光伏逆變器的設計原理

并網(wǎng)光伏逆變器的基本設計

　　無論采用何種技術(shù)，逆變器的基本設計都很明確，且非常相似。其核心就是將直流電壓（光伏組件）轉(zhuǎn)換成交流電壓（可并網(wǎng)）的過程。在轉(zhuǎn)變的過程中，不停地轉(zhuǎn)換直流電的正負極連接，從而形成方向變化的交流電。所以，逆變器的關鍵部件是橋接開關（晶體管元件，見圖1：a）），這個開關橋的一側(cè)連接輸入的直流電源，在另一側(cè)連接交流電網(wǎng)。在工作過程中，只有兩個相對的開關可以同時關閉。

　　如果將此開關橋的開關速度設置成與電網(wǎng)頻率相同，則在理論上可以將橋的輸出側(cè)與電網(wǎng)連接。但是，由于這樣輸出的電流是方波，且強度沒有變化，因此需要在輸出端安裝一個具有鐵芯的電感器，用以將輸出電流控制成為正弦波形狀。橋的斷開采用脈沖過程進行，從而形成與脈沖相關的較小電流分量。這樣的電流分量可以對電感器的電流進行控制。脈沖的頻率一般為20KHz ， 這樣就完全可以形成50Hz的電流，見圖1：b）。

　　對于光伏逆變器來說，還有一個非常重要的設備不能遺漏：輸入端的電容器，見圖1： c ） 。電容器的作用是儲存電能，確保來自發(fā)電側(cè)的電流持續(xù)一致供給橋接開關，并通過與電網(wǎng)頻率同步變化的橋進入電網(wǎng)。只有在輸入電容器的容量足夠大的情況下，才能夠保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的持續(xù)、正常運行。

圖1：光伏逆變器的基本設計

　　圖2描述了可用于直接并網(wǎng)的逆變器的基本功能。但在實際應用中，輸入電壓的范圍具有一定的局限性。對于并網(wǎng)發(fā)電應用，其輸入電壓必須在任何時刻都高于電網(wǎng)的峰值電壓。當電網(wǎng)電壓的有效值為250V時，達到正常并網(wǎng)要求的發(fā)電源側(cè)的最低電壓應為354V。

　　與標準逆變器的基本設計不同，直接并網(wǎng)逆變器有很多方法來調(diào)整或提升輸入電壓范圍。常用的逆變器技術(shù)方案與結(jié)構(gòu)都各不相同：

圖2：最常用的逆變器電路圖表一覽

　　上面提到的逆變器拓樸結(jié)構(gòu)不僅在電氣隔離方面不同，在可達到的效率、對電壓的依賴性等方面也各不相同。因此，沒有統(tǒng)一的公式來界定何種逆變器設計是最優(yōu)秀的設計，用戶必須要考慮到具體使用的逆變器特性。

　　無隔離變壓器光伏逆變器的技術(shù)關鍵

　　目前，只要光伏發(fā)電站設計合理，完全可以經(jīng)濟運行。直接并入電網(wǎng)的無變壓器型逆變器因為其低成本、高效率而日益受到重視。但是，該技術(shù)仍然被認為是“有問題的”。這一點將在下面進行檢驗和說明。

　　變壓器將電能轉(zhuǎn)化成磁能，再將磁能轉(zhuǎn)化成電能。在輸入與輸出端之間安裝的電氣隔離裝置導致的能量損失可達到1%，甚至高達2%。因此，無變壓器型逆變器的運行效率要比變壓器型逆變器高。這種技術(shù)還有很多其它的優(yōu)點，例如材料消耗少、重量輕等。

　　總而言之，無變壓器型逆變器相對體積較小、重量較輕、價格也比較便宜，在很多方面都比變壓器型逆變器更具優(yōu)勢。雖然光伏發(fā)電站的運行和安全性都不需要采用電氣隔離措施，在設計直接并網(wǎng)的逆變器時還是應該考慮到以下幾個方面。

圖5：外觀相同，內(nèi)部電路不同：變壓器型和無變壓器型兩種Sunny Boy效率特性。

　　正常運行狀態(tài)下的漏電電流

　　將來自光伏組件的電壓采用高頻率（20kHz）轉(zhuǎn)換過程中，高頻電壓應等同于電網(wǎng)電壓峰值；這些電壓在逆變器內(nèi)部被認為是干擾，濾波器可以阻斷這些干擾，防止其進入電網(wǎng)。但在理論上，阻止來自發(fā)電電源側(cè)的直流分量進入交流電網(wǎng)是不可能絕對實現(xiàn)的。

