用于太阳能光伏电站的30kVA逆变器

8用于太阳能光伏电站的 30 k VA 逆变器陆 虎 瑜图 1 独立运行太阳能光伏发电系统框图一 、 前 言近 10 年来 , 我国在太阳能光伏发电方面取得了长足进展 。 各种用途的小型光伏发电装置已初步商品化 , 较大功率的光伏发电系统也开始进入实用化阶段 。 然而 , 设备初投资大 , 发电成本高 , 仍制约光伏发电系统的广泛应用 。 为此 , 许多国家都在积极探索高性能 、 低造价的新型光电转换材料和器件 。 此外 ,减少光伏发电系统的自身损耗 , 提高系统运行效率 ,也是降低其发电成本的重要途径 。 在以交流方式供电的光伏发电系统中 , 逆变器效率的高低不仅影响其自身损耗 , 而且还影响系统中光电转换器件 、 蓄电池组及其它电控设备容量的合理选择与配置 。 根据对国内已有光伏发电系统应用情况的调查可知 , 逆变器是系统中故障最多的设备 , 它已成为影响光伏发电系统可靠运行的关键因素 。 为此 , 在“ 八五”国家重点科技攻关项目 “ 30kW 太阳能光伏电站系统工程技术装备研制”专题中 , 将 “ 30kVA 正弦波高效率逆变器研制”列为重要攻关内容 。二 、 光伏电站对逆变器的基本要求在太阳能光伏发电系统中直流供电方式有其局限性 , 除百瓦级以下的专用电源外 , 绝大多数光伏发电系统均采用交流供电方式 。 因此 , 将直流电转换为交流电的逆变器就成为光伏发电系统中不可缺少的重要设备 。 独立运行太阳能光伏发电系统的构成如图 1 所示 。 在该系统中 , 太阳电池方阵及蓄电池组一般无转动部件 , 其机械结构与电路接线极为简单 , 工作非常可靠 。系统控制与充放电保护单元为一逻辑控制部件 , 由于电路集成度高 , 其可靠性也相当高 。 光伏发电系统中逆变器是功率电子设备 , 不仅工作电流大 、工作电压高 , 而且强弱电交叉 , 电路复杂 , 给逆变器的电路设计与制造带来一定的难度 。 从国内外若干光伏发电系统运行情况看 , 逆变器是影响系统可靠性的主要因素 。 因此对其首要要求是运行必须安全可靠 。光伏电站对逆变器的第二个重要要求是整机效率高 , 特别是当光伏电站在低负荷下供电时 , 逆变器仍须有较高的效率 。 这是太阳能光伏电站专用逆变器性能优于其它通用逆变器的主要方面 。 从图 1 可见 , 逆变器处于该系统的最后一级 , 其自身的电能损耗不仅增加了系统前级光电转换器件 、 蓄电池组及其它电控设备的容量 , 而且直接减少了对负载有效电能的供给 。 其结果导致光伏发电系统初投资增加 , 有效供电量减少 , 发电成本提高 。 由于逆变器效率低而产生的上述不良后果 , 往往不易察觉 , 容易被用户忽视 。光伏发电站对逆变器的另一个要求是输出电压波形的失真度低 。 当逆变器的输出电压为方波或非正弦波时 , 在输出电压中除基波外还含有高次谐波 。 高次谐波电流将在电感性负载 如变压器 、 电动机及扼流圈 上产生涡流等附加损耗 , 导致该部件严重发热 ,温升增加 。 长此下去将加速绝缘材料老化 , 不利于电气设备的安全运行 。综上所述 , 高可靠性 、 高效率与低失真度是光伏电站对逆变器的最基本要求 。三 、 30kVA 逆变器的设计30kVA 正弦波高效率逆变器是为我国边远及高海拔地区光伏电站设计的专用设备 。 处于上述地区的光伏电站 , 由于地理环境差 , 气候条件恶劣 , 加之缺乏技术支持 , 从而使逆变器的可靠性变得尤为重要 。为此 , 在设计该逆变器时采取了如下技术措施 第一 , 选 用 大 规 模 集 成 电 路 HEF4752 芯 片 , 作 为PWM 脉宽调制 波形的产生及系统控制部件 ,目的是提高控制系统的集成度 , 减少布线及接插件 ,以提高控制系统的抗干扰能力 。 第二 , 负载短路是威胁逆变器安全运行的主要外电路故障 。 为此 , 采用双重保护措施 1 依据开关管欠饱和检测原理 , 通过快速软关断功率晶体管的方法 , 实现迅速安全的切断短路电流 。 2 在逆变器输出端设置电流传感器 , 当出现过载电流时封锁 HEF4752 芯片的 PWM波输出端 。 经实验证明 , 当出现负载短路或大的过载电流时 , 上述两项措施对 I GB T 功率管的保护十分有效 。 