光伏逆變器工作原理及安裝維修注意事項(xiàng)-技術(shù)指標(biāo)等解析-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2018-05-31
逆變裝置的核心,是逆變開關(guān)電路,簡稱為逆變電路。該電路通過電力電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷,來完成逆變的功能。
特點(diǎn):
(1)要求具有較高的效率
由于目前太陽能電池的價(jià)格偏高,為了最大限度的利用太陽能電池,提高系統(tǒng)效率,必須設(shè)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(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū),許多電站無人值守和維護(hù),這就要求逆變器有合理的電路結(jié)構(gòu),嚴(yán)格的元器件篩選,并要求逆變器具 備各種保護(hù)功能,如:輸入直流極性接反保護(hù)、交流輸出短路保護(hù)、過熱、過載保護(hù)等。
(3)要求輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍
由于太陽能電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度變化而變化。特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大,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范圍內(nèi)保證正常工作。
有關(guān)逆變器分類的方法很多,例如:根據(jù)逆變器輸出交流電壓的相數(shù),可分為單相逆變器和三相逆變器;根據(jù)逆變器使用的半導(dǎo)體器件類型 不同,又可分為晶體管逆變器、晶閘管逆變器及可關(guān)斷晶閘管逆變器等。根據(jù)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(diào)制型逆變器等。根據(jù)應(yīng)用在并網(wǎng)系統(tǒng)還是離網(wǎng)系統(tǒng)中又可以分為并網(wǎng)逆變器和離網(wǎng)逆變器。為了便于光電用戶選用逆變器,這里僅以逆變器適用場合的不同進(jìn)行分類。
集中逆變技術(shù)是若干個(gè)并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IGB T功率模塊,功率較小的使用場效應(yīng)晶體管,同時(shí)使用DSP轉(zhuǎn)換控制器來改善所產(chǎn)出電能的質(zhì)量,使它非常接近于 正弦波電流,一般用于大型光伏發(fā)電站(>10kW)的系統(tǒng)中。最大特點(diǎn)是系統(tǒng)的功率高,成本低,但由于不同光伏組 串的輸出電壓、電流往往不完全匹配(特別是光伏組串因多云、樹蔭、污漬等原因被部分遮擋時(shí)),采用集中逆變的 方式會導(dǎo)致逆變過程的效率降低和電戶能的下降。同時(shí)整個(gè)光伏系統(tǒng)的發(fā)電可靠性受某一光伏單元組工作狀態(tài)不 良的影響。最新的研究方向是運(yùn)用空間矢量的調(diào)制控制以及開發(fā)新的逆變器的拓?fù)溥B接,以獲得部分負(fù)載情況下的高效率。
組串逆變器是基于模塊化概念基礎(chǔ)上的,每個(gè)光伏組串(1-5kw)通過一個(gè)逆變器,在直流端具有最大功率峰值跟蹤,在交流端并聯(lián)并網(wǎng),已成為現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)是不受組串間模塊差異和遮影的影響,同時(shí)減少了光伏組件最佳工作點(diǎn)與逆變器不匹配的情況,從而增加了發(fā)電量。技術(shù)上的這些優(yōu)勢不僅降低了系統(tǒng)成本,也增加了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí),在組串間引人"主-從"的概念,使得系統(tǒng)在單串電能不能使單個(gè)逆變器工作的情況下,將幾組光伏組串聯(lián)系在一起,讓其中一個(gè)或幾個(gè)工作,從而產(chǎn)出更多的電能。
最新的概念為幾個(gè)逆變器相互組成一個(gè)"團(tuán)隊(duì)"來代替"主-從"的概念,使得系統(tǒng)的可靠性又進(jìn)了一步。目前,無變壓器式組串逆變器已占了主導(dǎo)地位。
