光伏逆变器系统控制

– 正弦波逆变器通常比其他类型的要贵一些，通常用来给敏感负载 或者大型系统供电。准正弦波和方波换流器相对便宜些，通常用 来向照明负荷或者其他对波性要求不高的负荷供电。
• 另一种讨论三种类型逆变器的方法是通过它们所用的电路 ，例如：可变电压输入（VVI）；脉宽调制（PMI）；电源 型输入（CSI）。 • 如今，很多工厂和工业都使用太阳能，要求太阳能发电系 统发出的电具有特定的电压和频率。
• 3号：逆变器部分
– 整流器有一个把直流电转化成 交流电的逆变回路。 – 逆变器的输入是光伏阵列产生 的直流电，通过逆变器转化成 50Hz的交流电。光伏阵列产生 的电压大小随光照的变化而变 化。 – 有些系统在光伏阵列附近使用 一系列小型逆变器，而有些系 统在中心位置使用一个或两个 大型逆变器。
• 单相逆变器：主要组件是4个晶闸管和4个晶体管。这种电路通常 叫做直流连接逆变器，或者被简单的称为逆变器。输出为交流方 波。
• 晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又被称做可 控硅整流器，以前被简称为可控硅；是一种开关元件。
– 1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于 1958年将其商业化。 – 晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和控制 极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下 工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调 压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。
者断路器来对光伏设备和电路进行保护是非常重要的。
二、大型工业光伏系统的配电图
一个工业太阳能电路各模块的电气结构块状图。
• 大型光伏系统和小型系统的部件相似，不同的是它们会增 加电容器、电感器和一些其它需要的组件来保护系统，并 使系统完全和电网电压兼容。
– 上图是一个商业用太阳能发电系统各个部分的电路拓扑图。图上 对各个部分做了编号，方便在后面的解释中清楚地知道是哪部分 。 – 在某些系统中，图中的所有设备都安装在一个柜内。而在其他一 些系统中，这些设备被分别安装在屋顶的不同柜体内。
１、线性供电
• 操作简单，效率低（通常３０～４０％范围） • 负荷两端的电压随时随着调节器（稳压器）电阻的改变而 改变。 • 线性供电易于生产和故障排除。但效率低，体积大。
２、开关模式供电（ＳＭＰＳ）
• 效率（可达到８０％）比线性模式高，并且不需要大型的 变压器和滤波设备，因此应用更加广泛。
３、ＢＵＣＫ换流器
• 三相逆变器
– 三相逆变器的效率更高，基本电路和基本原理与单相晶体管逆变 器类似。 – 由于每个正弦周期中晶体管必须按照六脉动进行，所以它们的时 序必须完全正确，而且必须和其他两相的晶体管对同步，以保证 三相相序正确。
• 可变电压逆变器
– 通常是六脉动的单相或三相逆变器。 – 当逆变器的负荷是交流频率可变电动机的驱动或焊接电路时，要 求它的电压大小可调节。电动机需要调整频率来提高或降低他们 相对于额定值的转速，额定值由生产时电动机具有的极对数来决 定。驱动时当频率校正后，电压也应校正为常数，以保证电动机 获得的电压与频率比值是恒定的，从而保证力矩是一定得。当电 动机力矩松散式转速非常低，运行就会出现问题。 – 最初使用震荡器来控制偏置电路，所以这些电路只能提供限定的 电压和限定的频率变化。 – 随着微处理器价格降低和应用逐步广泛，通过微处理器来控制晶 体管逆变器的偏置电路的应用更加广泛，使六脉动逆变器具有更 大范围内调节电压和频率的能力。
• 4号：电容和电感 • 电容和电感过滤交流电。电容过滤直流电压，电感过滤直 流电流。电容也可以用来校正系统的功率因数。
• 5号：变压器部分
– 该100kVA的变压器提供480V的电压。它把逆变器的输出电压升高 到480V。 – 由于一次绕组和二次绕组没有联系，所以也被称为隔离变压器。 – 隔离变压器用来升高交流电压
• 变压器部件：变压器部件使用交流电，并把它提高到380V
