浅谈光伏技术之解析逆变器

作者: | 发布日期: 2018 年 07 月 12 日 15:34 | 分类: 新能源知识

逆变器是电力电子技术和电气技术紧密结合的产物,被广泛应用于各种领域。光伏并网逆变器是整个光伏系统的心脏,地位非常重要。本文从元器件的角度“解剖”逆变器。

1. 关键元器件清单

表 1

上表是组串、集中逆变器通用的一个关键元器件清单,和主流生产厂家。图1 是逆变器的电气拓扑图,本文按照顺序介绍各个元器件的作用和要求。

图1

2. 元器件介绍

一台逆变器的元器件排布顺序:直流开关、直流滤波、直流母线(电容)、IBGT(功率模块)、DSP(运算控制模块)、LCL或者LC滤波、交流接触器(继电器)、交流断路器,以及传感器、风机等附件。

2.1 直流开关、直流断路器

顾名思义,直流开关就是分合直流电流作用的。直流开关又称为直流快速开关或直流快速自动开关,它是一种操作和保护,能对直流额定电压600~1500V电路中直流电机、整流机组和直流馈线等进行分闸、合闸操作,并在短路、过载、逆流(反向)时起保护跳闸作用。

直流断路器有限流性能,能准确保护继电保护、自动装置免受过载、短路等故障危害。直流断路器具备的限流、灭弧能力。

需要指出的是,国内绝大部分逆变器的直流侧都选择使用直流开关,不使用只留断路器。

2.2 直流滤波

IGBT在工作时,不仅仅向交流侧传递干扰信号,同时也向直流侧传导干扰信号,直流侧的干扰信号通过电池板的铝合金边框向周围环境释放被放大的干扰信号,这样的信号不仅仅可以干扰手机通讯,干扰视频信号,也可以干扰监控信号。

当有多台逆变器并联时,如果没有直流滤波,逆变器之间会互相干扰,会产生通讯异常,造成远程无法控制。同时,逆变器对直流线缆产生的干扰,会通过各种途径耦合到交流测,对电能质量产生影响。

目前逆变器主要使用滤波电容作为滤波元器件,很少使用滤波模块。滤波电容并联在逆变器电源电路输入端,用以降低直流脉动波纹系数、平滑直流输出的一种储能器件。滤波电容不仅使电源直流输出平稳,降低了交变脉动波纹对电子电路的影响,同时还可吸收电子电路工作过程中产生的电流波动和经由交流电源串入的干扰,使得电子电路的工作性能更加稳定。

滤波电容在电路中的符号一般用“C”表示。为了获得好的滤波效果,选择的滤波电容的电容量都比较大,最常用的为数百至数千微法的电解电容,在几十千赫兹甚至更高频率的场合,对频率特性的要求比对容量的要求显得重要得多。

2.3 母线支撑电容

母线支撑电容是逆变器的主要元器件,也就是我们常问起的,“XX厂家逆变器是电解的还是薄膜的”。母线电容也叫母线支撑电容,它安装在IGBT模块前端,起的主要作用稳定IGBT母线上的电压值。

如果直流输入功率突然变化,会造成直流母线和电容本身里面的寄生电感产生感应电动势,会造成直流母线上的电压大幅度妇变化。影响IBGT的工作,也影响输出电压波形。所以在IGBT前端需要并联大容量的直流母线电容。

图3 500KW逆变器的直流母线电容组

2.3.1 薄膜电容和电解电容

薄膜电容器是以金属箔当电极,将其和聚乙酯,聚丙烯,聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜,从两端重叠后,卷绕成圆筒状的构造之电容器。(见图3)而依塑料薄膜的种类又被分别称为聚乙酯电容又称Mylar电容,聚丙烯电容又称PP电容,聚苯乙烯电容又称PS电容和聚碳酸电容。

薄膜电容器由于具有很多优良的特性,因此是一种性能优秀的电容器。它的主要特性如下:无极性,绝缘阻抗很高,频率特性优异(频率响应宽广),而且介质损失很小。基于以上的优点,所以薄膜电容器被大量使用在模拟电路上。尤其是在信号交连的部分,必须使用频率特性良好,介质损失极低的电容器,方能确保信号在传送时,不致有太大的失真情形发生。在所有的塑料薄膜电容当中,又以聚丙烯(PP)电容和聚苯乙烯(PS)电容的特性最为显著,当然这两种电容器的价格也比较高。

由于价格较高,在2010年左右,有很多厂家用电解电容来做母线支撑电容,导致很多烧毁逆变器的事故。目前整个行业基本上都用薄膜电容做母线支持电容了。

电解电容器通常是由金属箔(铝/钽)作为正电极,金属箔的绝缘氧化层(氧化铝/钽五氧化物)作为电介质,电解电容器以其正电极的不同分为铝电解电容器和钽电解电容器。铝电解电容器的负电极由浸过电解质液(液态电解质)的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成;钽电解电容器的负电极通常采用二氧化锰。由于均以电解质作为负电极(注意和电介质区分),电解电容器因而得名。

