给快包服务商提供技术参考 详解光伏逆变器设计方案

随着我国光伏发电应用规模与范围的不断扩大，光电市场对逆变器的需求量迅速增加。与此同时，高质量、低成本的逆变器产品逐渐成为光电系统开发人员和广大用户所关注的问题。逆变器是电力电子技术的一个重要应用方面。电力电子技术是电力、电子、自动控制及半导体等多种技术相互渗透与有机结合的综合技术。因此，逆变器所涉及的知识领域和技术内容十分广泛。

而最近在快包平台光伏逆变器的需求也是日益增多，如：光伏并网逆变器开发。雇主需要做一款光伏逆变器，要求功率为30KW，并能够并网，寻找有实力的服务商来接单。为了给竞标的服务商提供一些技术参考，小编从光伏发电系统应用的角度，对逆变器的基本工作原理、电路系统的构成作一简要介绍。

近年来，随着“小家电”产品的日益增多，愈来愈多的人在使用可充电电池，许多家庭都备有小型蓄电池充电器。充电器的核心部件是整流器，它的功能是将50周波的交流电整流成为直流电。逆变器与整流器恰好相反，它的功能是将直流电转换为交流电。这种对应于整流的逆向过程，称之为“逆变”。太阳电池在阳光照射下产生直流电，然而以直流电形式供电的系统有很大的局限性。例如：日光灯、电视机、电冰箱、电风扇等均不能直接用直流电源供电，绝大多数动力机械也是如此。此外，当供电系统需要升高电压或降低电压时，交流系统只需加一个变压器即可，而在直流系统中升降压技术与装置就要复杂得多了。因此， 除特殊用户外， 在光伏发电系统中都需要配备逆变器。逆变器还具有自动调压或手动调压功能，可改善光伏发电系统的供电质量。综上所述，逆变器已成为光伏发电系统中不可缺少的重要配套设备。

光伏逆变器的设计原则和准备工作

光伏逆变器由电阻、电容、继电器、接插件、半导体器件及集成电路等元器件组成的。系统的可靠性除取决于这些电子元器件的固有可靠性外，还与设计时元器件能否合理选用有关。
  
元器件的选用要遵循下述原则：
1)在元器件型号、规格众多的情况下，应根据产品要实现的功能要求及环境条件，选用相应种类、型号规格及质量等级的元器件。
2)估算元器件使用时的应力情况，确定元器件的极限值，按降额设计技术，选用元器件。
3)根据产品要求的可靠性等级，选用与其适应的、符合生产许可证审查要求的A，B，C 级元器件。
4)设计产品时，尽量选用标准元器件，并使品种简化，这是大型电子系统设计的一个重要原则，也是系统总体对部件及线路设计者提出的约束条件。
5)对非标准的元器件要进行严格的验证，使用时要经过批准手续。
6)制定元器件选用手册，规范元器件的选用和采购。
  
降额设计的依据
  
所谓降额设计，就是使元器件运用于比额定值低的应力状态的一种设计技术。为了提高元器件的使用可靠性以及延长产品的寿命，必须有意识地降低施加在器件上的工作应力(如：电、热、机械应力等)，降额的条件及降额的量值必须综合确定，以保证电路既能可靠性地工作，又能保持其所需的性能。降额的措施也随元器件类型的不同而有不同的规定，如电阻降额是降低其使用功率与额定功率之比;电容降额是使工作电压低于额定电压;半导体分立器件降额是使功耗低于额定值;接触元件则必须降低张力、扭力、温度和降低其它与特殊应用有关的限制。
  
降额的等级分为三个等级，分别称I 级降额、II 级降额和III 级降额。
I 级降额是最大降额，超过它的更大降额，元器件的可靠性增长有限，而且使设计难以实现。I 级降额适用于下述情况：设备的失效将严重危害人员的生命安全，可能造成重大的经济损失，导致工作任务的失败，失败后无法维修或维修在经济上不合算等。
II 级降额指元器件在该范围内降额时，设备的可靠性增长是急剧的，且设备设计较I 级降额易于实现。II 级降额适用于设备的失效会使工作水平降级或需支付不合理的维修费用等场合。
III 级降额指元器件在该范围内降额时设备的可靠性增长效益最大，且在设备设计上实现困难最小，它适用于设备的失效对工作任务的完成影响小，不危及工作任务的完成或可迅速修复的情况。
  
降额应注意的问题
  
1)有些元器件的负荷应力是不能降额或者对最大降额有限制的，如电子管的灯丝电压、继电器线包的吸合电流是不能降额的，否则电子管的寿命要降低;
2)有些元器件降额到一定程度时却得不到预期的降额效果。如薄膜电阻器的功率减额到10%以下时，一般二极管的反向电压减额到最大反向电压的60%以下时，失效率将不再下降;
3)有些类型电容器的降额可能发生低电平失效，即当电容器两端电压过低时呈现开路失效，也就是说，降额不但不能使失效率下降，反而会使失效率增高。
  
