逆變器的概念

　　通常，把將交流電能變換成直流電能的過程稱為整流,，把完成整流功能的電路稱為整流電路,，把實現(xiàn)整流過程的裝置稱為整流設(shè)備或整流器。與之相對應(yīng),，把將直流電能變換成交流電能的過程稱為逆變,，把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變設(shè)備或逆變器,。

　　現(xiàn)代逆變技術(shù)是研究逆變電路理論和應(yīng)用的一門科學(xué)技術(shù),。它是建立在工業(yè)電子技術(shù)、半導(dǎo)體器件技術(shù),、現(xiàn)代控制技術(shù),、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體變流技術(shù),、脈寬調(diào)制（ＰＷＭ）技術(shù)等學(xué)科基礎(chǔ)之上的一門實用技術(shù),。它主要包括半導(dǎo)體功率集成器件及其應(yīng)用、逆變電路和逆變控制技術(shù)３大部分,。

　　逆變器的分類

　　逆變器的種類很多,，可按照不同的方法進行分類。

　?。保茨孀兤鬏敵鼋涣麟娔艿念l率分,，可分為工頻逆變器,、中頻逆器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為５０～６０Ｈｚ的逆變器,；中頻逆變器的頻率一般為４００Ｈｚ到十幾ｋＨｚ,；高頻逆變器的頻率一般為十幾ｋＨｚ到ＭＨｚ。

　?。玻茨孀兤鬏敵龅南鄶?shù)分,，可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器,。

　　３．按照逆變器輸出電能的去向分,，可分為有源逆變器和無源逆變器,。凡將逆變器輸出的電能向工業(yè)電網(wǎng)輸送的逆變器，稱為有源逆變器,；凡將逆變器輸出的電能輸向某種用電負(fù)載的逆變器稱為無源逆變器,。

　　４．按逆變器主電路的形式分,，可分為單端式逆變器,，推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器,。

　?。担茨孀兤髦?font class="f14">開關(guān)器件的類型分，可分為晶閘管逆變器,、晶體管逆變器,、場效應(yīng)逆變器和絕緣柵雙極晶體管（ＩＧＢＴ）逆變器等。又可將其歸納為“半控型”逆變器和“全控制”逆變器兩大類,。前者,，不具備自關(guān)斷能力，元器件在導(dǎo)通后即失去控制作用,，故稱之為“半控型”普通晶閘管即屬于這一類,；后者，則具有自關(guān)斷能力,，即無器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均可由控制極加以控制,，故稱之為“全控型”，電力場效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙權(quán)晶體管（ＩＧＢＴ）等均屬于這一類,。

　?。叮粗绷麟娫捶郑煞譃殡妷涸葱湍孀兤鳎ǎ郑樱桑┖碗娏髟葱湍孀兤鳎ǎ茫樱桑?。前者,，直流電壓近于恒定,，輸出電壓為交變方波；后者,，直流電流近于恒定,，輸也電流為交變方波。

　?。罚茨孀兤鬏敵鲭妷夯螂娏鞯牟ㄐ畏?，可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。

　?。福茨孀兤骺刂品绞椒?，可分為調(diào)頻式（ＰＦＭ）逆變器和調(diào)脈寬式（ＰＷＭ）逆變器。

　?。梗茨孀兤鏖_關(guān)電路工作方式分,，可分為諧振式逆變器，定頻硬開關(guān)式逆變器和定頻軟開關(guān)式逆變器,。

　?。保埃茨孀兤鲹Q流方式分，可分為負(fù)載換流式逆變器和自換流式逆變器,。

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　　逆變器的基本結(jié)構(gòu)

　　逆變器的直接功能是將直流電能變換成為交流電能,，其示意圖如圖１所示。

　　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,。電力電子開關(guān)器件的通斷，需要一定的驅(qū)動脈沖,，這些脈沖可能通過改變一個電壓信號來調(diào)節(jié),。產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖的電路。通常稱為控制電路或控制回路,。逆變裝置的基本結(jié)構(gòu),，除上述的逆變電路和控制電路外，還有保護電路,、輸出電路,、輸入電路、輸出電路等,，如圖２所示,。　　

　　逆變器的工作原理

　　１．全控型逆變器工作原理：圖３所示,，為通常使用的單相輸出的全橋逆變主電路,，圖中，交流元件采用ＩＧＢＴ管Ｑ１１,、Ｑ１２,、Ｑ１３、Ｑ１４,。并由ＰＷＭ脈寬調(diào)制控制ＩＧＢＴ管的導(dǎo)通或截止,。