在傳統(tǒng)的PV系統(tǒng)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(lián)接入。當(dāng)10塊串聯(lián)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(gè)MPPT,那么各路輸入 也都會受到影響,大幅降低發(fā)電效率。在實(shí)際應(yīng)用中,云彩,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(tǒng)中,每一塊電池板分別接入一臺微型逆變器,當(dāng)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(tài)運(yùn)行,使得系統(tǒng)總體效 率更高,發(fā)電量更大。在實(shí)際應(yīng)用中,若組串型逆變器出現(xiàn)故障,則會引起幾千瓦的電池板不能發(fā)揮作用,而微 型逆變器故障造成的影響相當(dāng)之小。
太陽能發(fā)電系統(tǒng)加裝功率優(yōu)化器(Optimizer)可大幅提升轉(zhuǎn)換效率,并將逆變器(Inverter)功能化繁為簡降低 成本。為實(shí)現(xiàn)智慧型太陽能發(fā)電系統(tǒng),裝置功率優(yōu)化器可確實(shí)讓每一個(gè)太陽能電池發(fā)揮最佳效能,并隨時(shí)監(jiān)控電 池耗損狀態(tài)。功率優(yōu)化器是介于發(fā)電系統(tǒng)與逆變器之間的裝置,主要任務(wù)是替代逆變器原本的最佳功率點(diǎn)追蹤功 能。功率優(yōu)化器藉由將線路簡化以及單一太陽能電池即對應(yīng)一個(gè)功率優(yōu)化器等方式,以類比式進(jìn)行極為快速的最 佳功率點(diǎn)追蹤掃描,進(jìn)而讓每一個(gè)太陽能電池皆可確實(shí)達(dá)到最佳功率點(diǎn)追蹤,除此之外,還能藉置入通訊晶片隨 時(shí)隨地監(jiān)控電池狀態(tài),即時(shí)回報(bào)問題讓相關(guān)人員盡速維修。
逆變器不僅具有直交流變換功能,還具有最大限度地發(fā)揮太陽電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。歸納起來有自動運(yùn)行和停機(jī)功能、最大功率跟蹤控制功能、防單獨(dú)運(yùn)行功能(并網(wǎng)系統(tǒng)用)、自動電壓調(diào)整功能(并網(wǎng)系統(tǒng)用)、直流檢測功能(并網(wǎng)系統(tǒng)用)、直流接地檢測功能(并網(wǎng)系統(tǒng)用)。這里簡單介紹自動運(yùn)行和停機(jī)功能及最大功率跟蹤控制功能。
早晨日出后,太陽輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),太陽電池的輸出也隨之增大,當(dāng)達(dá)到逆變器工作所需的輸出功率后,逆變器即自動開始運(yùn)行。進(jìn)入運(yùn)行后,逆變器便時(shí)時(shí)刻刻監(jiān)視太陽電池組件的輸出,只要太陽電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率,逆變器就持續(xù)運(yùn)行;直到日落停機(jī),即使陰雨天逆變器也能運(yùn)行。當(dāng)太陽電池組件輸出變小,逆變器輸出接近0時(shí),逆變器便形成待機(jī)狀態(tài)。
太陽電池組件的輸出是隨太陽輻射強(qiáng)度和太陽電池組件自身溫度(芯片溫度)而變化的。另外由于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(diǎn)。太陽輻射強(qiáng)度是變化著的,顯然最佳工作點(diǎn)也是在變化的。相對于這些變化,始終讓太陽電池組件的工作點(diǎn)處于最大功率點(diǎn),系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)用的逆變器的最大特點(diǎn)就是包括了最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)這一功能。
在光伏系統(tǒng)中,太陽電池發(fā)出的電能先由蓄電池儲存起來,然后經(jīng)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,其輸出電壓的變化范圍較大,如標(biāo)稱12V的蓄電池,其電壓值可在10.8~14.4V之間變動(超出這個(gè)范圍可能對蓄電池造成損壞)。對于一個(gè)合格的逆變器,輸入端電壓在這個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí),其穩(wěn)態(tài)輸出電壓的變化量應(yīng)不超過額定值的±5%,同時(shí)當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí),其輸出電壓偏差不應(yīng)超過額定值的±10%。
