能下降。 (5)负载功率因数。负载功率因数表征逆变器带感性负载或容性负载的能力，在正弦波条件下，负载功率因数为0.70.9（滞后），额定值为0.9。逆变器产生的电流与电压间的相位差的余弦值即为功率因数，对于电阻型负载，功率因数为1，但对电感型负载（户用系统中常用负载）功率因数会下降，有时可能低于0

13、.5。功率因数由负载确定而不是由逆变器确定。 (6)额定输出电流。额定输出电流（或额定输出容量）表示在规定的负载功率因数范围内逆变器的额定输出电流。有些逆变器产品给出的是额定输出容量，其单位以VA或kVA表示。逆变器的额定容量是当输出功率因数为1（即纯阻性负载）时，额定输出电压与额定输出电流的乘积。 (7)额定逆变输出效率。额定逆变输出效率等于逆变器输出功率除以输入功率，逆变器的效率会因负载的不同而有很大变化。逆变器的效率值表征自身功率损耗的大小，通常以百分数表示。lOkW级的通用型逆变器实际效率只有70%80%，将其用于风光互补发电系统时将带来总发电量20%30%的电能损耗。风光互补发电系统

14、专用逆变器，在设计中应特别注意减少自身功率损耗，提高整机效率。这是提高风光互补发电系统技术经济指标的一项重要措施。在整机效率方面对风光互补发电专用逆变器的要求是：千瓦级以下逆变器额定负荷效率80%85%，低负荷效率65%75%；lOkW级逆变器额定负荷效率85%90%，低负荷效率70%80%。容量较大的逆变器还应给出满负荷效率值和低负荷效率值。逆变器效率的高低对风光互补发电系统提高有效发电量和降低发电成本有着重要影响。 8)保护功能。在风光互补发电系统正常运行过程中，常因负载故障、人员误操作及外界干扰等原因而引起供电系统过流或短路。逆变器对外部电路的过电流及短路现象最为敏感，是风光互补发电系统

15、中的薄弱环节。因此，逆变器要具有良好的对过电流及短路的自我保护功能。 电压保护：逆变器输入端为蓄电池组，蓄电池在过充电时逆变器的直流输入电压就会超过标称值，如一个12V的蓄电池在过充电后，电压可能会达到16V或者更高，这时就有可能损坏后级的逆变器。所以控制蓄电池的充电状态是十分必要的，逆变器必须有检测输入电压及过压保护电路，当电压高于设定值时，保护电路会将逆变器断开。对于没有电压稳定措旋的逆变器，应有输出过电压的防护措施，以使负载免受输出过电压的损害。 过电流保护：逆变器的过电流保护电路应在负载发生短路或电流超过允许值时及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。 (9)启动特性。它表征逆变器带负载启动的能力和动态工作时的性能，逆变器应保证在额定负载下可靠启动。高性能的逆变器可做到连续多次满负载启动而不损坏功率器件。小型逆变器为了自身安全，有时采用软启动或限流启动。(10)噪声。逆变器中的电子开关、变压器、滤波电感、电磁开关及风扇等部件均会产生噪声。逆变器正常运行时，其噪声应不超过65dB。 （四）逆变器的工作原理 逆变器是将直流电转变为交流电的装置，是风光互补发电系统的核心部件。根据产品设计情况分为：风光互补发电专用正弦波逆变器、经济型风光互补发电控制逆变一体机、风光互补发电