降额系数的选择大部分是依靠试验数据和根据元器件使用的环境因子来确定。确定降额系数的方法如下：
1)数学模型及基本失效率与温度、降额系数之间的关系曲线;
2)减额曲线给出了为保证元器件可靠工作所选择的降额系数与温度之间的函数关系，当在该减额曲线上工作的半导体结温达到其最高结温时，其失效率仍然较高;
3)应用减额图，即在减额曲线的下方，通过试验找到一条半导体结温较低的减额曲线;
4)各种元器件的减额因子参见国家标准。

功率开关管驱动电路设计

IGBT驱动电路的作用是将DSP发出的控制信号加以隔离并放大， 以驱动IGBT等功率器件，并检测电路的电压，防止因电路过压， 短路而造成IGBT损坏，因此驱动电路应满足以下要求：
(1)为了减少器件的损耗，驱动电路应保证器件充分导通和可靠关断。 驱动电路与IGBT的连线要尽量短。
(2)保障驱动电路和主回路的电气隔离，由于主回路是高电压， 驱动控制电路是低电压，所以要求驱动信号与主回路无电气耦合。
(3)具有抗干扰能力，防止开关器件在各种外界干扰下的出现误动作， 影响逆变器总的发电量，保证器件的高可靠的工作。
(4)具有可靠的保护能力，当主回路或驱动控制电路出现故障时 (如主电路过电流、过电压和驱动电路欠电压)， 驱动电路应迅速封锁IGBT的PWM信号，关断器件。 主要的保护功能有：过流检测及保护，欠压检测及保护， 温度检测及保护。
  
IGBT驱动电路按功能可分三种类型：单功能型、多功能型、全功能型。
(1)单功能型驱动电路是由功率缓冲器和光耦构成，如HCLP-3150，
(2)多功能型的大功率IGBT驱动保护电路，如HCPL-316J、 M57962， VLA500-01等。
  
直流母线电容设计

太阳能组件输出的连续的直流电流，逆变桥采用高频PWM控制，输出的是高频脉冲电流，因此在逆变桥和太阳能组件之间，需要一个直流支撑电容，主要有以下几个作用：
(1)和太阳能组件一起提供逆变器输入电流;
(2)降低谐波电流进入电网;
(3)当机器在紧急情况下急停时，能吸收功率开关器件关断下能量;
(4)在特殊工况下，能提供瞬时峰值功率;
(5)当逆变器受到电网瞬时峰值冲击，能保护逆变器。
  
母线电容设计选型，要考虑的以下主要因素：电容器的额定电压、电容器容量、电容器的纹波电流、电容器的安装散热方式，电容器的温升和寿命等等
1)从纹波电流考虑，母线电容中的纹波电流一般取流过IGBT电流的0.65倍。所有电容的纹波电流之各要大于此值。
2)从能量的转换考虑，一般要使电容组能提供0.5个周期的能量。
3) 电容的电压要大于电流最高电压
  
选择IGBT时需要考虑额定电压和额定电流是否在允许的范围内：
  
耐电压要求：IGBT在开通和关断时，会在产生尖峰电压，这个电压要低于器件的耐压值，否则器件将因电压过高击穿而损坏;本逆变器输入电压范围是450VDC到820VDC，关断时的峰值电压为： UCESP (820×1.1+50)×α=1047V式中，IGBT的CE两端承受的最高电压是820V，1.1为IGBT电压保护系数，α为安全系数，一般取1.1，50为L×(di/dt)引起的尖峰电压。令UCES≥UCESP，并向上靠拢IGBT的实际电压等级，取UCES=1200V。安全电流：IGBT工作过程中，峰值电流必须小于IGBT的额定电流。
  
光伏逆变器的设计要求
  
太阳能光伏发电系统目前主要用于无电或缺电的边远地区，作为独立的电源给家用电器及照明设备供电。随着电力紧张、环境污染等问题的日趋严重，与公用电网并网运行的太阳能发电系统已显出越来越大的竞争力。光伏发电的并网运行，将省去独立光伏系统中的贮能环节—蓄电池，从而大大减少了电站的维护。由于蓄电池的寿命较短，省去蓄电池后，发电系统的寿命可与太阳能电池的寿命相当。对于家庭住宅而言，配备光伏发电系统，可缓和白天电力紧张的局面，提高电网功率因素和降低线路损耗。光伏电站的并网发电，最终将取代常规能源发电。太阳能电池阵列通过正弦波脉宽调制逆变器向电网传送电能，逆变器馈送给电网的电力由阵列功率和当时当地的日照条件决定。逆变器除了具有直流— 交流转换功能外，还必须具有光伏阵列的最大功率跟踪功能和各种保护功能。目前，电压源型逆变器技术已日趋成熟，所需的硬件也容易购得。