光伏发电逆变器结构的优化设计分析
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发布者：lunwenchina
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时间：2020年4月26日 14:50
余 康
（中国能源建设集团广东火电工程有限公司）
摘 要：随着国家经济的迅猛发展，人们对化石能源的需求越来越多，与此同时，化石资源的日益消耗也给能源带来了严重的威胁。近年来，太阳能作为一种新型的可再生能源，逐渐成为了未来能源利用和发展的新方向。本文对光伏逆变器的工作原理、结构、功能以及结构优化进行剖析，从而实现太阳能的有效应用。
关键词：光伏发电；逆变器；结构；优化设计
引言
随着国家经济的迅猛发展，人们对化石能源的需求越来越多，与此同时，化石资源的日益消耗也给能源带来了严重的威胁。近年来，太阳能作为一种新型的可再生能源，逐渐成为了未来能源利用和发展的新方向 [1] 。由于国内外科研工作者对太阳能发电方面的研究更加广泛与深入，使得光伏产业变成了一种最新的发电技术，得到了全世界各个国家的广泛关注，但是尽管光伏产业的快速发展，光伏产业的高成本、低效率一直是困扰光伏发展的主要问题。
光伏发电是通过光伏组件把太阳能转化为电能的装置，该装置主要由太阳能收集端、太阳能调节端与控制器构成，其中影响光伏发电的核心部件之一是逆变器，它能够将直流电转化为交流电，使得光伏发电具有稳定、方便、利于传输的特点。
1 逆变器的工作原理
太阳能光伏阵列的发电形式是直流电，因此，要想利用太阳能进行发电就要实现太阳能的并网，使得太阳能的长距离发电变得更加容易。在太阳能的并网过程中，光伏发电与多种因素有关，包括日照的强度、组件倾斜角度、时间与温度 [2] 。起主要作用的是逆变器和控制器，其主要工作原理如图1所示。
图1 逆变器的工作原理图
2 逆变器的结构
逆变器也叫逆变电源，属于电流转化器，它能够将直流电逆变为交流电，例如将12V或者24V的直流电转化为220V的交流电，能够直接为用电器提供电量以维持正常工作。尤其是对于一些偏远地区、电力设施不完善的地区，太阳能发电技术更是起了举足轻重的作用 [3] 。逆变器的结构主要包括以下几部分：
2.1 输入接口部分
逆变器的输入接口部分主要有三个指示信号，包括：工作电压的指示信号、直流输入电压的指示信号和电流控制的指示信号。
2.2 电压启动回路
倘若工作的控制电压处于高电平的状态时，则会在输出高电压的区域内，面板的背光灯的灯管会出现自动发光的现象。
2.3 控制器
逆变器的控制器由许多部件构成，主要包括内部参考电压、对于误差的放大器、出现过压或者欠压的保护部件、出现短路现象的保护部件以及振荡器等。
2.4 直流转化
直流转化部件是逆变器的中心部件，主要由开关管和储能电感两部分构成，主要起到电压转化的作用。
2.5 输出回路
输出电路对于逆变器有着重要的作用，该部件主要负责升高电压、降低电压。该部件在灯管启动之前，能够把电压升高到一千五百伏，而在灯管启动之后，能够把电压降低到八百伏。
2.6 输出电压反馈
在逆变器中，输出电压反馈部件对于电路的输出电压有着良好的稳定作用。
3 逆变器的功能
在太阳能发电技术中，逆变器最重要的作用在于电流转化过程，能够将十二伏或者二十四伏的直流电转化为220V的交流电，能够直接为用电器提供电以维持正常工作，进而实现太阳能资源的有效利用。除此之外，逆变器还有着自动运转功能、停止运转功能以及对大功率进行跟踪并节约用电的功能，还能够自动控制调整电压，防止太阳能发电设备的独自运转。
4 逆变器在光伏发电中的应用
4.1 光伏逆变器与普通逆变器的区别
