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绿色能源系统逆变器
2021年11月11日    阅读量:709    新闻来源:QQ行业资讯网 qqwei.com  |  投稿

逆变器是从太阳能系统到风力涡轮机等绿色能源系统的关键组件。根据应用的大小和复杂程度,逆变器可以产生各种形式的方波、修正正弦波或真正弦波输出。有些只将直流电转换为交流电,而有些则与电池充电器集成在一起,有些则严格用于离网安装中国机械网okmao.com。相比之下,其他包括孤岛和并网应用所需的其他功能。设计用于直接安装在单个太阳能电池板上的微型逆变器可以显着提高系统效率,但成本高于集中式单元。此常见问题解答从绿色能源系统的基本逆变器设计考虑开始,考虑光伏 (PV) 系统架构,并以光伏逆变器和系统标准的审查结束。

基本逆变器设计包括方波、修正正弦波和纯正弦波(图 1)。每个人都有优点和缺点。方波逆变器是最简单的实现方式,通常很少使用,并且仅用于低功率应用。方波逆变器通常不适合为电子设备供电。如果负载不是电子负载,例如某些照明和加热技术,则方波逆变器可能是合适的。

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图 1:纯正弦波、修正正弦波和方波之间的波形比较。(图片:英泰克)

修正正弦波逆变器可为许多应用提供经济高效的解决方案。这种设计也可以称为“改进方波”逆变器,因为波形是在零伏电压下保持一段时间的方波,以尝试近似正弦波的能量传递函数。如果波形在一半的周期时间内具有正峰值和负峰值,则峰值与 RMS 电压比与正弦波相同。然而,方波逆变器和修正正弦波逆变器都具有高水平的总谐波失真 (THD)。修正正弦波逆变器的 THD 可以达到 30%,优于方波逆变器,但仍然相当高。

高水平的 THD 使方波和改进的方波逆变器不适合为许多设备供电。此外,THD 使这些逆变器的效率低于纯正弦波逆变器(图 2)。谐波的存在也会降低用电设备的效率。例如,许多交流电机将使用修正的正弦波电源运行,但与正弦波电源相比,效率降低了约 20%。


方波和改进方波逆变器可以在低功耗消费类应用中找到,例如便携式光伏充电器,其中成本很重要。对于中型和大型绿色能源装置,纯正弦波逆变器可提供更高的效率并产生等效的公用事业级功率。可以通过多种方式设计正弦波逆变器。例如,输入的低压直流电源可以转换为更高的直流电压,然后使用脉宽调制 (PWM) 技术将其转换为正弦波。这种方法在更高功率的光伏逆变器中很常见,并且不需要输出变压器。

住宅大小的光伏逆变器通常将来自光伏组串的低压直流输入直接转换为交流,然后通过变压器升压至电网电压(图 3). 在典型设计中,全桥拓扑用于使用高频脉宽调制器 (PWM) 将电池电压斩波为交流电。产生的低压交流电源通过 50/60 Hz 变压器(取决于所需的输出频率)提供 120 或 240 Vac 电源。添加电容滤波器可消除大部分谐波并产生“纯”正弦波交流电源。当不需要光伏能源为系统负载供电时,公用事业规模和住宅规模的正弦波逆变器通常都包括为备用电池充电的选项。在夜间或其他光伏电力不可用的时候,逆变器可以使用电池中存储的能量为系统负载供电。


光伏逆变器系统架构

光伏系统大小可以从单个模块到一串模块或多个串不等。光伏阵列的尺寸和架构决定了最佳光伏逆变器系统架构。有几种常见的光伏逆变器系统架构,包括:

  • 中央光伏逆变器

  • 组串光伏逆变器

  • 多串光伏逆变器

  • 交流模块光伏逆变器

在集中式架构中,大量光伏组件连接到单个逆变器。PV 模块可以串联、并联或串并联连接,以提供整个系统所需的电压。集中式架构对于大功率装置而言可能具有成本效益。集中式方法的一个挑战是在各种 PV 模块上实施最大功率点跟踪 (MPPT) 的复杂性。在具有许多 PV 模块的安装中,不同的模块可能会经历不同的辐照,从而产生不同的输出。这会使确定从阵列提供最大功率的精确工作点变得困难。在某些情况下,dc-dc 转换器放置在每个 PV 模块上,以隔离各个模块并提取最大功率。虽然这可能有效,

