教你自制简易逆变器 光伏发电子系统

光伏发电子系统

光伏发电子系统是由太阳能电池板、汇流箱、直流配电柜、逆变器、箱式升压变压器等组成。

1.太阳能电池板

（1）太阳能电池组件（光伏组件）。

单个太阳能电池晶片输出电压极低，输出电流过小，加上自身又比较脆，易被腐蚀，如果不加处理，应用范围非常有限。在实际应用中往往将多个太阳能电池晶片进行串联和并联后，再进行胶封、层压、装框和外连接线盒等，形成可单独提供直流电输出的最小不可分割的组合单元，称为太阳能电池组件（光伏组件）。

（2）太阳能电池阵列（光伏阵列）。

太阳能是一种低密度能源，需要用大面积的太阳能电池组件（光伏组件）来采集。一定数量的太阳能电池组件以一定的排列方式经过串、并联构成太阳能电池阵列。目前应用最多的是平板式光伏阵列。

光伏阵列的结构依用户的需要而定，按电压等级来分。独立光伏系统电压往往与蓄电池标称电压相一致或整数倍，并兼顾用电设备额定电压，如 220、110、48、36、24、12V等。并网光伏系统通常用多个方阵进行串、并联，以达到并满足逆变器额定输入电压要求。

太阳能电池阵列，除需要支架将许多太阳能电池组件集合在一起以外，还需要电缆、阻塞二极管和旁路二极管对太阳能电池组件进行电气连接，并需配专用且装有避雷器的接线箱和总接线箱，同时还需根据需要配备相应的监测装置。

2. 汇流箱

太阳能发电系统主要有光伏申电池阵列、光伏汇流箱、光伏逆变器等组成，有的系统还有蓄电池。太阳光经过太阳能电池阵列被转换为直流电，再经过逆变器变为交流电并入电网或者直接供给负载使用。对于大型光伏并网发电系统，为了减少光伏组件与逆变器之间线接，方便维护，提高可靠性，一般需要在光伏组件与逆变器之间增加直流汇流箱，并在箱内配有避雷器、熔断器、直流开关、智能监控模块等。智能监控模块可以对每路光伏组串的电流、电压，汇流箱输出电流、电压、功率及防雷器的状态进行采集，并具备每个支路熔断器检测报警的功能。使用光伏汇流箱，可以根据逆变器输入的直流电压范围，把一定数量的规格相同的光伏组件串联组成1个光伏组件串列，再将若干个串列接入光伏阵列防雷汇流箱，经过防雷器与断路器后输出，方便后级逆变器接入。在光伏防雷汇流箱内汇流后，通过控制器、直流配电柜、光伏逆变器、交流配电柜，构成完整的光伏发电系统，学现与电网许风光伏汇流箱实物如图所示。

（1）汇流箱工作原理。

太阳能电池阵列将太阳能转换为电能后，以直流形式接入汇流箱。汇流箱的工作原理如图所示。

假设 a+、b+和 a-、b-分别是 a、b 两路直流电的正、负极输入，在汇流前，将 a、b 两路直流电的正极各加上一个光伏直流专用防反二极管。防反二极管的作用是为防止逆变器不工作时，并联的光伏阵列中形成环流。a、b 两路直流电经过汇流箱汇流后，输入到光伏逆变器进行逆变，将直流电逆变为交流电，然后并入电网或直接供给负载使用。

汇流箱接入多个太阳能光伏阵列，通过光伏专用熔断器保护后，接入光伏防反二极管，防止太阳能光伏阵列中串联起来的光伏电池有逆流的产生，再通过直流断路器接入到逆变器中。有防雷功能的汇流箱中要加入避雷器（也就是浪涌保护器），当雷击发生时能将过大的电能泄放掉，保证电能的正常输出，从而避免对汇流箱带来的损害。带有监控功能的汇流箱里要安装智能采集装置，实现对光伏串列电流、电压、防雷、报警等信息的采集，通过 RS-485接口上传至计算机监控系统。

光伏阵列分成正负两极，进入汇流箱，进行一系列的元件串、并联，实现其汇流的目的。

正极∶

1）每一串要串联一个保险熔断器，防止过大电流进入光伏组件。

2）穿过检测模块的霍尔互感器，实现智能化串电流检测。

3）可选地再串接一个防反二极管（阻塞二极管），绝对防止电流反灌到组件。

4）所有串正极汇总并接入断路器（或隔离开关）输入正极端。

负极∶

1）每一串也要串联一个保险熔断器，防止过电流进入光伏组件。

2）所有串负极汇总并接入断路器（或隔离开关）输入侧负极端子。

（2）汇流箱的组成。

汇流箱由智能采集装置、避雷器、断路器、熔断器等关键设备组成。

1）智能采集装置。光伏汇流采集装置是专门应用于智能光伏汇流箱，用于监测光伏电池阵列中电池板运行状态，测量光伏电池电流，采集避雷器、百流断路器状态，输出继电器触点等，装置带有RS-485接口可以把测量和采集到的数据上传。硬件系统结构如图所示。