第三 , 适当加大逆变器额定功率的设计余量 ,以适应大功率光伏电站用电负荷起伏大 、 负载情况复杂的特点 。特别是应用于海拔在 2km 以上地区的逆变器 , 其散热设计 、 绝缘等级均应适当提高 。9天 普 公 司捐赠阳光基金 15 万为了促进我国太阳能事业的发展 , 支持中国科学技术发展基金会阳光基金开展公益性活动 ,北京天普太阳能工业有限公司在建设新厂 、 资金需求量大的情况下 , 慷慨解囊 , 捐赠阳光基金15 万元 。为感谢天普公司的义举 , 阳光基金特赠锦旗一面 , 锦旗上绣有“ 普天同享太阳能”几个大字 。“ 众人拾柴火焰高”。 我们殷切希望有更多的单位 、 团体及个人 , 支持公益事业 , 为发展我国太阳能事业多做贡献 。 李 愚 图 2 30kVA 正弦波高效率逆变器电路框图设计光伏发电专用逆变器时应考虑的另一个重要问题是 , 提高逆变器的整机效率 。 分析与实验结果表明 , 影响逆变器效率的主要因素有 变压器损耗 , 功率晶体管损耗 , 功率晶体管驱动功耗及控制电路功耗等 。 依据测试和计算结果可知 , 逆变器的损耗主要来自变压器的铜损与铁损 , 以及功率晶体管的导通与开关 过程 损耗 。 降低变压器损耗的方法较简单 , 主要是加大变压器绕组线圈的导线截面 , 减小导线电流密度 , 这样就可以减小铜损 。 其次 , 设计与加工逆变器的输出变压器时 , 应选用高性能的铁芯材料并适当加大铁芯尺寸 , 这将有利于降低铁损 。 功率晶体管的损耗由两部分组成 管子饱和导通后的管压降损耗称为导通损耗 和管子开启与关闭过程中的损耗称为开关损耗 。 功率晶体管导通损耗的大小等于管子的饱和压降值与流经管子的电流值的乘积 。 当逆变器负载确定后 , 流经管子的电流大小是定值 。因此 , 欲降低管子的导通损耗只有选取饱和压降低的管型 。 此外 , 选用功率晶体管时应适当加大管子的额定电流余量 , 这样在额定工作电流下也可相对降低管子的饱和压降 。 通过对功率晶体管开关波形的数学解析可知 , 其开关损耗的大小与管子的开关频率及开关时间有关 。 降低开关频率或缩短开关时间均可减小开关损耗 。 然而 , 开关频率的降低有一个下限 , 即必须保证逆变器输出波形不失真 。 因此 , 欲降低管子的开关损耗 , 主要应缩短管子的开关时间 。 影响逆变器效率的另外两个因素是功率晶体管的驱动功耗和控制电路功耗 。 二者功耗的总和在逆变器的总功耗中所占比例虽然很小 , 但是 , 由于驱动电路功耗及控制电路功耗的大小不随逆变器负载的变化而改变 , 从而使这两项功耗成为影响逆变器低负荷效率的重要因素 。 欲提高逆变器低负荷下的效率 , 应选用场效应功率器件和提高控制电路的集成度 , 尽量使用功耗小的 CMOS 组件 。设计 30kVA 逆变器时还应考虑如何使输出的正弦波电压不失真 。 这一问题需从两个方面采取措施 ,一是在技术及工艺条件可能的情况下 , 适当提高 PWM3 龚金水同志为本课题负责人之一 , 参加工作的还有兰振声、 徐军、 郭晓元及张冰等同志。的调制频率 ; 二是设计具有良好品质的输出滤波器。依上述设计原则和技术要点研制的 30kVA 正弦波逆变器 , 在提高可靠性和整机效率以及改善输出波形方面均取得了明显效果 。四 、 电路结构及主要技术指标光伏电站用 30kVA 正弦波高效率逆变器电路结构 如 图 2 所 示 。控 制 回 路 采 用 三 相 脉 宽 调 制 用HEF4752 型大规模集成电路芯片 。该芯片具有自动调压范围宽 , 对故障的封锁反应迅速 、 可靠的优点 。主回路为电压型三相桥式逆变电路 。 功率开关器件选用绝缘栅双极型晶体管 I GB T 。 I GB T 的栅极驱动电路选用 EXB841 型专用组件 。在逆变桥路的输出端接有 L C 型滤波器 , 可保证逆变器输出低失真度的正弦波 。光伏电站用 30kVA 正弦波高效率逆变器主要技术指标如下 额定容量 30kVA整机效率 满负荷 ≥ 92 低负荷 ≥ 85 10 负载下 输出电压 正弦波 , 三相 380V , 单相 220V波形失真度 ≤ 3 频率稳定度 50 0. 1Hz输出电压调整率 ≤ 5 输入电压范围 270V ～ 375V 额定值 300V 该逆变器具有输入直流电压越限 , 输出交流电压越限 , 输出过载及短路等故障的保护功能 。