　　這樣，根據(jù)所采用逆變器結(jié)構(gòu)的不同，在交流輸出中也將存在不同的對地直流電壓分量。如果太陽能電池組和/或者其接線端對地存在交流電壓，將產(chǎn)生“漏電電流”，通過寄生電容流向電池組接地點。

圖6：Sunny Boy 2100TL逆變器光伏電池組對地電壓

圖7：Sunny Boy 5000TL HC多組串逆變器光伏電池組對地電壓

　　下面我們以Sunny Boy 2100TL和Sunny Boy 5000TL HC兩種逆變器為例。如上圖所示。這兩種逆變器的運行會在其電子部分產(chǎn)生與時間相關的電勢，它們的光伏組件對地電壓也不相同。Sunny Boy 2100TL采用H型橋結(jié)構(gòu)，加在光伏組件上的電壓為電網(wǎng)電壓有效值的一半。

　　多組串逆變器SB5000TL HC則采用電容半橋結(jié)構(gòu)。橋的中線直接連接在電網(wǎng)的中線上。這樣的結(jié)果就是產(chǎn)生的對地電壓只是50Hz的低電壓值，其分量只是電網(wǎng)電壓很小的一部分，只相當于變壓器拓撲結(jié)構(gòu)中的電壓紋波量。

　　除了電網(wǎng)電壓提升方面的考慮，漏電電流的大小還取決于光伏組件寄生電容的大小，該電容值大小與電池面積及組件與邊框之間的距離相關。因此，關于漏電電流情況，應該在設計系統(tǒng)時就仔細考慮逆變器的結(jié)構(gòu)和光伏組件尺寸。面積越大、電池與光伏組件邊框之間的距離越小，產(chǎn)生的漏電電流就越大。無邊框結(jié)構(gòu)光伏組件的漏電電流值很低。然而，安裝在不銹鋼箔上的非晶電池會產(chǎn)生很大的漏電電流。

　　外部條件也會對漏電電流產(chǎn)生影響，因此不可避免會產(chǎn)生一定的波動。如果沉淀物或者清潔液弄濕了光伏組件，漏電電流就會增加；這些液體中的電子物質(zhì)成分縮短電池與電池間的距離，造成漏電電流升高。

　　總之，光伏組件在運行時的漏電電流（正常情況下）取決于很多運行條件，沒有定值來衡量。以H型橋逆變器（如Sunny Boy 2100TL）為例，在運行過程中光伏組件的漏電電流值在1-30mA/KWp范圍內(nèi)。

　　光伏組件中的故障電流

　　在并網(wǎng)應用的光伏電站中，只能使用電池片與邊框有可靠絕緣的光伏組件。組件要具有雙倍或超強的絕緣措施，并且要充分考慮光伏組件的系統(tǒng)耐壓性，以保證即使在光伏系統(tǒng)運行狀態(tài)下也可以觸摸組件表面，不會造成危險。目前，所有的光伏組件可以達到Ⅱ級防護，在選擇時并沒有太嚴格的限制。

　　如上所述， 對于無變壓器型逆變器，在運行時光伏組件上的電壓可以是疊加了交流電網(wǎng)的同步電壓值。當觸摸組件表面時，可能會產(chǎn)生對地的故障電流。如果組件的絕緣足夠好，一般來說很難有這樣的電流產(chǎn)生。但是，故障電流放電的強度會隨一些條件的變化而增加，如光伏電池距離縮短（這種情況下透明玻璃或塑料板厚度減少）、接觸面積增加等。比如：由于清潔光伏組件的液體中含有導電物質(zhì)，會造成導電面積擴大，從而導致意外的故障電流。在這種情況下雖然無法對危險電流預先檢測，但如果發(fā)生意外會造成一定的危險。為了避免由此（類似突然從梯子上掉下來等）產(chǎn)生的安全隱患，也為了避免危險，在建設光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)時，用戶應該遵循以下步驟：