對正弦波逆變器,應(yīng)規(guī)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(yīng)不超過5%(單相輸出允許l0%)。由于逆變器輸出的高次諧波電流會在感性負(fù)載上產(chǎn)生渦流等附加損耗,如果逆變器波形失真度過大,會導(dǎo)致負(fù)載部件嚴(yán)重發(fā)熱,不利于電氣設(shè)備的安全,并且嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
對于包含電機(jī)之類的負(fù)載,如洗衣機(jī)、電冰箱等,由于其電機(jī)最佳頻率工作點(diǎn)為50Hz,頻率過高或者過低都會造成設(shè)備發(fā)熱,降低系統(tǒng)運(yùn)行效率和使用壽命,所以逆變器的輸出頻率應(yīng)是一個(gè)相對穩(wěn)定的值,通常為工頻50Hz,正常工作條件下其偏差應(yīng)在±l%以內(nèi)。
表征逆變器帶感性負(fù)載或容性負(fù)載的能力。正弦波逆變器的負(fù)載功率因數(shù)為0.7~0.9,額定值為0.9。在負(fù)載功率一定的情況下,如果逆變器的功率因數(shù)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(shí)光伏系統(tǒng)交流回路的視在功率增大,回路電流增大,損耗必然增加,系統(tǒng)效率也會降低。
逆變器的效率是指在規(guī)定的工作條件下,其輸出功率與輸入功率之比,以百分?jǐn)?shù)表示,一般情況下,光伏逆變器的標(biāo)稱效率是指純阻負(fù)載,80%負(fù)載情況下的效率。由于光伏系統(tǒng)總體成本較高, 因此應(yīng)該最大限度地提高光伏逆變器的效率,降低系統(tǒng)成本,提高光伏系統(tǒng)的性價(jià)比。目前主流逆變器標(biāo)稱效率在80%~95%之間,對小功率逆變器要求其效率不低于85%。在光伏系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,不但要選擇高效率的逆變器,同時(shí)還應(yīng)通過系統(tǒng)合理配置,盡量使光伏系統(tǒng)負(fù)載工作在最佳效率點(diǎn)附近。
表示在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)范圍內(nèi)逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產(chǎn)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(dāng)輸出功率因數(shù)為1(即純阻性負(fù)載)時(shí),額定輸出電壓為額定輸出電流的乘積。
一款性能優(yōu)良的逆變器,還應(yīng)具備完備的保護(hù)功能或措施,以應(yīng)對在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的各種異常情況,使逆變器本身及系統(tǒng)其他部件免受損傷。
(1)輸入欠壓保護(hù):
當(dāng)輸入端電壓低于額定電壓的85%時(shí),逆變器應(yīng)有保護(hù)和顯示。
(2)輸入過壓保護(hù):
當(dāng)輸入端電壓高于額定電壓的130%時(shí),逆變器應(yīng)有保護(hù)和顯示。
(3)過電流保護(hù):
逆變器的過電流保護(hù),應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流超過允許值時(shí)及時(shí)動作,使其免受浪涌電流的損傷。當(dāng)工作電流超過額定的150%時(shí),逆變器應(yīng)能自動保護(hù)。
(4)輸出短路保護(hù):
逆變器短路保護(hù)動作時(shí)間應(yīng)不超過0.5s。
(5)輸入反接保護(hù):
當(dāng)輸入端正、負(fù)極接反時(shí),逆變器應(yīng)有防護(hù)功能和顯示。
(6)防雷保護(hù):
逆變器應(yīng)有防雷保護(hù)。
(7)過溫保護(hù)等
另外,對無電壓穩(wěn)定措施的逆變器,逆變器還應(yīng)有輸出過電壓防護(hù)措施,以使負(fù)載免受過電壓的損害。
8.起動特性
表征逆變器帶負(fù)載起動的能力和動態(tài)工作時(shí)的性能。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動。
9.噪聲
電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開關(guān)及風(fēng)扇等部件均會產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運(yùn)行時(shí),其噪聲應(yīng)不超過80dB,小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過65dB。
