2.3　光伏逆变器

太阳能光伏发电系统可分为两大类：一是独立系统，二是并网系统。独立光伏系统是由光伏电池直接给负载提供功率，多用于偏远无电地区或者不方便铺设电缆的地区，但容易受时间和季节的影响；并网系统是将光伏面板的直流输出，逆变为可以接入电网的交流输出，将光伏面板产生的电能输入电力网，是大规模光伏发电应用的重要途径。光伏发电系统主要由光伏电池阵列、充放电控制器、储能系统、逆变器与负载系统五个部分组成，如图2-6所示。

① 光伏电池阵列　光伏电池是组成太阳能光伏发电系统的源，单个光伏电池功率较小，为满足不同负载的供电需要，将光伏电池串、并联后统一封装构成光伏电池模块（Photovoltaic Module，PV），这是目前光伏电池的主要存在及应用形式，用户可根据需要构建任意瓦数的光伏电池模块。如果光伏发电系统中所需功率超过光伏电池模块功率，需将同规格的光伏模块串联或并联起来构成光伏电池阵列（PVArray），为系统提供更大的输出功率。

② 充放电控制器　充放电控制器是把光伏电池阵列输出的电压存入储能系统和释放给逆变器。由于光伏电池阵列输出的功率是日照强度和模块温度的非线性函数，存在着最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）问题，如果不加以控制直接给负载提供能量，就不能把光伏电池阵列转换的能量最大限度地存储在储能系统中，因此还需要增加MPPT控制功能。

③ 逆变器　光伏电池阵列输出的是准直流电，而包括电网在内的许多用电器所用的是交流电，因此逆变器是光伏发电系统中的一个关键环节。它的主要功能是将光伏电池阵列产生的准直流电转变为交流电或与本地交流负载相匹配的交流电。该环节的主要指标是高可靠性和高转换效率。

④ 储能系统　由于光伏电池只有在白天有阳光时才能发电，而用电是全天候的，所以需要用储能单元将白天产生的电能储存起来，目前的储能单元通常是蓄电池。

（1）光伏逆变器的基本拓扑

光伏逆变器是光伏并网发电系统的重要组成部分，通常逆变器的结构采用前后两级结构，典型的光伏逆变器拓扑结构如图2-7所示。其中包含了DC/DC部分和DC/AC部分。小功率逆变器DC/DC部分功能主要是对低压电能进行升压稳压。大功率逆变器DC/DC部分具有降压稳压的功能。DC/AC部分是将前一级的直流电能进行逆变输出。

光伏逆变器的电路拓扑结构根据有无变压器隔离又可分为隔离型和非隔离型，下面对这两种类型分别讨论。

① 隔离型光伏逆变器　工频隔离型是光伏逆变器最常用的结构之一，其结构形式如图2-8所示。光伏电池输出的电能首先通过DC/AC变换器变为工频的交流电，然后再经过工频变压器将这个交流电变换成具有一定幅值的交流电，该工频变压器同时完成电压匹配和隔离的作用。使用工频变压器进行电压变换和电气隔离，具有结构简单、可靠性高、抗冲击性能好、安全性能良好等优点。然而，工频变压器体积大、质量大，使得逆变器的外形笨重。此外，工频变压器效率较低，损耗了很多电能，不符合节能的要求。早期的逆变器主要采用的就是这种形式，随着电力电子技术的发展，高频隔离型逆变器已经逐渐取代了工频隔离型逆变器。

高频隔离型逆变器与工频隔离型逆变器的主要不同点在于在前级升压电路使用了高频变压器，取代了后级的工频变压器，其逆变效率大大提高，从而使逆变器的体积和重量大大减小。图2-9是其中的一种结构形式。光伏电池输出的准直流电通过DC/AC转化为高频交流电，再通过高频变压器转化为较高电压的交流电，然后经过AC/DC变换和整流滤波，变换为具有较高电压的直流电，最后通过DC/AC变换为符合一定频率和电压要求的交流电。高频变压器既有隔离作用又有升压作用，同时提高了逆变器的效率并减小了体积，是逆变器的发展趋势。这种结构的缺点是功率等级一般较小，所以这种拓扑结构集中在5kW以下；高频的工作频率一般为几十千赫兹或更高，系统存在EMI问题，抗冲击性能差。

② 非隔离型逆变器　相对于隔离型光伏逆变器，非隔离型光伏逆变器中没有了变压器，避免了变压器电磁转化环节上的能量损耗，进一步提高了光伏发电系统的转化效率。在非隔离系统中，系统的结构更简单、重量更轻、成本也更低。非隔离型光伏逆变器又可以分为单级和多级两类，如图2-10所示。

单级非隔离型光伏逆变器的结构如图2-10（a）所示，逆变器直接将直流电转化为交流电。为了使直流侧电压满足逆变交流输出的电压等级，一般是将多个光伏电池阵列串联成具有较高的输出电压，省去了笨重的工频变压器。其特点是：效率高、重量轻、结构简单、成本低。但光伏电池板与电网没有电气隔离，光伏电池板两极有电网电压，容易出现漏电现象，对人身安全不利，这对于光伏电池组件乃至整个系统的绝缘有较高要求。

多级非隔离型光伏逆变器的结构如图2-10（b）所示，光伏电池输出的准直流电先经过DC/DC转化为较高电压的直流电，再经过DC/AC将直流电转化为符合用电设备要求的交流电。这种结构具有效率高、重量轻的优点。

（2）光伏逆变器的技术指标

① 输出电压稳定度　光伏逆变器的输入端电压在一定范围内变化时，其稳态输出电压的变化量应不超过额定值的±5%，同时当负载发生突变时，其输出电压偏差不应超过额定值的±10%。

② 总谐波畸变率　总谐波畸变率（THD，Total Harmonic Distortion），指全部谐波分量有效值与基波分量有效值之比，一般指的是以2次到39次谐波总量与基波的百分比，用百分数表示。谐波含量大，总谐波畸变率就高，电压或电流的波形就越不像正弦波。光伏并网逆变器的总谐波畸变率需要达到国家规定的标准。

③ 功率因数　电压与电流之间的相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值。通常电网电压和电流几乎不存在相位差，当逆变器并入电网后，应使其相位与电网保持一致，以免在电网中传输无用功率，造成能源浪费。

④ 逆变器的效率　逆变器输出功率与输入功率之比，以百分数表示，就是逆变器的效率。一般情况下，光伏逆变器的标称效率是指纯阻负载。目前主流逆变器标称效率在80%～99%，对小功率逆变器要求其效率不低于85%。

⑤ 额定输出电流　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。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。

⑥ 保护特性

a.输入欠压保护。当输入端电压低于额定电压的85%时，逆变器应有保护和显示。

b.输入过压保护。当输入端电压高于额定电压的130%时，逆变器应有保护和显示。

c.过电流保护。电流超过允许值时及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。当工作电流超过额定的150%时，逆变器应能自动保护。

d.输出短路保护。逆变器短路保护动作时间应不超过0.5s。

e.输入反接保护。当输入端正、负极接反时，逆变器应有防护功能和显示。

f.防雷保护。逆变器应有防雷保护。

g.过温保护等。

⑦ 最大功率点跟踪　最大功率点跟踪是通过寻找光伏电池输出功率最大时对应的电压值，涉及MPPT（Maxim Power Point Tracking）的参数有MPPT电压范围、MPPT精度和MPPT效率。MPPT电压范围指MPPT系统可以扫描的电压范围区间，MPPT精度指最大功率点的准确程度。