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實現高效可靠的太陽能逆變器設計

發布時間:2010年11月19日 來源:佳工機電網

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  額定電壓:太陽能逆變器的主要功能是把來自光伏面板(有時是經過穩壓的DC電壓)的可變DC電壓轉換為AC電壓以驅動負載或給電網供電。最常用的單相和三相AC電壓分別為120V/220V以及208V/380V;而對工業應用來說,480V也很常見。對選定的逆變器拓撲來說,輸出AC電壓的范圍將決定DC母線電壓以及每個半導體開關的額定電壓。


  容量:它是太陽能逆變器額定功率的另一個說法。該數值在200W(面板集成模塊)到數百千瓦之間。容量越大,逆變器的體積越大、價格越高。太陽能逆變器的成本以美元/瓦來衡量。就一個恰到好處的設計而言,確定容量時,必須把浪涌、過載以及連續工作模式等情況考慮在內。


  效率:每個太陽能逆變器都有其對效率(輸出功率/輸入功率)的要求,例如,一個數千瓦系統的典型效率可達95%。基于太陽能陣列的能量轉換效率相對低(約在15%左右)的事實,所以,就以最小的太陽能面板獲得最多的輸出功率來說,高效逆變器具有非常重要的意義。


  電池能力:在逆變器的DC側加裝電池組起著能量緩存器的作用,它能平抑DC電壓可能的波動并把負載還未使用的能量存儲起來。電池能力的一個優點是當天黑時仍可持續提供能量。任何加裝了電池的太陽能逆變器都需要電池控制器,雖然在連接電網的情況一般用不到。


  輸出功率質量:源于逆變器內在的開關模式特性,其AC輸出波形并非理想的正弦波,且通常還包含由脈寬調制(PWM)引入的寬范圍高頻諧波。對許多電子負載來說,這些諧波有害無益;當并網時,這些諧波成為污染源。盡管有這些諧波,太陽能逆變器依然能夠對負載較差的功率因數進行補償,并弱化諸如電壓驟降和波動等電源質量問題。一款設計精良的太陽能逆變器應輸出近似正弦波并減少引入到電網內不期望的低頻成分。


  MPPT效能:太陽能面板的輸出將遵循電流-電壓曲線圖中不同光照條件下的一系列特性曲線,因此,為獲得最大功率輸出,需對電壓進行動態調節。最大功率點跟蹤手法類似獲取內燃機最佳效率曲線的作法,其中,扭矩和速度對應電流和電壓。過去10年間,開發出若干算法,其中最流行的是通過擾動電壓和觀察輸出的方法。


  通信特性:對一個數千瓦的太陽能逆變器來說,構建一個用于監控和數據存儲的通信連接很有必要。歸功于當今這樣一個數字時代,作為一種通用控制器的微處理器(MCU)很適合該功能。


  安全性:有兩個含義:1.當并網時,需仔細觀察波形并在掉電時,立即切斷連接;反孤島保護對此很關鍵。2.維護和維修時,工作人員應沒安全風險。


  并網逆變器需要在不降低功率等級的前提下,緊密匹配電網的相位和頻率。在并網時,逆變器能夠把負載用不了的電能回送至電網且無須借助體積龐大、成本高昂的能量存儲器件。基于安全考慮,并網的逆變器將在掉電時自動切斷且一般沒有用于存儲能量的電池組。同時,離網太陽能逆變器工作在獨立模式,無需與外部AC電網同步。所以,它不需要任何反孤島保護措施。

  
  另外,對于逆變器的并網設計和離網設計,兩者間的區別還在于輸出級。然而,在并網連接系統中,大多數情況下,DC/AC級由600V的功率MOSFET和/或IGBT所構建,離網系統則使用為電池級饋送的低壓輸出,主要的應用包括太陽能街燈照明或使用48V電壓軌輸出的太陽能輔助電信系統。在48V系統中,則一般選擇100V的功率MOSFET來構建全橋逆變器。下文也將會對太陽能逆變器中的MOSFET和IGBT的使用進行詳細介紹。


  系統效率可能成為了太陽能逆變器最重要的設計考慮因素,是不同競爭廠商之間優劣的區分要素。一臺20kWp安裝設備每天平均輸出電能為190kWh,若其效率從95%提高到96%,如果強制入網電價 (feed-in tariff)按0.40美元/ kWh,并以10年壽命周期來計算,其所節省約為逆變器自身成本的一半,因此效率的重要性不言而喻。


  一旦輸出功率確定了,則最高轉換效率和最低功率器件損耗講的就是一回事。考慮到光伏面板把太陽能轉換為電能的效率很低(一般只有15%),則能量逆變器的效率在減小太陽能面板面積和整個系統的體積方面就很有意義。除此原因外,器件的功率損耗將在硅裸片上產生熱從而導致溫升,因此,必須有效散熱。這些損耗導致的熱過力是高可靠設計必須竭力應付的且必須要用到散熱器。眾所周知,散熱器個頭大、價格高;另外,其采用諸如風扇等器件使散熱器的可靠性不高。換句話,盡可能小的功率損耗不僅節省能量,還可以提升系統可靠性,使系統更緊湊并降低了成本。


  由于現有逆變器的第一次故障平均時間約是5年,因此太陽能逆變器成為造成光伏系統諸多故障的主要原因。為提升逆變器設計的可靠性,需考慮如下因素并采取相應措施,包括:低損耗功率器件和開關電路、更新的封裝技術、對電解電容器的替代、過設計、器件的冗余以及對常見失效模式和原因等的深入分析。


  Microsemi(美高森美)半導體的應用工程師經理錢昶指出,電和熱方面的過載是導致失效的兩個原因,選擇能效更高的器件和電路會降低逆變器自身的功耗并進而降低功率器件的結溫且同時降低了熱過力;過設計是使電和熱應力遠遠低于器件所能承受水平的另一條途徑;而冗余設計使器件交替工作,從而分攤降低了每一器件所受的壓力。

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