對于大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的波形失真度和噪聲水平等技術(shù)性能也十分重要,在選用離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
(1)應(yīng)具有足夠的額定輸出容量和負(fù)載能力
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(fù)荷下設(shè)備對電功率的要求。對于以單一設(shè)備為負(fù)載的逆變器,其額定容量的選取較為簡單,當(dāng)用電設(shè)備為純阻性負(fù)載或功率因數(shù)大于0.9時(shí),選取逆變器的額定容量為電設(shè)備容量的1.1~1.15倍即可。在逆變器以多個(gè)設(shè)備為負(fù)載時(shí),逆變器容量的選取要考慮幾個(gè)用電設(shè)備同時(shí)工作的可能性,即“負(fù)載同時(shí)系數(shù)”。
(2)應(yīng)具有較高的電壓穩(wěn)定性能
在離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中均以蓄電池為儲能設(shè)備。當(dāng)標(biāo)稱電壓為12V的蓄電池處于浮充電狀態(tài)時(shí),端電壓可達(dá)13.5V,短時(shí)間過充電狀態(tài)可達(dá)15V。蓄電池帶負(fù)荷放電終了時(shí)端電壓可降至10.5V或更低。蓄電池端電壓的起伏可達(dá)標(biāo)稱電壓的30%左右。這就要求逆變器具有較好的調(diào)壓性能,才能保證光伏發(fā)電系統(tǒng)以穩(wěn)定的交流電壓供電。
(3)在各種負(fù)載下具有高效率或較高效率
整機(jī)效率高是光伏發(fā)電用逆變器區(qū)別于通用型逆變器的一個(gè)顯著特點(diǎn),10kW級的通用型逆變器實(shí)際效率只有70%~80%將其用于光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)將帶來總發(fā)電量20%~30%的電能損耗。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)專用逆變器在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意減少自身功率損耗,提高整機(jī)效率,這是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的一項(xiàng)重要措施。在整機(jī)效率方面對光伏發(fā)電專用逆變器的要求是:kW級以下逆變器額定負(fù)荷效率≥80%~85%,低負(fù)荷效率≥65%~75%;10kW級逆變器額定負(fù)荷效率≥85%~90%,低負(fù)荷效率≥70%~80%。
(4)應(yīng)具有良好的過電流保護(hù)與短路保護(hù)功能
光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中,因負(fù)載故障、人員誤操作及外界干擾等原因而引起的供電系統(tǒng)過電流或短路,是完全可能的。逆變器對外電路的過電電流及短路現(xiàn)象最為敏感,是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。因此,在選用逆變器時(shí),必須要求具備有良好的對過電流及短路的自我保護(hù)功能。
(5)維護(hù)方便
高質(zhì)量的逆變器在運(yùn)行若干年后,因元器件失效而出現(xiàn)故障,應(yīng)屬于正?,F(xiàn)象。除生產(chǎn)廠家需有良好的售后服務(wù)系統(tǒng)外,還要求生產(chǎn)廠家在逆變器生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)及元器件選型方面具有良好的可維護(hù)性。例如,損壞元器件有充足的備件或容易買到,元器件的互換性好;在工藝結(jié)構(gòu)上,元器件容易拆裝,更換方便。這樣,即使逆變器出現(xiàn)故障,也可迅速恢復(fù)正常。
1、在安裝前首先應(yīng)該檢查逆變器是否在運(yùn)輸過程中有無損壞。
2、在選擇安裝場地時(shí),應(yīng)該保證周圍內(nèi)沒有任何其他電力電子設(shè)備的干擾。
3、在進(jìn)行電氣連接之前,務(wù)必采用不透光材料將光伏電池板覆蓋或斷開直流側(cè)斷路器。暴露于陽光,光伏陣列將會產(chǎn)生危險(xiǎn)電壓。
4、所有安裝操作必須且僅由專業(yè)技術(shù)人員完成。
5、光伏系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中所使用線纜必須連接牢固,良好絕緣以及規(guī)格合適。
使用
