電力電子與變頻技術(shù) 第2版 課件項目四光伏逆變電路分析調(diào)試

2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)1項目四光伏逆變電路分析調(diào)試將直流電能變換成交流電能的過程稱為逆變，完成逆變功能的電路稱為逆變電路，而實現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變器或逆變裝置。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的逆變器是一種將太陽能電池所產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的轉(zhuǎn)換裝置，它使轉(zhuǎn)換后的交流電的電壓、頻率、波形等與電力系統(tǒng)交流電的電壓、頻率、波形等相一致，以滿足為各種交流用電裝置、供電設(shè)備及并網(wǎng)發(fā)電的需要。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器按運行方式，可分為獨立運行(離網(wǎng))逆變器和并網(wǎng)逆變器。在并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要有源逆變器，而在離網(wǎng)獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要無源逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，獨立為負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運行的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)22024/12/31電力電子與變頻技術(shù)32024/12/31電力電子與變頻技術(shù)4任務(wù)一單相逆變電路分析

一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握逆變電路的工作原理2.理解逆變電路的形式3.掌握脈寬調(diào)制（PWM）型逆變電路工作原理二、

工作任務(wù)1.認(rèn)識有源及無源逆變電路2.單相橋式有源逆變電路分析調(diào)試三、

相關(guān)知識

1．逆變的基本概念和換流方式（1）逆變的基本概念將直流電變換成交流電的電路稱為逆變電路，根據(jù)交流電的用途可以分為有源逆變和無源逆變。有源逆變是把交流電回饋電網(wǎng)，無源逆變是把交流電供給不同頻率需要的負(fù)載。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)5（2）逆變電路的換流方式換流實質(zhì)就是電流在由半導(dǎo)體器件組成的電路中不同橋臂之間的轉(zhuǎn)移。常用的電力變流器的換流方式有以下幾種：1）負(fù)載諧振換流由負(fù)載諧振電路產(chǎn)生一個電壓，在換流時關(guān)斷已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管，一般有串聯(lián)和并聯(lián)諧振逆變電路，或兩者共同組成的串、并聯(lián)諧振逆變電路。2）強迫換流附加換流電路，在換流時產(chǎn)生一個反向電壓關(guān)斷晶閘管。3）器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。現(xiàn)通用的逆變器采用全控型器件。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)6（3）逆變電路基本工作原理1）S1、S4閉合，S2、S3斷開，輸出uo為正，反之，S1、S4斷開，S2、S3閉合，輸出uo為負(fù)，這樣就把直流電變換成交流電。2）改變兩組開關(guān)的切換頻率，可以改變輸出交流電的頻率。3）電阻性負(fù)載時，電流和電壓的波形相同。電感性負(fù)載時，電流和電壓的波形不相同，電流滯后電壓一定的角度。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)72．單相逆變電路電路根據(jù)直流電源的性質(zhì)不同，可以分為電流型、電壓型逆變電路。（1）電壓型逆變電路（電路圖如圖4-4所示）：電壓型逆變電路的基本特點：1)直流側(cè)并聯(lián)大電容，直流電壓基本無脈動。2)輸出電壓為矩形波，電流波形與負(fù)載有關(guān)。3)電感性負(fù)載時，需要提供無功。為了有無功通道，逆變橋臂需要并聯(lián)二極管。圖4-4電壓型逆變電路原理圖2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)8（2）電流型逆變電路（電路圖如圖4-5所示）電流型逆變電路的基本特點：1）直流側(cè)串聯(lián)大電感，直流電源電流基本無脈動。2）交流側(cè)電容用于吸收換流時負(fù)載電感的能量。這種電路換流方式一般有強迫換流和負(fù)載換流。3）輸出電流為矩形波，電壓波形與負(fù)載有關(guān)。