测量元件采用霍尔传感器实现对光伏电流的隔离测量。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938年）于1879年在研究金属的导电结构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多。利用这一现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

2）避雷器（浪涌保护器）。

a. 正极汇总侧并接到避雷器的正极保护片。

b.负极汇总侧并接到避雷器的负极保护片。

c. 正、负极保护片的另一侧合并接地。

3）断路器。

a.一边接入光伏组件串汇总输人，另一边提供向上级（二级汇流，直流配电柜）的输出端。

b.开关量监测单元设计有开关量输入无源触点，用于采集直流断路器、避雷器等输出空触点的状态，并将工作状态通过 RS-485接口传至上位机进行监控。

4）熔断器。在汇流箱中，熔断器主要由燃丝构成，熔丝用来保护汇流箱由子器件你受过电流的危害，熔丝的最小等级可由光伏组件的短路电流计算而得，如果没有特殊要求，建议系统中使用的熔丝及界限的额定值需要满足最小1.56 的Isc（短路电流）取值。

假设汇流箱所配的熔丝等级为1000V/16A，因此计算出每路光伏组件的最大短路电流为16/1.56=10.25A。

3.逆变器

逆变器是一种以电力半导体器件为核心，融合变流技术、微电子技术和自动控制技术组成的一种电力变换装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。光伏组件输出电能为直流，不能直接供目前广泛使用的交流电力系统所使用。因此，需要通过逆变器将光伏发电系统所发出的直流电能转换成交流电能。

（1）逆变器工作原理。

逆变器一般由一次功率回路及二次控制保护系统等构成。逆变器应用于光伏系统中，太阳能电池输出的直流电能经过逆变器的桥式逆变器电路，直接变换为交流电能输送给本地负载或交流电网。逆变桥式回路主要由 MOSFET、IGBT 等电力电子半导体开关元件构成，根据逆变桥拓扑不同，目前光伏逆变器主流应用主要分为两电平桥式拓扑和三电平桥式拓扑两种电路拓扑结构。图2-33（a）所示为两电平三相全桥逆变器拓扑，图2-33（b）所示为三电平三相全桥光伏逆变器拓扑。

（2）逆变器分类。

逆变器按运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的光伏发电系统，为独立负载供电。并网逆恋器用于并网运行的光伏发由系统，按形式分为微型/组件逆变器、组串逆变器和集中型逆变器。

1）微型/组件逆变器。它与单独一个光伏组件容量相匹配，将单一的组件输出逆变为适合并网的交流电，容量相对较小，主要用在组件数量较少或者光伏建筑一体化（Building Integrated PV，BIPV）中。其优点是各个组件都工作在自己的最大功率点处，并且组件之间相互不影响，一旦某个组件被遮挡或出现问题，其他组件仍然正常工作，极大地提高了系统的安全性。当然，其成本也相对较高。

目前，组串逆变器与集中型逆变器在集中式并网光伏电站中均得到了广泛应用。其中，组串逆变器直接应用于室外环境，整个寿命周期需要面对风沙雨雪、太阳辐射和紫外线，因而要求较高的防护等级（IP65），可以将多事组件接入到逆变器中进行组串的逆变。目前主流应用的组串式逆变器为30～40kW，如图2-34 所示，通常可以接入6～8路光伏组串，具备2~3路独立MPPT 跟踪功能。每路独立 MPPT 跟踪回路可以使本路直流输入工作在最大功率输出点，对于丘陵地区地势不平的地面电站，具有一定的应用优势。在集中式并网电站中，相比集中式逆变器，组串式逆变器数量高一个数量级以上，因而要求组串式逆变器具有更低的故障率、更高的可靠性。

2）组串逆变器。冷却系统方式分为两种; 自然冷却和强迫风冷。自然冷却方式冷却简单，无外置风扇，维护工作量小，但是逆变器光伏组件超配能力和过载运行能力受逆变器自身散热能力限制;强迫风冷散热方式具有外部风扇，逆变器散热裕量更大，具有更好的光伏组件超配能力和过负荷运行能力。但是外部风扇的应用也会来一定的运维工作量，因而要求外部风扇必须采用高防护等级（IP65 以上）、长寿命风扇。