1.嚴(yán)格按照逆變器使用維護(hù)說明書的要求進(jìn)行設(shè)備的連接和安裝。在安裝時(shí),應(yīng)認(rèn)真檢查線徑是否符合要求,各部件及端子在運(yùn)輸中有否松動,應(yīng)絕緣處是否絕緣良好,系統(tǒng)的接地是否符合規(guī)定。
2.應(yīng)嚴(yán)格按照逆變器使用維護(hù)說明書的規(guī)定操作使用。尤其是在開機(jī)前要注意輸入電壓是否正常,在操作時(shí)要注意開關(guān)機(jī)的順序是否正確,各表頭和指示燈的指示是否正常。
3.逆變器一般均有斷路、過電流、過電壓、過熱等項(xiàng)目的自動保護(hù),因此在發(fā)生這些現(xiàn)象時(shí),無需人工停機(jī);自動保護(hù)的保護(hù)點(diǎn),一般在出廠時(shí)已設(shè)定好,無需再行調(diào)整。
4.逆變器機(jī)柜內(nèi)有高壓,操作人員一般不得打開柜門,柜門平時(shí)應(yīng)鎖死。
5.在室溫超過30℃時(shí),應(yīng)采取散熱降溫措施,以防止設(shè)備發(fā)生故障,延長設(shè)備使用壽命。
維護(hù)檢修
1.應(yīng)定期檢查逆變器各部分的接線是否牢固,有無松動現(xiàn)象,尤其應(yīng)認(rèn)真檢查風(fēng)扇、功率模塊、輸入端子、輸出端子以及接地等。
2.一旦報(bào)警停機(jī),不準(zhǔn)馬上開機(jī),應(yīng)查明原因并修復(fù)后再行開機(jī),檢查應(yīng)嚴(yán)格按逆變器維護(hù)手冊的規(guī)定步驟進(jìn)行。
3.操作人員必須經(jīng)過專門培訓(xùn),能夠判斷一般故障的產(chǎn)生原因,并能進(jìn)行排除,例如能熟練地更換保險(xiǎn)絲、組件以及損壞的電路板等。未經(jīng)培訓(xùn)的人員,不得上崗操作<使用設(shè)備。
4.如發(fā)生不易排除的事故或事故的原因不清,應(yīng)做好事故詳細(xì)記錄,并及時(shí)通知逆變器生產(chǎn)廠家給予解決。
對于太陽能逆變器來講,提高電源的轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)永恒的課題,但是當(dāng)系統(tǒng)的效率越來越高,幾乎接近100%時(shí),進(jìn)一步的效率改善會伴隨著性價(jià)比的低下,因此,如何保持一個(gè)很高的效率,又能維持很好的價(jià)格競爭力將是當(dāng)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(gè)逆變系統(tǒng)的效率,正逐漸成為太陽能系統(tǒng)的另一個(gè)重要課題。在一個(gè)太陽能陣列中,當(dāng)局部的2~3%面積的陰影出現(xiàn)時(shí),對采用一個(gè)MPPT功能的逆變器來講,此時(shí)的系統(tǒng)輸出電力惡劣時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)20%左右的功率下降!為了更好地適應(yīng)類似這樣的狀況針對單一或部分太陽能組件,采用一對一的MPPT或多個(gè)MPPT控制功能是十分有效的方法。
由于逆變系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行的狀況,系統(tǒng)對地的漏電會造成嚴(yán)重的安全問題;此外,為了提高系統(tǒng)的效率,太陽能陣列大多會被串聯(lián)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(fā)生,很容易產(chǎn)生出直流電弧,由于直流電壓高,非常不容易滅弧,極容易導(dǎo)致火災(zāi)。隨著太陽能逆變系統(tǒng)的廣泛采用,系統(tǒng)安全性的問題也將是逆變技術(shù)的重要部分。
此外,電力系統(tǒng)正在迎來智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和普及。大量的太陽能等新能源電力的系統(tǒng)并網(wǎng),給智能電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)出能夠更加快速、準(zhǔn)確、智能化地兼容智能電網(wǎng)的逆變系統(tǒng),將成為今后太陽能逆變系統(tǒng)的必要條件。
總的來說,逆變技術(shù)的發(fā)展是隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展而發(fā)展。隨著時(shí)間的推移,逆變技術(shù)正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發(fā)展。
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