　　1）將光伏組件的邊框以及其他導電氣部分與接地線連接

　　2）在對系統(tǒng)進行維護或?qū)夥M件進行清理時，斷開逆變器與電網(wǎng)的連接

　　有了這些保護措施，人員安全就能夠得到完全的保障。設計精密的無變壓器型逆變器還有額外的保護，即使超過電氣隔離型逆變器要求的安全標準，也勿需擔心安全問題。

　　在該類型逆變器中， 要對組件可能產(chǎn)生的DC或AC漏電電流進行持續(xù)監(jiān)測， 一旦產(chǎn)生故障電流（ 大于3 0mA） ， 逆變器立即斷開與電網(wǎng)的連接。然而，現(xiàn)實應用中對故障電流的監(jiān)測比簡單監(jiān)測漏電電流大小更為復雜。漏電電流在系統(tǒng)運行狀態(tài)下是隨時變化的，在并網(wǎng)之前無從得知當前的數(shù)值。因此，在每次逆變器接入電網(wǎng)前，會檢測光伏組件的絕緣電阻。只有當絕緣電阻超過要求的電阻值（ 大于1M歐姆）時，才能證明沒有故障電流注入電網(wǎng)，這時可以連接電網(wǎng)。因此，識別故障電流不僅通過監(jiān)測漏電電流的增加，還要通過測量電流的變化率來獲知。所有故障電流監(jiān)控裝置都必須具有漏電電流檢測功能（雙重的），各監(jiān)測系統(tǒng)必須能夠獨立識別故障電流。這樣，人身安全就會得到更多的保障。RCD保護在調(diào)試之后很少或者根本不需要再進行人工測試，但上述保護措施遠比一般的RCD保護更有效。

　　進入交流電網(wǎng)的直流分量

　　直接與電網(wǎng)并接，通常會導致直流電直接進入交流電網(wǎng)。該直流電成分會影響電網(wǎng)上的設備（ 局域電網(wǎng)變壓器） 的正常運行和RCD的工作特性，同時會使與電網(wǎng)并接的用電器中的變壓器發(fā)生內(nèi)耗，產(chǎn)生磁飽和，而這并不是用電器所要求的使用環(huán)境。雖然這種情況不一定會損壞設備，但可以引發(fā)啟動電網(wǎng)中防止直流成分的保護設備工作。所以，理論上并網(wǎng)型逆變器都設置有防止直流電進入電網(wǎng)的預防措施（通過50Hz變壓器或電容器進入電網(wǎng)）。

　　還有一點非常重要，即逆變器向電網(wǎng)送入直流電的能力不僅僅取決于是否存在隔離變壓器。而與電容器相結(jié)合，變壓器只是可以在電氣隔離的情況下傳輸功率。事實上，我們關心的是電路中的電氣部件向電網(wǎng)輸入直流電流的能力。對于直接與電網(wǎng)連接的高頻變壓器型逆變器，普通的逆變橋無論是否有變壓器，都能夠向電網(wǎng)輸送直流電流。

　　對于SMA逆變器，電容是橋的一部分。變壓器型逆變器的變壓器設置在橋的電網(wǎng)側(cè)，從而只能向電網(wǎng)提供交流電流（如Sunny Boy 5000TLHC和所有變壓器型逆變器）。

　　即使逆變橋發(fā)生故障，也不可能向電網(wǎng)繼續(xù)送入直流電流。原因是逆變器中串連的兩個雙極繼電器會在這種情況下切斷與電網(wǎng)的連接，該方案應用于所有SMA無變壓器型逆變器。假設繼電器失效，橋的短路會造成過流發(fā)生，逆變器中的過載保護（過載開關）仍會啟動，并切斷與電網(wǎng)的連接。

　　結(jié)論

　　采用無隔離變壓器型逆變器的光伏電站，具有發(fā)電量很高的優(yōu)點。就安全而言，完全可以與采用物理電氣隔離裝置的發(fā)電站相媲美。由于內(nèi)部采用了完善的人員保護裝置，該裝置的驅(qū)動由來自具有自動監(jiān)測漏電電流功能的系統(tǒng)完成，保護能力更加理想。在設計光伏電站時，要充分考慮如下幾點：

　　● 選用絕緣好的光伏組件和電纜（Ⅱ級保護）

　　● 將光伏組件和/或者光伏組件邊框與接地連接

　　● 選用具有完善故障電流檢測、監(jiān)控的無變壓器型逆變器

　　● 注意電容與電網(wǎng)連接時，需監(jiān)測送入電網(wǎng)的直流分量

　　● 當需要在電源接點進行故障電流檢測時，應注意組件運行時的漏電電流（如設置漏電電流監(jiān)測值為100mA或更高）

　　● 在對光伏發(fā)電站進行維修時，要斷開逆變器

　　由于光伏發(fā)電站投資回收周期主要取決于發(fā)電量，可見逆變器的轉(zhuǎn)換效率尤為重要。鑒于SMA系統(tǒng)的條件優(yōu)勢，無變壓器型逆變器將在光伏市場的競爭中占有更加重要的地位。