的工业用三相交流电，也可以在中性点提供220V的交流线 路给居民用户。
– 图中：变压器采用三相Y型连接，一次侧和二次侧可以隔离开。该 控制器中的二次侧电压可以使208V或480V，额定功率是100VA，所
以在480V时可以处理200A的电流。
光伏系统的基本控制图
一、简单光伏系统块状图
Baidu Nhomakorabea
包含六个模块的简单光伏系统及其控制的电气结构块状图
• 太阳能组件：是系统的电能转换器，把太阳能转换成直流 电。电池板连接在控制器的正极和负极末端，连接的极性 要完全正确。太阳能阵列单点接地。 • 直流接口部件：一个末端板（TB3）、一个直流断开开关 和一个直流接触器。断开开关是一个手动开关，接触器由 磁性线圈控制。直流界面提供一种使太阳能阵列的所有直 流电和主控制器断开的方法。这种断开能使系统需要维修 的部分进行断开和锁定。
• 这些情况中的任何一条都可以表明出现了小型发电机断开或者 负荷的某些部分和电网断开等故障。如果出现这些情况中的任 何一种，太阳能发电系统就需要快速和电网断开，防止它继续 向电网输送电能。
三、逆变器的基本运行
• 在太阳能发电系统中，逆变器不仅仅是把直流电转换成交 流电，它还被认为时电力控制器。 • 逆变器产生的交流电是三种特征波形之一，包括：正弦波 、准正弦波或者方波。
孤岛抑制电路和其他保护电路
• 故意进行孤岛运行（允许的）；以及非故意的孤岛（严禁的） • 孤岛情况通过电力电子电路对以下几条进行监控：
– – – – 电压水平发生突然或非预期的改变 一个或多个电源引起的系统频率改变 有功输出的突然增加，超出了系统中小回路可以预测到的典型水平 功率因数或者无功输出的改变，和现有情况不同。
• 电流源型逆变器
– 可以调整逆变器的输出电压和频率 – 在用于可变频率电动机驱动和其他要求电压和频率可变的应用场 合时，可以使用这种逆变器。
• 直流－直流变换（逆变器和斩波器）
– 出现在某些太阳能设备更为复杂的控制系统中。 – 某些系统中，可能需要将直流电压转换成另一种大小的直流电压 ，完成这种转换的一种方法是利用斩波电路。斩波电路原本是把 固定的电压变为可变的电压以控制直流电动机的速度。在工业中 ，由于直流电压不可直接获得，因此需要依赖整流电路把交流电 变为直流电。 – 但是，在光伏系统中，整流电路的输入是直流电压，因此，被归 类为直流－直流逆变器。虽然这些电路中不包括交流－直流整流 ，但当这些电路出现问题时，也必须检查整流电路以保证直流电 的可靠供给。
• 主逆变器部件：包括把直流电转换成交流电的逆变器电路。
– 直流电输入逆变器时是没有任何频率的直流电，电压大小是随着光 照的多少而发生变化的，其变化介于光伏阵列可产生的最小电压和 最大电压之间。逆变器输出的交流电压的大小是和逆变器输入的直 流电压的大小相匹配的。 – 调制解调器用来向数据中心发送被转换的能量的数据，包含时间信 息和光伏组件产生的电能多少的信息，可以表征故障及其他情况， 从而可以判断系统的工作状况。
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• 2号：光伏断开附件
– 有一个手动开关S2，可以断开光伏组件的电压；还有一个继电线 圈控制的接触器K2。 – CT4是电流互感器，来显示系统产生的直流电流的大小。
a 太阳能电气系统隔离开关 b 太阳能电功率表（系统仪表） c 两个小逆变器的开断(隔离)开关 d 太阳能电气系统电缆分线箱 e 太阳能系统连接箱(两个隔离变压器) f 两个小型逆变器
• 是一种直流－直流降压换流器 ，它是开关模式供电的一部分 ，使用晶体管、电容器、电感 和二极管来将电压调节到供给 电压水平以下。 • 优点是它比使用电阻来产生压 降的供电方式效率高。ＢＵＣ Ｋ换流器中，电压调节是通过 电路中的电容和电感充电放电 完成的。由于很少的热能损失 ，其换流效率可以达到９５％ • 输出电压低于输入电压。
• 使用晶体管的六脉动逆变器
– 用4个晶体管来代替4个晶闸管 的逆变器的电路图 – 波形图更像传统的交流正弦波 – 完成正弦波的正半周和负半周 需要6个脉动，因此这种类型 的逆变器被称为六脉动逆变器 。逆变器的交流输出电压两极 被标为Ｍ１和Ｍ２。 – 虽然输出的交流正弦波有６个 阶段，但是对于电动机及其他 负荷来说和传统的平滑交流正 弦波没有差别。 – Ｍ１和Ｍ２的交流电压可在０ 到直流电压的最大值之间改变 。