4）直流側(cè)電感起到緩沖無功能量的作用，晶閘管兩端不需要并聯(lián)二極管。

圖4-5電流型逆變電路原理圖2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)93.PWM逆變原理

PWM(PulseWidthModulation)就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值),是將直流轉(zhuǎn)換為寬度可變的脈沖序列的技術(shù)。它是中小功率逆變器最為常用的逆變控制形式。（1）面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量為窄脈沖的面積，效果基本相同為環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。脈沖形式如圖4-6所示，輸出響應(yīng)波形如圖4-7,

u(t)－電壓窄脈沖，是電路的輸入,i(t)－輸出電流，是電路的響應(yīng)。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)102024/12/31電力電子與變頻技術(shù)11(2)脈沖等效正弦波根據(jù)以上思想，可以用脈沖等效正弦波，有以下兩種方法：等寬不等幅如圖4-8所示。等幅不等寬（SPWM）圖4-9所示。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)12目前較普遍采用的是SPWM波形，對于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波如圖4-10所示。正弦波還可等效為下圖4-11中的PWM波，而且這種方式在實際應(yīng)用中更為廣泛。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)13（3）單相橋式PWM逆變電路圖4-12為單相橋式PWM逆變電路，Ur為調(diào)制信號波（正弦波），uc為載波（三角波）。下面分析其工作原理。2024/12/31電力電子技術(shù)141）單極性PWM控制方式工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補。以u0正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷。同樣Ud負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)?，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平。ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)?。?dāng)ur>uc時使V4通，V3斷，uo=Ud。

當(dāng)ur<uc時使V4斷，V3通，uo=0

。

ur負(fù)半周，請同學(xué)們自己分析。波形如圖4-13所示。2024/12/31電力電子技術(shù)152）雙極性PWM控制方式在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)，其幅值只有±ud兩種電平，圖4-14是波形圖。

同樣在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制器件的通斷。ur正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng)ur>uc時，給V1和V4導(dǎo)通信號，給V2和V3關(guān)斷信號。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，uo=Ud。

當(dāng)ur<uc時，給V2和V3導(dǎo)通信號，給V1和V4關(guān)斷信號。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud

。2024/12/31電力電子技術(shù)16任務(wù)二

光伏逆變電路的分析與調(diào)試一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握常用光伏逆變電路的形式2.掌握光伏逆變電路的分析及工作原理二、

工作任務(wù)1.光伏逆變電路的分析2.單相橋式有源逆變電路分析調(diào)試三、

相關(guān)知識

1.并網(wǎng)型逆變器的電路原理并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。與離網(wǎng)型光伏逆變器相比，并網(wǎng)逆變器不僅要將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，還要對交流電的電壓、電流、波形、頻率、相位與同步等進行控制，還要解決對電網(wǎng)的電磁干擾、自我保護、單獨運行和孤島效應(yīng)以及最大功率跟蹤等技術(shù)問題，因此對并網(wǎng)型逆變器要有更高的技術(shù)要求。2024/12/31電力電子技術(shù)17(1)并網(wǎng)逆變器的技術(shù)要求1）要求逆變器必須輸出正弦波電流。2）要求逆變器在負(fù)載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運行。3）要求逆變器能使光伏方陣始終工作在最大功率點狀態(tài)。4）要求具有較高的可靠性。5）要求有較寬的直流電壓輸入適應(yīng)范圍。2024/12/31電力電子技術(shù)186）要求逆變器體積小、重量輕，以便于室內(nèi)安裝或墻壁上懸掛7）要求在電力系統(tǒng)發(fā)生停電時，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)既能獨立運行，又能防止孤島效應(yīng)，能快速檢測并切斷向公用電網(wǎng)的供電，防止觸電事故的發(fā)生。待公用電網(wǎng)恢復(fù)供電后，逆變器能自動恢復(fù)并網(wǎng)供電。(2)并網(wǎng)逆變器的電路原理2024/12/31電力電子技術(shù)19具體工作過程如下：

