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生50Hz方波信號，然后利用該信號去推動功率開關管，利用工頻升壓變壓器產生220V交流電。這種逆變電源結構簡單，工作可靠，但由于電路結構本身的缺陷，不適合于帶感性負載，如電冰箱、電風扇、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70年代初期，20kHzPWM型開關電源的應用在世界上引起了所謂“20kHz電源技術革命”。這種變換思想當時即被用在逆變電源系統(tǒng)中，但由于當時的功率器件昂貴，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，先將低壓直流變?yōu)楦哳l低壓交流，經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，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動交流節(jié)能燈、白熾燈、彩電等負載。若對該高壓直流進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寬及二次穩(wěn)壓技術，因而輸出電壓非常穩(wěn)定，負載能力強，性能價格比高，是目前可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中首選產品。在國外發(fā)達國家的中小交流光伏系統(tǒng)中得到普遍的使用，但在國內，由于技術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計方面著手，而不是依賴于使用方。降低器件的結溫，減少器件的電應力，降低運行電流及采用優(yōu)質的磁性材料等措施可大大提高其可靠性。國內之所以有人對高頻變換逆變電源的可靠性產生懷疑，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，彩電及計算機中使用的開關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〒p耗和開關損耗。導通損耗是由于器件具有一定的導通電阻Rds，因此當有電流流過時將會產生一定的功耗，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，因此器件也將產生較大的損耗，這種損耗稱為開關損耗。開關損耗可分為開通損耗、關斷損耗和電容放電損耗。

開通損耗:

Pon=(1/2)×Ip×Vp×ts×f;

關斷損耗:

Poff=1/2×Ip×Vp×ts×f;

電容放電損耗:

Pcd=(1/2)×Cds×Vc2×f;

總的開關損耗:

Pcf=Ip×Vp×ts×f+(1/2)×Cds×Vc2×f。

式中：Ip為器件開關過程中流過的電流最大值;

Vp為器件開關過程中承受的電壓最大值;

ts為開通關斷時間;

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，就必須對功率開關管實施零電壓或零電流轉換，即采用諧振型變換結構。

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技術，因而開關損耗基本上可以消除，即使當開關頻率超過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構。在一些技術細節(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計上應具有過壓、欠壓、短路、過熱、極性接反等保護功能。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可，它的使用將會促進光伏行業(yè)的良性發(fā)展。