光伏逆变器是光伏产业中开发出的一种特殊的逆变器，它能够将十二伏或者二十四伏的直流电转化为220V的交流电，进而直接为用电器提供电以维持正常工作，与此同时，它还具有特殊的功能，例如：逆变器能够随着太阳的升起与降落而进行运行操作或者停止运行操作，这种功能的设置主要是因为在某些地方，无法通过人为的力量去控制那些发电机，从而实现发电设备的正常运行。
对比于普通的逆变器来说，光伏逆变器与其有着较大的区别，其中最明显的差别在于光伏逆变器有低电压穿越功能和最大功率追踪功能。低电压穿越功能能够维护电网的安全运转，最大功率追踪功能可以使光伏逆变器能够记录下不同时间阶段与不同天气情况的最大功率，并借助自身具有的电压控制功能，使其在最大功率情况下输出电能，从而有效地利用太阳能。
对比于普通的逆变器来说，光伏逆变器还能够自动控制设备的运行与停止。倘若太阳能升高到一定的数值后，光伏逆变器就会开机运作；倘若太阳能降低到一定的数值后，光伏逆变器就会进行关机，进而停止运作。
光伏产业的快速发展也为其带来了诸多竞争，为了适应社会的快速发展以及光伏产业的急剧变革，国内许多光伏产业都开始进行企业之间的兼并与重组，与此同时，诸多企业在产品创新上投入了大量的资金，并通过与电子元器件研发、芯片处理器研发单位进行合作创新，从而实现整个光伏行业的快速发展。
5 逆变器结构与性能的优化
5.1 光伏逆变器的设计优化
为了应对光伏产业市场的急剧变革，光伏逆变器对其自身结构作出了一系列的优化。例如：对于组串型光伏逆变器单相产品来说，主要以升压电路和单相无变压器拓扑结构相结合的形式为主；对于组串型光伏逆变器三相产品来说，主要以升压电路和三相三电平无变压器拓扑结构相结合的形式为主；对于电站型光伏逆变器来说，主要以三相桥式电路拓扑为主，可分为无变压器和有变压器两类 [4] 。
5.2 光伏逆变器的结构与性能优化
当前，光伏产业面临的主要问题是成本高与效率低，这一问题一直困扰着光伏产业。因此，光伏产业目前最需要的解决问题是降低成本，并且提高光伏用电的转化效率。为了得到较高的转化效率，我们则需要逆变器在其使用寿命内尽可能输出较多的电能。
由于太阳并不是全天二十四个小时都能够照射，因此这在很大程度上影响了光伏发电的转化效率。为了解决这一问题，需要对太阳能整体的供电系统进行优化，包括对电池进行优化以及给予电池充电的电子器件的优化。因此，当将电池集成到太阳能整体的供电系统中，充电过程需要对电池进行DC转化电路，与此同时，还要对电池进行定期的管理与监测。
在太阳能整体的供电系统中，还需要另外与电网进行连接，因此，需要做到相位同步以及功率因数的校正，与此同时，还需要对外界复杂的环境进行控制，比如：必须在逆变器中安装故障警告系统，防止电网出现突然断电的现象等。
为了提升太阳能整体的供电系统的能力，还可以为任何一个光伏组件都配置微型逆变器，该装置的优点在于：即便其中之一的微型逆变器出现故障，该系统的能量转换仍然可以运行，同时也能够对不同环境下的太阳能作出不同的最大功率记录，进而提高太阳能的有效利用效率。
结语
光伏产业的快速发展也为其带来了诸多竞争，为了适应社会的快速发展以及光伏产业的急剧变革，国内许多光伏产业都开始进行企业之间的兼并与重组，与此同时，诸多企业在产品创新上投入了大量的资金，同时也越来越关注光伏产业客户的要求以及市场方面的调研，进而控制光伏产业成本高的问题。纵观光伏产业的发展，光伏产业的未来必定向着微型化、高效化、智能化的方向发展。■参考文献
[1] 毛学东, 胡国进, 敖四江. 光伏发电逆变器结构的优化探讨 [J]. 能源研究与管理,2012(4): 81.
[2] 王飞, 余世杰, 苏建微, 等. 太阳能光伏并网发电系统的研究 [J]. 电工技术报, 2005(5): 72.
[3] 梁雪峰, 曾国宏, 姜久春. 3 kW光伏并网逆变器硬件设计 [J]. 电力电子技术, 2008(8): 28.
[4] 肖华锋. 光伏发电高效利用的关键技术研究[D]. 南京航空航天大学, 2010.