2.3.2 电解电容和薄膜电容的区别

电容器容抗是随着频率的变化呈反比例关系,电容器的有功损耗是随着电流的增大而增大,且为电流平方成正比关系,所以电容器的损耗则成为在电容器运行过程中安全可靠的至关重要的因素。

金属化膜直流支撑电容固有损耗非常小,整台电容器损耗小于2‰,仅为铝电解电容器1%,且采用聚丙烯薄膜作为介质,产品频率特性很稳定,在中、高频环境使用,由于其良好的频率、电流特性可以保证其安全长寿命,在额定工况下预期寿命≥80000小时,且在寿命期内随环境的变化电气性能基本保持不变,不影响电容器的寿命,保证配套设备运行安全可靠。

铝电解电容器的损耗非常大,其中无功损耗可以占到总无功容量的20%,且铝电解电容器有功损耗随着频率的增大而增大,频率超过1000赫兹损耗变化率逐渐增大,当频率超过10000赫兹后变化率急剧增加,有功损耗增大,发热量增大。这是长久以来在中、高频大功率环境下采用铝电解直流滤波电容器发热量大、故障率高、寿命非常短,额定工况下预期寿命≤50000小时,随着工况的变化容量急剧变化,寿命降低的原因,甚至由一些企业在中、高频环境使用铝电解电容器寿命不足10000小时,常常由于电容器故障影响到整台设备的使用。

另外,铝电解电容器在容量偏差由于其固有的材料、结构特性的影响,在额定电容量及容量温度稳定性方面偏差较金属化电容器有较大的差距:铝电解电容器由于无法控制铝极板氧化面积致使容量无法准确控制,而金属化电容器产品可以通过直接控制极板面积精确控制产品电容量,偏差可以控制在-2%~+2%之间,对线路的精确性提供了可靠的保证。

金属化膜电容器中绝缘介质材料为高分子聚合物薄膜,可以通过控制薄膜厚度(精度在0.2微米以上)来提高电容器产品的额定电压;铝电解电容器由于绝缘介质是铝箔表面的氧化铝层,难以控制氧化层厚度及均匀性,所以难以达到高的耐压及过压倍数。

因为R、L、C是组成电路的基本元素,各种电容(C),存在与一个复杂的电路中。不可能所有的电解电容都会被薄膜电容代替。

3. IGBT模块

IGBT非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, N+ 区称为源区,附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区(包括P+ 和P 一区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区( Subchannel region )。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区( Drain injector ),它是IGBT 特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP 晶体管提供基极电流,使IGBT 导通。反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同,只需控制输入极N一沟道MOSFET ,所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后,从P+ 基极注入到N 一层的空穴(少子),对N 一层进行电导调制,减小N 一层的电阻,使IGBT 在高电压时,也具有低的通态电压。

并网逆变器用IGBT模块

4. 交流滤波

交流滤波器是逆变器一个重要组成部分,可以补偿IGBT消耗的无功功率,同时滤除和减少换流过程中产生的谐波以避免对交流系统造成影响。

光伏逆变器常用的交流滤波方式主要有LC和LCL两种形式。

4.1 LC滤波和LCL滤波电路

LC滤波器也称为无源滤波器,是传统的谐波补偿装置。LC滤波器之所以称为无源滤波器,顾名思义,就是该装置不需要额外提供电源。LC滤波器一般是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成,与“谐波源”并联,除起滤波作用外,还兼顾无功补偿的需要。而且可滤除某一次或多次谐波,最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联,可对主要次谐波(3、5、7)构成低阻抗旁路。

Lc滤波电路

通常电流源的逆变器(并网逆变器)会使用LCL滤波器,电压源的逆变器(UPS)会使用LC滤波器。原因是电流源逆变器一般都是与电网相连接,如果使用LC滤波器就会为电网注入开关次谐波,当然这是在电网很强的情况下,如果电网就弱,即系统阻抗较大,其实使用LC滤波器也是没有问题的。

但LCL滤波器存在两个谐振点,控制参数没有设计好会发生谐振,其次如果系统较弱,背景谐波电压会通过系统阻抗与LCL滤波器的C发生谐振,所以一般都会在C上串一个电阻,如果不串电阻最好检测C上电流,做反馈,也就是虚拟阻抗的方法。

电压源逆变器一般不与电网连接,直接为负荷供电,比如UPS,这时只要电压纹波系数小于一定值就可以了,即负荷能承受了,这样就可以省去一组L。如果UPS非要使用LCL也没问题。

目前绝大多数三相并网逆变器都使用LCL滤波方式,优点是可以极大的减少电感量和重量,假设LC滤波的逆变器L的重量是30kg电感量是3ml,那么LCL电路中两个L的重量之和是10kg,电感量是1ml。体积也减小了,所以很多以前2米长的逆变器做到1.6米,主要赖于使用了LCL滤波。

文章来源:古瑞瓦特 张喆

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