一种可能的解决方案是使用组串架构,其中每个光伏组串都有自己的逆变器。虽然在集中式架构中需要使用阻塞二极管来隔离 PV 模块,但在组串配置中不使用阻塞二极管。与集中式架构相比,MPPT 实现更简单。串式架构通常用于中等功率(至约 10 千瓦)的装置,例如住宅光伏系统。

中央和串架构的组合产生多串配置,其中光伏串并联连接。每个串都有一个专用的 dc-dc 转换器来提供最大功率点操作,dc-dc 转换器阵列馈入单个集中式逆变器。对于 10 到 40 kW 的住宅和商业安装,多串架构具有成本效益。

在微型逆变器架构中,每个光伏模块都有一个专用的逆变器。单个微型逆变器的功率通常限制在 300W 左右,具体取决于 PV 模块的输出。在每个 PV 模块上使用逆变器消除了对 MPPT 的任何担忧,并可以实现可扩展且易于扩展的安装。与集中式和串式架构相比,这种方法的运营优势带来了更高的成本。


光伏逆变器及系统标准

有许多与光伏装置相关的国际、区域和国家标准。以下提供了一些更重要的标准的摘要。一项常见要求是并网光伏逆变器的抗孤岛性能。如果电网出现故障,光伏逆变器继续向电网供电,将对电网工作人员造成严重的安全隐患。在电网出现故障的情况下,IEC 61727 和 IEEE 1547 要求并网逆变器在 2 秒或更短的时间内自动与电网断开连接。IEC 61727 适用于较小的系统,而 IEEE 1547 也适用于较大的安装。IEEE 1547 的技术性能要求通常更具限制性(表 2)。


已经为各种光伏逆变器特性建立了标准,包括预期的铭牌信息、如何测量逆变器效率、逆变器的安全运行、连接到独立电力系统的逆变器的通用标准等,包括:

  • EN 50524(光伏逆变器的数据表和铭牌)描述了光伏逆变器的数据表和铭牌信息,以提供配置安全和最佳系统光伏逆变器所需的最低要求。

  • EN 50530(光伏逆变器的整体效率)——测量逆变器静态和动态 MPPT 精度的程序。它还结合静态 MPPT 效率和转换效率来确定整体逆变器效率。

  • IEC 61683(功率调节器 – 测量效率的程序) – 用于测量独立和公用事业交互式光伏系统中使用的功率调节器的效率的指南;效率是通过直接测量输入和输出功率来计算的。

  • IEC 62109-1(光伏电力系统中使用的电源转换器的安全性 – 第 1 部分:一般要求)– 通常适用于需要统一安全级别的光伏系统中使用的电源转换设备 (PCE),并定义了最低要求用于防止电击、过高的能量水平、火灾以及机械和其他危险。

  • IEC 62109-2(光伏电力系统中使用的电源转换器的安全性 – 第 2 部分:逆变器的特殊要求)– 涵盖了光伏逆变器的特定安全要求,包括单独使用或以各种方式使用的多模式逆变器的独立电网交互阵列配置,包括使用备用电池或其他形式的能量存储。

  • UL 1741(用于分布式能源的逆变器、转换器、控制器和互连系统设备)——涵盖独立或并网电力系统中的逆变器、转换器、充电控制器和互连系统设备。在电网交互式安装的情况下,UL 1741 旨在补充并与 IEEE 1547 和 IEEE 1547.1 结合使用。

概括

大多数绿色能源装置依赖于高效且具有成本效益的电源逆变器。最常见的逆变器类型是修正正弦波和纯正弦波。方波逆变器成本较低,但被降级为供消费者使用的低功率逆变器。除了输出波形,逆变器还可以根据整个系统架构进行分类。从低功率系统到大功率系统的规模不断扩大,逆变器架构包括微型、串式、多串式和集中式。每当逆变器用于提供交流电源时,许多国际标准都涵盖逆变器操作、性能测量、安全和安装。


标签:今日头条机械应用技术中心设备与仪器工业设备
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