公用電網(wǎng)的電壓和相位經(jīng)過霍爾傳感器送給微處理器的A／D轉(zhuǎn)換器，微處理器將回饋電流的相位與公用電網(wǎng)的電壓相位做比較，其誤差信號通過PID運算器運算調(diào)節(jié)后送給PWM脈寬調(diào)制器，這就完成了功率因數(shù)為1的電能回饋過程。微處理器完成的另一項主要工作是實現(xiàn)光伏方陣的最大功率輸出。光伏方陣的輸出電壓和電流分別由電壓、電流傳感器檢測并相乘，得到方陣輸出功率，然后調(diào)節(jié)PWM輸出占空比。這個占空比的調(diào)節(jié)實質(zhì)上就是調(diào)節(jié)回饋電壓大小，從而實現(xiàn)最大功率尋優(yōu)。當(dāng)U的幅值變化時，回饋電流與電網(wǎng)電壓之間的相位角φ也將有一定的變化。由于電流相位已實現(xiàn)了反饋控制，因此自然實現(xiàn)了相位有幅值的解耦控制，使微處理器的處理過程更簡便。2024/12/31電力電子技術(shù)202)單相并網(wǎng)逆變器電路原理。3)并網(wǎng)逆變器單獨運行的檢測與孤島效應(yīng)防止。在太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電過程中，由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行，當(dāng)電力系統(tǒng)由于某種原因發(fā)生異常而停電時，如果太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)不能隨之停止工作或與電力系統(tǒng)脫開，則會向電力輸電線路繼續(xù)供電，這種運行狀態(tài)被形象地稱為“孤島效應(yīng)”。2024/12/31電力電子技術(shù)21“孤島效應(yīng)”的發(fā)生會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。當(dāng)電力系統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)生故障或中斷供電后，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)仍然繼續(xù)給電網(wǎng)供電，會威脅到電力供電線路的修復(fù)及維修作業(yè)人員及設(shè)備的安全，造成觸電事故。不僅妨礙了停電故障的檢修和正常運行的盡快恢復(fù)，而且有可能給配電系統(tǒng)及一些負(fù)載設(shè)備造成損害。因此為了確保維修作業(yè)人員的安全和電力供電的及時恢復(fù)，當(dāng)電力系統(tǒng)停電時，必須使太陽能光伏系統(tǒng)停止運行或與電力系統(tǒng)自動分離(此時太陽能光伏系統(tǒng)自動切換成獨立供電系統(tǒng)，還將繼續(xù)運行為一些應(yīng)急負(fù)載和必要負(fù)載供電)。在逆變器電路中，檢測出光伏系統(tǒng)單獨運行狀態(tài)的功能稱為單獨運行檢測。檢測出單獨運行狀態(tài)，并使太陽能光伏系統(tǒng)停止運行或與電力系統(tǒng)自動分離的功能就叫單獨運行停止或孤島效應(yīng)防止。2024/12/31電力電子技術(shù)22單獨運行檢測功能分為被動式檢測和主動式檢測兩種方式。①被動式檢測方式。被動式檢測方式是通過實時監(jiān)視電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓、頻率、相位的變化，檢測因電網(wǎng)電力系統(tǒng)停電向單獨運行過渡時的電壓波動、相位跳動、頻率變化等參數(shù)變化，檢測出單獨運行狀態(tài)的方法。被動式檢測方式有電壓相位跳躍檢測法、頻率變化率檢測法、電壓諧波檢測法、輸出功率變化率檢測法等，其中電壓相位跳躍檢測法較為常用。2024/12/31電力電子技術(shù)23②主動式檢測方式。主動式檢測方式是指由逆變器的輸出端主動向系統(tǒng)發(fā)出電壓、頻率或輸出功率等變化量的擾動信號，并觀察電網(wǎng)是否受到影響，根據(jù)參數(shù)變化檢測出是否處于單獨運行狀態(tài)。主動式檢測方式有頻率偏移方式、有功功率變動方式、無功功率變動方式以及負(fù)載變動方式等。較常用的是頻率偏移方式。2024/12/31電力電子技術(shù)242.光伏逆變器的技術(shù)參數(shù)與選用（1）光伏逆變器的主要性能特點1）離網(wǎng)逆變器主要性能特點

①采用16位單片機或32位DSP微處理器進行控制。

②太陽能充電采用PWM控制模式，大大提高了充電效率。

③采用數(shù)碼或液晶顯示各種運行參數(shù)，可靈活設(shè)置各定值參數(shù)。

④方波、修正波、正弦波輸出波形失真度一般小于5％。

⑤穩(wěn)壓精度高，額定負(fù)載狀態(tài)下，輸出精度一般不大于±3％。

⑥具有軟啟動功能，避免對蓄電池和負(fù)載的大電流沖擊。

⑦高頻變壓器隔離，體積小、重量輕。

⑧具有輸入接反保護、欠壓保護、過壓保護、過載保護、短路保護、過熱保護功能。2024/12/31電力電子技術(shù)252）并網(wǎng)逆變器主要性能特點

①功率開關(guān)器件采用新型IPM模塊，大大提高系統(tǒng)效率。

②采用MPPT自尋優(yōu)技術(shù)實現(xiàn)太陽能電池最大功率跟蹤，最大限度地提高系統(tǒng)的發(fā)電量。

③液晶顯示各種運行參數(shù)，人性化界面，可通過按鍵靈活設(shè)置參數(shù)。

④設(shè)置有多