目前我國光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng),即將太陽電池發(fā)出的電能給蓄電池充電,而蓄電池直接給負載供電,如我國西北地區(qū)使用較多的太陽能戶用照明系統(tǒng)以及遠離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,但由于負載直流電壓的不同(如12V、24V、48V等),很難實現(xiàn)系統(tǒng)的標準化和兼容性,特別是民用電力,由于大多為交流負載,以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進入市場。另外,光伏發(fā)電最終將實現(xiàn)并網(wǎng)運行,這就必須采用成熟的市場模式,今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。
光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變電源的要求
采用交流電力輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng),由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和逆變器四部分組成(并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般可省去蓄電池),而逆變器是關(guān)鍵部件。光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器要求較高:
1.要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價格偏高,為了最大限度地利用太陽電池,提高系統(tǒng)效率,必須設(shè)法提高逆變器的效率。
2.要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū),許多電站無人值守和維護,這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu),嚴格的元器件篩選,并要求逆變器具備各種保護功能,如輸入直流極性接反保護,交流輸出短路保護,過熱、過載保護等。
3.要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍,由于太陽電池的端電壓隨負載和日照強度而變化,蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有重要作用,但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動,特別是當蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大,如12V蓄電池,其端電壓可在10V~16V之間變化,這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作,并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。
4.在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中,逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中,若采用方波供電,則輸出將含有較多的諧波分量,高次諧波將產(chǎn)生附加損耗,許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載為通信或儀表設(shè)備,這些設(shè)備對電網(wǎng)品質(zhì)有較高的要求,當中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時,為避免與公共電網(wǎng)的電力污染,也要求逆變器輸出正弦波電流。
逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電,若直流電壓較低,則通過交流變壓器升壓,即得到標準交流電壓和頻率。對大容量的逆變器,由于直流母線電壓較高,交流輸出一般不需要變壓器升壓即能達到220V,在中、小容量的逆變器中,由于直流電壓較低,如12V、24V,就必須設(shè)計升壓電路。
中、小容量逆變器一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種,推挽電路,將升壓變壓器的中性插頭接于正電源,兩只功率管交替工作,輸出得到交流電力,由于功率晶體管共地邊接,驅(qū)動及控制電路簡單,另外由于變壓器具有一定的漏感,可限制短路電流,因而提高了電路的可靠性。其缺點是變壓器利用率低,帶動感性負載的能力較差。
全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點,功率晶體管調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度,輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有續(xù)流回路,即使對感性負載,輸出電壓波形也不會畸變。該電路的缺點是上、下橋臂的功率晶體管不共地,因此必須采用專門驅(qū)動電路或采用隔離電源。另外,為防止上、下橋臂發(fā)生共同導通,必須設(shè)計先關(guān)斷后導通電路,即必須設(shè)置死區(qū)時間,其電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
推挽電路和全橋電路的輸出都必須加升壓變壓器,由于升壓變壓器體積大,效率低,價格也較貴,隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,采用高頻升壓變換技術(shù)實現(xiàn)逆變,可實現(xiàn)高功率密度逆變,這種逆變電路的前級升壓電路采用推挽結(jié)構(gòu),但工作頻率均在20KHz以上,升壓變壓器采用高頻磁芯材料,因而體積小、重量輕,高頻逆變后經(jīng)過高頻變壓器變成高頻交流電,又經(jīng)高頻整流濾波電路得到高壓直流電(一般均在300V以上)再通過工頻逆變電路實現(xiàn)逆變。
采用該電路結(jié)構(gòu),使逆變器功率大大提高,逆變器的空載損耗也相應(yīng)降低,效率得到提高,該電路的缺點是電路復(fù)雜,可靠性比上述兩種電路低。
逆變電路的控制電路
上述幾種逆變器的主電路均需要有控制電路來實現(xiàn),一般有方波和正弱波兩種控制方式,方波輸出的逆變電源電路簡單,成本低,但效率低,諧波成份大。正弦波輸出是逆變器的發(fā)展趨勢,隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,有PWM功能的微處理器也已問世,因此正弦波輸出的逆變技術(shù)已經(jīng)成熟。
1.方波輸出的逆變器目前多采用脈寬調(diào)制集成電路,如SG3525,TL494等。實踐證明,采用SG3525集成電路,并采用功率場效應(yīng)管作為開關(guān)功率元件,能實現(xiàn)性能價格比較高的逆變器,由于SG3525具有直接驅(qū)動功率場效應(yīng)管的能力并具有內(nèi)部基準源和運算放大器和欠壓保護功能,因此其外圍電路很簡單。
2.正弦波輸出的逆變器控制集成電路,正弦波輸出的逆變器,其控制電路可采用微處理器控制,如INTEL公司生產(chǎn)的80C196MC、摩托羅拉公司生產(chǎn)的MP16以及MI-CROCHIP公司生產(chǎn)的PIC16C73等,這些單片機均具有多路PWM發(fā)生器,并可設(shè)定上、上橋臂之間的死區(qū)。