• 电路断路器：在过负荷时保护整个系统。如果负荷引起流向
系统的电流过大，断路器就会动作，将三相电路都断开。
– 断路器是三相断路器，但是只要任一相的电流超过最大允许电流它 都会动作。当断路器动作时，三相电路同时打开。 – 负荷可能会是整个工厂，所以电能需要可能会超过光伏系统的供给
，这会出现过负荷情况并且给系统带来过大的电流，所以用熔丝或
• 晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，具有检波 、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。 • 晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输 出电流。与普通机械开关（如Relay、switch）不同，晶 体管利用电讯号来控制自身的开合，而且开关速度可以非 常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。
• 交流界面部件：
– 有交流断开开关，这个开关是一个中心开关和EMI（电磁干扰）滤 波器。EMI滤波器可以限制电路中的电子器件或其它组件产生的谐 波注入电网。 – 交流接触器是一个由继电线圈控制的大的继电器。继电线圈可以 从任何电脑控制的设备或PLC（可编程逻辑控制器）接受信号。也 就是说，光伏系统可以通过SCADA(监测控制和数据采集)系统进行 远程控制。 – 断开开关可以手动打开也可以通过电信号控制。在系统需要维修 的任何情况下，交流手动开关都可以转换到打开位置，当维修工 作完成后再合上。
• 1号：光伏组件及它们的 连接点。
– 连接点是在接线端子板 TB3，并且要注意TB3的末 端1是正极而TB3的末端2 是负极。如果用到多种光 伏电池板阵列，必须保证 他们的极性连接正确。 – 如果是大量的组件连接成 阵列，连接点通常做成汇 流箱。如图是直接安装在 屋顶的汇流箱和连接箱， 它们安装在组件下面或者 靠近屋顶的太阳能阵列。 电器导线管为所有的连接 太阳电池组件和汇流箱的 连接线提供保护。
• 脉宽调制逆变器
– 另一种对逆变器进行电压调节和频率调节控制的方法是使用脉宽 调制控制。 – 这种控制利用的是晶体管不同频率的开通和关断。它提供特定的 波形控制得到在特定时间开通和关断的多样方波周期，来产生交 流正弦波的整体形状。 – 波形的整体形状看起来和六脉动逆变器信号很相似，它实际上是 由多种方波脉冲叠加而成的，这些方波脉冲是由晶体管快速开断 形成的。由于晶体管的偏置可以控制，所以每个方波脉冲的电压 大小可以调节以使得整个方波系列形成正弦波的形状。 – 也可以调节每个方波脉冲的宽度以改变形成的交流正弦波的脉冲 的周期。 – 早期的脉宽调制电路使用晶闸管，现代电路更倾向于使用晶体管 ，因为它们具有更强的耐大电流的能力，可以高达１５００Ａ． 联系：谐波概念中讲到的傅里叶级数的原理。
• 6号：交流接触器
– 接触器的触点是通过线圈控制的，线圈的电压可以由与SCADA系统 相连的电脑或者PLC控制器提供。接触器使与负荷相连的输出电路 和逆变器之间完全独立。
• 7号：EMI滤波器。它过滤掉任何干扰信号和可能会进入交 流电压和电流的谐波。滤波器使得信号干净，从而计算机 以及其他敏感负荷可安全用电。 • 8号：系统的断路器和输出部分。断路器是三相断路器， 可以在过电流时对任何负荷起到保护作用。断路器跳开后 可以重新整定和使用。如果电压的一相检测到过电流，三 相电路会同时跳开。
四、直流－直流逆变器
• 直流－直流逆变器在电能供应电路中有广泛的应用。 • 在这些电路中，直流电通过逆变器转换成交流电，交流电 再被转换成直流电，用以给设备进行供电。 • 完成这种变化的过程看似有点奇怪，这是因为在大型供电 系统中，如果电流型式是交流电，那么更容易改变电压和 电流的水平。 • 现在，旧的斩波电路别改为具有更新型电路的供电技术， 它们被统称为换流器（ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）。现在通常 会在开关模式供电（ＳＭＰＳ）中看到换流电路。