光伏系統(tǒng)用中小功率逆變電源的現(xiàn)狀與發(fā)展分析

1 前言

中小功率逆變電源是戶用獨立交流光伏系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)之一，其可靠性和效率對推廣光伏系統(tǒng)、有效用能、降低系統(tǒng)造價至關(guān)重要,因而各國的光伏專家們一直在努力開發(fā)適于戶用的逆變電源，以促使該行業(yè)更好更快地發(fā)展。

2 光伏系統(tǒng)用中小功率逆變電源的技術(shù)現(xiàn)狀

逆變電源按變換方式可分為工頻變換和高頻變換。工頻變換是利用分立器件或集成塊產(chǎn)生50Hz方波信號，然后利用該信號去推動功率開關(guān)管，利用工頻升壓變壓器產(chǎn)生220V交流電。這種逆變電源結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，但由于電路結(jié)構(gòu)本身的缺陷，不適合于帶感性負(fù)載，如電冰箱、電風(fēng)扇、水泵、日光燈等。另外，這種逆變電源由于采用了工頻變壓器，因而體積大、笨重、價格高。目前主要用在大型太陽能光伏電站。

20世紀(jì)70年代初期，20kHzPWM型開關(guān)電源的應(yīng)用在世界上引起了所謂“20kHz電源技術(shù)革命”。這種變換思想當(dāng)時即被用在逆變電源系統(tǒng)中，但由于當(dāng)時的功率器件昂貴，且損耗大，高頻高效逆變電源的研究一直處于停滯狀態(tài)。到了80年代以后，隨著功率MOSFET工藝的日趨成熟及磁性材料質(zhì)量的提高，高頻變換逆變電源才走向市場(1)。

高頻變換逆變電源是通過高頻DC/DC變換技術(shù)，先將低壓直流變?yōu)楦哳l低壓交流，經(jīng)過脈沖變壓器升壓后再整流成高壓直流。由于在DC/DC變換中采用了PWM技術(shù)，因而在此可得到一穩(wěn)定的直流電壓，利用該電壓可直接驅(qū)動交流節(jié)能燈、白熾燈、彩電等負(fù)載。若對該高壓直流進(jìn)行類正弦變換或正弦變換，即可得到220V、50Hz類正弦波交流電或220V、50Hz正弦波交流電。這種逆變器由于采用高頻變換(現(xiàn)多為20kHz～200kHz)，因而體積小、重量輕，再由于采用了二次調(diào)寬及二次穩(wěn)壓技術(shù)，因而輸出電壓非常穩(wěn)定，負(fù)載能力強(qiáng)，性能價格比高，是目前可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中首選產(chǎn)品。在國外發(fā)達(dá)國家的中小交流光伏系統(tǒng)中得到普遍的使用，但在國內(nèi)，由于技術(shù)方面的原因及市場的混亂，一些逆變電源廠家一直在推廣工頻變換逆變電源，有的為了降低成本甚至使用低硅硅鋼片，這樣的逆變電源充斥市場，使得交流光伏系統(tǒng)的綜合成本升高，將會阻礙交流光伏系統(tǒng)的推廣，這對行業(yè)的發(fā)展是很不利的。

3 國內(nèi)高頻變換中小功率逆變電源存在問題分析

3.1 可靠性

目前，高頻變換中小功率逆變電源存在的問題主要是可靠性不高。我們多年的研究，生產(chǎn)及使用說明：影響高頻變換中小功率逆變電源壽命的主要因素有電解電容器、光電耦合器及磁性材料(2)。

