2光伏系統(tǒng)用中小功率逆變電源的技術(shù)現(xiàn)狀
逆變電源按變換方式可分為工頻變換和高頻變換,。工頻變換是利用分立器件或集成塊產(chǎn)生50Hz方波信號,,然后利用該信號去推動功率開關(guān)管,利用工頻升壓變壓器產(chǎn)生220V交流電,。這種逆變電源結(jié)構(gòu)簡單,,工作可靠,但由于電路結(jié)構(gòu)本身的缺陷,,不適合于帶感性負載,,如電冰箱、電風(fēng)扇,、水泵,、日光燈等。另外,,這種逆變電源由于采用了工頻變壓器,,因而體積大、笨重,、價格高,。目前主要用在大型太陽能光伏電站。
20世紀70年代初期,,20kHzPWM型開關(guān)電源的應(yīng)用在世界上引起了所謂“20kHz電源技術(shù)革命”,。這種變換思想當時即被用在逆變電源系統(tǒng)中,,但由于當時的功率器件昂貴,且損耗大,,高頻高效逆變電源的研究一直處于停滯狀態(tài),。到了80年代以后,隨著功率MOSFET工藝的日趨成熟及磁性材料質(zhì)量的提高,,高頻變換逆變電源才走向市場(1),。
高頻變換逆變電源是通過高頻DC/DC變換技術(shù),先將低壓直流變?yōu)楦哳l低壓交流,,經(jīng)過脈沖變壓器升壓后再整流成高壓直流,。由于在DC/DC變換中采用了PWM技術(shù),因而在此可得到一穩(wěn)定的直流電壓,,利用該電壓可直接驅(qū)動交流節(jié)能燈,、白熾燈、彩電等負載,。若對該高壓直流進行類正弦變換或正弦變換,,即可得到220V、50Hz類正弦波交流電或220V,、50Hz正弦波交流電,。這種逆變器由于采用高頻變換(現(xiàn)多為 20kHz~200kHz),因而體積小,、重量輕,,再由于采用了二次調(diào)寬及二次穩(wěn)壓技術(shù),因而輸出電壓非常穩(wěn)定,,負載能力強,,性能價格比高,是目前可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中首選產(chǎn)品,。在國外發(fā)達國家的中小交流光伏系統(tǒng)中得到普遍的使用,,但在國內(nèi),由于技術(shù)方面的原因及市場的混亂,,一些逆變電源廠家一直在推廣工頻變換逆變電源,,有的為了降低成本甚至使用低硅硅鋼片,,這樣的逆變電源充斥市場,,使得交流光伏系統(tǒng)的綜合成本升高,將會阻礙交流光伏系統(tǒng)的推廣,,這對行業(yè)的發(fā)展是很不利的,。
3國內(nèi)高頻變換中小功率逆變電源存在問題分析
3.1可靠性
目前,高頻變換中小功率逆變電源存在的問題主要是可靠性不高,。我們多年的研究,,生產(chǎn)及使用說明:影響高頻變換中小功率逆變電源壽命的主要因素有電解電容器,、光電耦合器及磁性材料(2)。
實踐證明:追求壽命的延長要從設(shè)計方面著手,,而不是依賴于使用方,。降低器件的結(jié)溫,減少器件的電應(yīng)力,,降低運行電流及采用優(yōu)質(zhì)的磁性材料等措施可大大提高其可靠性,。國內(nèi)之所以有人對高頻變換逆變電源的可靠性產(chǎn)生懷疑,一個重要的原因是一些廠家為了降低成本而仍使用70年代研制的第一代磁性材料,,如TDK 的H35,、FDK的H45等,由于這種磁性材料的飽和磁通密度及居里溫度點較低,,因而在功率較大時長時間使用極易出故障,。我們使用80年代中后期研制的第三代磁性材料,如TDK的H7C4,、FDK的H63B和H45C,、西門子的N47和N67,不但能有效地提高轉(zhuǎn)換效率(3),,而且大大提高了逆變電源可靠性,。事實上,彩電及計算機中使用的開關(guān)電源也證明了高頻變換方式的可靠性,。用戶的長時間使用也證明了我們目前生產(chǎn)的高頻變換中小功率逆變電源具有高的可靠性和效率,,完全可與MASTERVOLT等大公司的產(chǎn)品相媲美。
3.2效率
要提高逆變電源的效率,,就必須減小其損耗,。逆變電源中的損耗通常可分為兩類:導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗,。導(dǎo)通損耗是由于器件具有一定的導(dǎo)通電阻Rds,,因此當有電流流過時將會產(chǎn)生一定的功耗,損耗功率Pc由下式計算:Pc=I2×Rds,。在器件開通和關(guān)斷過程中,,器件不僅流過較大的電流,而且還承受較高的電壓,,因此器件也將產(chǎn)生較大的損耗,,這種損耗稱為開關(guān)損耗。開關(guān)損耗可分為開通損耗,、關(guān)斷損耗和電容放電損耗,。
開通損耗:
Pon=(1/2)×Ip×Vp×ts×f;
關(guān)斷損耗:
Poff=1/2×Ip×Vp×ts×f;
電容放電損耗:
Pcd=(1/2)×Cds×Vc2×f;
總的開關(guān)損耗:
Pcf=Ip×Vp×ts×f+(1/2)×Cds×Vc2×f。
式中:Ip為器件開關(guān)過程中流過的電流最大值,;
Vp為器件開關(guān)過程中承受的電壓最大值,;
ts為開通關(guān)斷時間,;
f為工作頻率;
Cds為功率MOSFET的漏源寄生電容,。
現(xiàn)代電源理論指出:要減小上述這些損耗,,就必須對功率開關(guān)管實施零電壓或零電流轉(zhuǎn)換,即采用諧振型變換結(jié)構(gòu),。
4光伏系統(tǒng)用中小功率逆變電源的發(fā)展展望
隨著諧振開關(guān)電源的發(fā)展,,諧振變換的思想也被用在逆變電源系統(tǒng)中,即構(gòu)成了諧振型高效逆變電源,。該逆變電源是在DC/DC變換中采用了零電壓或零電流開關(guān)技術(shù),,因而開關(guān)損耗基本上可以消除,即使當開關(guān)頻率超過1MHz以上后,,電源的效率也不會明顯降低,。實驗證明:在工作頻率相同的情況下,諧振型變換的損耗可比非諧振型變換降低30%~40%,。目前,,諧振型電源的工作頻率可達500kHz到1MHz。
另外值得注意的是,,光伏系統(tǒng)用中小功率逆變電源的研究正朝著模塊化方向發(fā)展,,即采用不同的模塊組合,就可構(gòu)成不同的電壓,、波形變換系統(tǒng),。
毫無疑問,光伏系統(tǒng)用中小功率逆變電源會采用高頻變換電路結(jié)構(gòu),。在一些技術(shù)細節(jié)上,,也會有別于其它場合使用的逆變電源,如除了追求高可靠,、高效率外,,還應(yīng)針對光伏行業(yè)的特點,將控制,、逆變有效地合二為一,,即光伏逆變電源在設(shè)計上應(yīng)具有過壓、欠壓,、短路,、過熱、極性接反等保護功能,。這樣做不但降低了系統(tǒng)的造價,,而且提高了系統(tǒng)的可靠性(4),。
5結(jié)語
隨著光伏系統(tǒng)的不斷規(guī)范,,高頻變換中小功率逆變電源將會得到市場的逐步認可,,它的使用將會促進光伏行業(yè)的良性發(fā)展。