　　當(dāng)逆變器電路接上直流電源后，先由Ｑ１１,、Ｑ１４導(dǎo)通,，Ｑ１、Ｑ１３截止,，則電流由直流電源正極輸出,，經(jīng)Ｑ１１、Ｌ或感,、變壓器初級線圈圖１－２,，到Ｑ１４回到電源負(fù)極,。當(dāng)Ｑ１１,、Ｑ１４截止后，Ｑ１２,、Ｑ１３導(dǎo)通,，電流從電源正極經(jīng)Ｑ１３、變壓器初級線圈２－１電感到Ｑ１２回到電源負(fù)極,。此時,，在變壓器初級線圈上，已形成正負(fù)交變方波,，利用高頻ＰＷＭ控制,，兩對ＩＧＢＴ管交替重復(fù)，在變壓器上產(chǎn)生交流電壓,。由于ＬＣ交流濾波器作用,，使輸出端形成正弦波交流電壓。

　　當(dāng)Ｑ１１,、Ｑ１４關(guān)斷時,，為了釋放儲存能量，在ＩＧＢＴ處并聯(lián)二級管Ｄ１１,、Ｄ１２,，使能量返回到直流電源中去。　　

　?。玻肟匦湍孀兤鞴ぷ髟恚喊肟匦湍孀兤鞑捎镁чl管元件,。改進型并聯(lián)逆變器的主電路如圖４所示。圖中,，Ｔｈ１,、Ｔｈ２為交替工作的晶閘管，設(shè)Ｔｈ１先觸發(fā)導(dǎo)通,，則電流通過變壓器流經(jīng)Ｔｈ１,，同時由于變壓器的感應(yīng)作用，換向電容器Ｃ被充電到大的２倍的電源電壓,。按著Ｔｈ２被觸發(fā)導(dǎo)通,，因Ｔｈ２的陽極加反向偏壓，Ｔｈ１截止,，返回阻斷狀態(tài),。這樣，Ｔｈ１與Ｔｈ２換流,，然后電容器Ｃ又反極性充電,。如此交替觸發(fā)晶閘管，電流交替流向變壓器的初級,，在變壓器的次級得到交流電,。

　　在電路中，電感Ｌ可以限制換向電容Ｃ的放電電流,，延長放電時間,，保證電路關(guān)斷時間大于晶閘管的關(guān)斷時間，而不需容量很大的電容器,。Ｄ１和Ｄ２是２只反饋二極管,，可將電感Ｌ中的能量釋放，將換向剩余的能量送回電源,，完成能量的反饋作用,。　　

　　逆變器的主要技術(shù)性能及評價選用

　　技術(shù)性能

　　表征逆變器性能的基本參數(shù)與技術(shù)條件內(nèi)容很多,，下面僅就評價時常用的參數(shù)做一簡要說明,。

　　１．額定輸出電壓

　　在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動范圍內(nèi),，它表示逆變器應(yīng)能輸出的額定電壓值,。對輸出額定電壓值的穩(wěn)定準(zhǔn)確度一般有如下規(guī)定：

　　（１）在穩(wěn)態(tài)運行時,，電壓波動范圍應(yīng)有一個限定,，例如其偏差不超過額定值的±３％或±５％。

　　（２）在負(fù)載突變（額定負(fù)載０％→５０％→１００％）或有其他干擾因素影響的動態(tài)情況下,，其輸出電壓偏差不應(yīng)超過額定值的±８％或±１０％,。

　　２．輸出電壓的不平衡度

　　在正常工作條件下,，逆變器輸出的三相電壓不平衡度（逆序分量對正序分量之比）應(yīng)不超過一個規(guī)定值,，一般以％表示，如５％或８％,。

　?。常敵鲭妷旱牟ㄐ问д娑?/p>

　　當(dāng)逆變器輸出電壓為正弦度時，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,，其值不應(yīng)超過５％（單相輸出允許１０％）。

　?。矗~定輸出頻率

　　逆變器輸出交流電壓的頻率應(yīng)是一個相對穩(wěn)定的值,，通常為工頻５０Ｈｚ。正常工作條件下其偏差應(yīng)在±１％以內(nèi),。

　?。担?fù)載功率因數(shù)

　　表征逆變器帶感性負(fù)載或容性負(fù)載的能力。在正弦波條件下,，負(fù)載功率因數(shù)為０．７～０．９（滯后）,，額定值為０．９。

　?。叮~定輸出電流（或額定輸出容量）

　　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，額定輸出電壓為額定輸出電流的乘積,。

　?。罚~定輸出效率

　　逆變器的效率是在規(guī)定的工作條件下，其輸出功率對輸入功率之比,，以％表示,。逆變器在額定輸出容量下的效率為滿負(fù)荷效率，在１０％額定輸出容量的效率為低負(fù)荷效率,。

　?。福Ｗo

　　（１）過電壓保護：對于沒電壓穩(wěn)定措施的逆變器,，應(yīng)有輸出過電壓防護措施,，以使負(fù)截免受輸出過電壓的損害。

　　（２）過電流保護：逆變器的過電流保護,，應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流超過允許值時及時動作,，使其免受浪涌電流的損傷。

　?。梗饎犹匦?/p>

　　表征逆變器帶負(fù)載起動的能力和動態(tài)工作時的性能,。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動。

　?。保埃肼?/p>

　　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,。逆變器正常運行時,，其噪聲應(yīng)不超過８０ｄＢ，小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過６５ｄＢ,。