3）集中型逆变器，如图2-35 所示，主要用在大型光伏电站中教你自制简易逆变器，它将很多的组件串接入到1台逆变器中进行集中逆变。相比组串式逆变器，集中式逆变器成本更低，数量更少，而且可以进行模块化维护教你自制简易逆变器，运营维护更为方便。同时，集中型逆变器由于设备集中，便于光伏电站计算机监控系统集中监测、控制，在光伏电站 AGC、AVC应用中，具有调节更为直接和便利的优势。集中型逆变器一般安装于室内或集装箱内，均配有风冷系统，逆变器自身工作环境较好，逆变器内部空间宽裕，可以全部采用长寿命金属膜电容，设计寿命 25年，具备与光伏电池寿命同步衰减的优势，能够降低光伏电站生命周期内总成本。

（3）逆变器基本控制方法。

光伏逆变器对于功率因数有较高要求，为了准确实现高功率因数逆变，需要对输出电流进行控制，通常的电流控制方式有间接电流控制法与直接电流控制法两种。间接电流控制，也称为相位幅值控制，按照一定相量关系控制输出电流，控制原理简单，但精度较差，一般不采用。直接电流控制，给出电流指令，直接采集输出电流反馈，这种控制方法控制精度高，准确率高，系统鲁棒性好，得到广泛应用。

在逆变器控制中，目前广泛采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），根据给出的逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，计算出 PWM波形中各脉冲的宽度和间隔;还可通过调制法根据所需要的目标输出波，将其作为调制信号，把接受调制的信号作为载波（通常以等腰三角波作为载波），通过信号波的调制，同样可以得到PWM波形中各脉冲的宽度和间隔。最后，用所得到的 PWM 波形中各脉冲的宽度和间隔（占空比），作为逆变器中各开关元件通断的控制信号，就可以得到所需要的交流输出波形。通过控制载波频率就可以得到不同谐波含量的输出波形，载波频率越高，逆变器输出波形谐波含量越低，输出电能质量也越好。经过实践，在 PWM技术基础上又提出了正弦脉冲宽度调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）技术，是在 PWM 的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，使靠近正弦波两端的电压宽度变窄，正弦波中央的电压宽度变宽，并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向动作，这样形成一个脉冲波列（拟正弦波）。

（4）逆变器并、离网。

光伏电站并网发电过程通过自动化系统自动完成，但并网前需通过光伏电站交流系统将电网电能参数发送至逆变器。光伏组件串输入逆变器电压达到额定电压，功率大小满足要求（通常电压为450~800V），且逆变器交流侧由电网反送过来的电能参数合格 【通常电压为270V/315V（1±10%），频率为 50Hz（1±0.5%）Hz】，逆变器自动并网工作，向系统输送光伏电能。在并网发电过程中，逆变电源一直以最大功率跟踪（MPPT）方式使光伏阵列输出的功率最大。

当光伏组件串输入逆变器电压低于一定值（通常为 400V）或输入逆变器功率过低，逆变器自动解网待机备用，通常解网电压低于并网电压。个别逆变器还具有自动关机和自动待机备用的功能，当光伏组件串输入电压为零时逆变器自动关机，待下次逆变器输入电压大于零时自动待机备用。

（5）逆变器其他技术要求。

逆可器需且有故意穿越能力，在并网占电压因电网事故或扰动马起跌落、 上升时，在-

定电压变化范围和时间间隔内，逆变器不至于闭锁使光伏电站脱网。同时，逆变器还需具有过、欠频，短路、漏电、防雷、防过温，交、直流过电流，电网断电，逆变器故隆、直流母线过电压保护等功能。

4.箱式升压变压器

光伏电站采用箱式升压变压器将逆变器输出功率就地升压至 10kV或 35kV，通过集电线路汇总到光伏电站升压站。箱式升压变压器分双绕组变压器和双分支变压器两种，分别如图2-36、图2-37所示。

5.交流系统

逆变器输出交流电压一般仅为几百伏，远低于公网10、35kV或110kV系统电压，因此集中并网光伏电站需要通过交流系统将各逆变器输出的交流光伏发电功率进一步汇集升压至公网额定并网电压，与公网相并联达到电能外送目的。逆变器在工作过程中，需要从交流系统获取电网的电压、功率、相位等信息，产生与电网相匹配的交流功率输出。

交流系统由交流汇集线、变压器、开关、母线、电压互感器、电流互感器、避雷器及无功补偿装置等组成，其性能与工作原理同普通交流变电站相应设备并无明显差异。

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