實踐證明：追求壽命的延長要從設(shè)計方面著手，而不是依賴于使用方。降低器件的結(jié)溫，減少器件的電應(yīng)力，降低運(yùn)行電流及采用優(yōu)質(zhì)的磁性材料等措施可大大提高其可靠性。國內(nèi)之所以有人對高頻變換逆變電源的可靠性產(chǎn)生懷疑，一個重要的原因是一些廠家為了降低成本而仍使用70年代研制的第一代磁性材料，如 TDK的H35、FDK的H45等，由于這種磁性材料的飽和磁通密度及居里溫度點較低，因而在功率較大時長時間使用極易出故障。我們使用80年代中后期研制的第三代磁性材料，如TDK的H7C4、FDK的H63B和H45C、西門子的N47和N67，不但能有效地提高轉(zhuǎn)換效率(3)，而且大大提高了逆變電源可靠性。事實上，彩電及計算機(jī)中使用的開關(guān)電源也證明了高頻變換方式的可靠性。用戶的長時間使用也證明了我們目前生產(chǎn)的高頻變換中小功率逆變電源具有高的可靠性和效率，完全可與MASTERVOLT等大公司的產(chǎn)品相媲美。

3.2 效率

要提高逆變電源的效率，就必須減小其損耗。逆變電源中的損耗通?？煞譃閮深悾簩?dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是由于器件具有一定的導(dǎo)通電阻Rds，因此當(dāng)有電流流過時將會產(chǎn)生一定的功耗，損耗功率Pc由下式計算：Pc=I2×Rds。在器件開通和關(guān)斷過程中，器件不僅流過較大的電流，而且還承受較高的電壓，因此器件也將產(chǎn)生較大的損耗，這種損耗稱為開關(guān)損耗。開關(guān)損耗可分為開通損耗、關(guān)斷損耗和電容放電損耗。

開通損耗:

Pon=(1/2)×Ip×Vp×ts×f;

關(guān)斷損耗:

Poff=1/2×Ip×Vp×ts×f;

電容放電損耗:

Pcd=(1/2)×Cds×Vc2×f;

總的開關(guān)損耗:

Pcf=Ip×Vp×ts×f+(1/2)×Cds×Vc2×f。

式中：Ip為器件開關(guān)過程中流過的電流最大值;

Vp為器件開關(guān)過程中承受的電壓最大值;

ts為開通關(guān)斷時間;

f為工作頻率;

Cds為功率MOSFET的漏源寄生電容。

現(xiàn)代電源理論指出：要減小上述這些損耗，就必須對功率開關(guān)管實施零電壓或零電流轉(zhuǎn)換，即采用諧振型變換結(jié)構(gòu)。

4 光伏系統(tǒng)用中小功率逆變電源的發(fā)展展望

隨著諧振開關(guān)電源的發(fā)展，諧振變換的思想也被用在逆變電源系統(tǒng)中，即構(gòu)成了諧振型高效逆變電源。該逆變電源是在DC/DC變換中采用了零電壓或零電流開關(guān)技術(shù)，因而開關(guān)損耗基本上可以消除，即使當(dāng)開關(guān)頻率超過1MHz以上后，電源的效率也不會明顯降低。實驗證明：在工作頻率相同的情況下，諧振型變換的損耗可比非諧振型變換降低30%～40%。目前，諧振型電源的工作頻率可達(dá)500kHz到1MHz。

另外值得注意的是，光伏系統(tǒng)用中小功率逆變電源的研究正朝著模塊化方向發(fā)展，即采用不同的模塊組合，就可構(gòu)成不同的電壓、波形變換系統(tǒng)。

毫無疑問，光伏系統(tǒng)用中小功率逆變電源會采用高頻變換電路結(jié)構(gòu)。在一些技術(shù)細(xì)節(jié)上，也會有別于其它場合使用的逆變電源，如除了追求高可靠、高效率外，還應(yīng)針對光伏行業(yè)的特點，將控制、逆變有效地合二為一，即光伏逆變電源在設(shè)計上應(yīng)具有過壓、欠壓、短路、過熱、極性接反等保護(hù)功能。這樣做不但降低了系統(tǒng)的造價，而且提高了系統(tǒng)的可靠性(4)。

5 結(jié)語

隨著光伏系統(tǒng)的不斷規(guī)范，高頻變換中小功率逆變電源將會得到市場的逐步認(rèn)可，它的使用將會促進(jìn)光伏行業(yè)的良性發(fā)展。