　　逆變器的主要技術(shù)性能及評價選用

　　評價

　　為正確選用光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器,，應(yīng)對逆變器的技術(shù)性能進行評價。根據(jù)逆變器對離網(wǎng)型主要光伏發(fā)電系統(tǒng)運行特性的影響和光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器性能的要求,，評價內(nèi)容有如下幾項：

　?。保~定輸出容量

　　表征逆變器向負(fù)載供電的能力。額定輸出容量值高的逆變器可帶更多的用電負(fù)載,。但當(dāng)逆變器的負(fù)載不是純阻性時,，也就是輸出功率小于１時，逆變器的負(fù)載能力將小于所給出的額定輸出容量值,。

　?。玻敵鲭妷悍€(wěn)定度

　　表征逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力。多數(shù)逆變器產(chǎn)品給出的是輸入直流電壓在允許波動范圍內(nèi)該逆變器輸出電壓的偏差％,，通常稱為電壓調(diào)整率,。高性能的逆變器應(yīng)同時給出當(dāng)負(fù)載由０％→１００％變化時，該逆變器輸出電壓的偏差％,，通常稱為負(fù)載調(diào)整率,。性能良好的逆變器的電壓調(diào)整率應(yīng)≤±３％，負(fù)載調(diào)整率應(yīng)≤±６％,。

　?。常麢C效率

　　表征逆變器自身功率損耗的大小，通常以％表示,。容量較大的逆變器還應(yīng)給出滿負(fù)荷效率值和低負(fù)荷效率值,。ｋＷ級以下逆變器的效率應(yīng)為８０％～８５％，１０ｋＷ級逆變器的效率應(yīng)為８５％～９０％,。逆變器效率的高低對光伏發(fā)電系統(tǒng)提高有效發(fā)電量和降低發(fā)電成本有重要影響,。

　?。矗Ｗo功能

　　過電壓、過電流及短路保護是保證逆變器安全運行的最基本措施,。功能完美的正弦波逆變器還具有欠電壓保護,、缺相保護及溫度越限報警等功能。

　?。担饎有阅?/p>

　　逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動,。高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿負(fù)荷起動而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全,，有時采用軟起動或限流起動,。

　　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,，除依據(jù)上述５項基本評價內(nèi)容外,，還應(yīng)注意以下幾點：

　　（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,，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,。在逆變器以多個設(shè)備為負(fù)載時，逆變器容量的選取要考慮幾個用電設(shè)備同時工作的可能性,，即“負(fù)載同時系數(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，端電壓可達１３．５Ｖ,，短時間過充電狀態(tài)可達１５Ｖ,。蓄電池帶負(fù)荷放電終了時端電壓可降至１０．５Ｖ或更低,。蓄電池端電壓的起伏可達標(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,。

　?。ǎ常┰诟鞣N負(fù)載下具有高效率或較高效率。整機效率高是光伏發(fā)電用逆變器區(qū)別于通用型逆變器的一個顯著特點,。１０ｋＷ級的通用型逆變器實際效率只有７０％～８０％,，將其用于光伏發(fā)電系統(tǒng)時將帶來總發(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)計中應(yīng)特別注意減少自身功率損耗，提高整機效率,。因此這是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的一項重要措施,。在整機效率方面對光伏發(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％。

　?。ǎ矗?yīng)具有良好的過電流保護與短路保護功能,。光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運行過程中，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,，必須要求具備有良好的對過電流及短路的自我保護功能,。

　　（５）維護方便,。高質(zhì)量的逆變器在運行若干年后,，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,。

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的操作使用與維護檢修

　　操作使用

　　１．嚴(yán)格按照逆變器使用維護說明書的要求進行設(shè)備的連接和安裝,。在安裝時,，應(yīng)認(rèn)真檢查：線徑是否符合要求,；各部件及端子在運輸中有否松動；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說明書的規(guī)定操作使用,。尤其是：在開機前要注意輸入電壓是否正常,；在操作時要注意開關(guān)機的順序是否正確，各表頭和指示燈的指示是否正常,。

　?。常孀兤饕话憔袛嗦贰⑦^電流,、過電壓,、過熱等項目的自動保護，因此在發(fā)生這些現(xiàn)象時,，無需人工停機,；自動保護的保護點，一般在出廠時已設(shè)定好,，無需再行調(diào)整,。

　　４．逆變器機柜內(nèi)有高壓,，操作人員一般不得打開柜門,，柜門平時應(yīng)鎖死。

　?。担谑覝爻^３０℃時,，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。

　?。玻坏﹫缶C,，不準(zhǔn)馬上開機，應(yīng)查明原因并修復(fù)后再行開機,，檢查應(yīng)嚴(yán)格按逆變器維護手冊的規(guī)定步驟進行,。

　　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,，并能進行排除，例如能熟練地更換保險絲,、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,。

　?。矗绨l(fā)生不易排除的事故或事故的原因不清，應(yīng)做好事故詳細記錄,，并及時通知生產(chǎn)工廠給予解決,。