光伏系统用中小功率逆变电源现状与发展分析

　　中小功率逆变电源是户用独立交流光伏系统中重要的环节之一，其可靠性和效率对推广光伏系统、有效用能、降低系统造价至关重要,因而各国的光伏专家们一直在努力开发适于户用的逆变电源，以促使该行业更好更快地发展。
　　
　　光伏系统用中小功率逆变电源的技术现状
　　
　　逆变电源按变换方式可分为工频变换和高频变换。工频变换是利用分立器件或集成块产生50Hz方波信号，然后利用该信号去推动功率开关管，利用工频升压变压器产生220V交流电。这种逆变电源结构简单，工作可靠，但由于电路结构本身的缺陷，不适合于带感性负载，如电冰箱、电风扇、水泵、日光灯等。另外，这种逆变电源由于采用了工频变压器，因而体积大、笨重、价格高。目前主要用在大型太阳能光伏电站。
　　
　　20世纪70年代初期，20kHzPWM型开关电源的应用在世界上引起了所谓“20kHz电源技术革命”。这种变换思想当时即被用在逆变电源系统中，但由于当时的功率器件昂贵，且损耗大，高频高效逆变电源的研究一直处于停滞状态。到了80年代以后，随着功率MOSFET工艺的日趋成熟及磁性材料质量的提高，高频变换逆变电源才走向市场（1）。
　　
　　高频变换逆变电源是通过高频DC/DC变换技术，先将低压直流变为高频低压交流，经过脉冲变压器升压后再整流成高压直流。由于在DC/DC变换中采用了PWM技术，因而在此可得到一稳定的直流电压，利用该电压可直接驱动交流节能灯、白炽灯、彩电等负载。若对该高压直流进行类正弦变换或正弦变换，即可得到220V、50Hz类正弦波交流电或220V、50Hz正弦波交流电。这种逆变器由于采用高频变换（现多为 20kHz～200kHz），因而体积小、重量轻，再由于采用了二次调宽及二次稳压技术，因而输出电压非常稳定，负载能力强，性能价格比高，是目前可再生能源发电系统中首选产品。在国外发达国家的中小交流光伏系统中得到普遍的使用，但在国内，由于技术方面的原因及市场的混乱，一些逆变电源厂家一直在推广工频变换逆变电源，有的为了降低成本甚至使用低硅硅钢片，这样的逆变电源充斥市场，使得交流光伏系统的综合成本升高，将会阻碍交流光伏系统的推广，这对行业的发展是很不利的。
　　
　　国内高频变换中小功率逆变电源存在问题分析
　　
　　可靠性
　　
　　目前，高频变换中小功率逆变电源存在的问题主要是可靠性不高。我们多年的研究，生产及使用说明：影响高频变换中小功率逆变电源寿命的主要因素有电解电容器、光电耦合器及磁性材料（2）。
　　
　　
   　　中小功率逆变电源是户用独立交流光伏系统中重要的环节之一，其可靠性和效率对推广光伏系统、有效用能、降低系统造价至关重要,因而各国的光伏专家们一直在努力开发适于户用的逆变电源，以促使该行业更好更快地发展。
　　
　　光伏系统用中小功率逆变电源的技术现状
　　
　　逆变电源按变换方式可分为工频变换和高频变换。工频变换是利用分立器件或集成块产生50Hz方波信号，然后利用该信号去推动功率开关管，利用工频升压变压器产生220V交流电。这种逆变电源结构简单，工作可靠，但由于电路结构本身的缺陷，不适合于带感性负载，如电冰箱、电风扇、水泵、日光灯等。另外，这种逆变电源由于采用了工频变压器，因而体积大、笨重、价格高。目前主要用在大型太阳能光伏电站。
　　
　　20世纪70年代初期，20kHzPWM型开关电源的应用在世界上引起了所谓“20kHz电源技术革命”。这种变换思想当时即被用在逆变电源系统中，但由于当时的功率器件昂贵，且损耗大，高频高效逆变电源的研究一直处于停滞状态。到了80年代以后，随着功率MOSFET工艺的日趋成熟及磁性材料质量的提高，高频变换逆变电源才走向市场（1）。
　　
　　高频变换逆变电源是通过高频DC/DC变换技术，先将低压直流变为高频低压交流，经过脉冲变压器升压后再整流成高压直流。由于在DC/DC变换中采用了PWM技术，因而在此可得到一稳定的直流电压，利用该电压可直接驱动交流节能灯、白炽灯、彩电等负载。若对该高压直流进行类正弦变换或正弦变换，即可得到220V、50Hz类正弦波交流电或220V、50Hz正弦波交流电。这种逆变器由于采用高频变换（现多为 20kHz～200kHz），因而体积小、重量轻，再由于采用了二次调宽及二次稳压技术，因而输出电压非常稳定，负载能力强，性能价格比高，是目前可再生能源发电系统中首选产品。在国外发达国家的中小交流光伏系统中得到普遍的使用，但在国内，由于技术方面的原因及市场的混乱，一些逆变电源厂家一直在推广工频变换逆变电源，有的为了降低成本甚至使用低硅硅钢片，这样的逆变电源充斥市场，使得交流光伏系统的综合成本升高，将会阻碍交流光伏系统的推广，这对行业的发展是很不利的。
　　
　　国内高频变换中小功率逆变电源存在问题分析
　　
　　可靠性
　　
　　目前，高频变换中小功率逆变电源存在的问题主要是可靠性不高。我们多年的研究，生产及使用说明：影响高频变换中小功率逆变电源寿命的主要因素有电解电容器、光电耦合器及磁性材料（2）。
　　
　　
   　　实践证明：追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是依赖于使用方。降低器件的结温，减少器件的电应力，降低运行电流及采用优质的磁性材料等措施可大大提高其可靠性。国内之所以有人对高频变换逆变电源的可靠性产生怀疑，一个重要的原因是一些厂家为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，由于这种磁性材料的饱和磁通密度及居里温度点较低，因而在功率较大时长时间使用极易出故障。我们使用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、西门子的N47和N67，不但能有效地提高转换效率（3），而且大大提高了逆变电源可靠性。事实上，彩电及计算机中使用的开关电源也证明了高频变换方式的可靠性。用户的长时间使用也证明了我们目前生产的高频变换中小功率逆变电源具有高的可靠性和效率，完全可与MASTERVOLT等大公司的产品相媲美。
　　
　　效率
　　
　　要提高逆变电源的效率，就必须减小其损耗。逆变电源中的损耗通常可分为两类：导通损耗和开关损耗。导通损耗是由于器件具有一定的导通电阻Rds，因此当有电流流过时将会产生一定的功耗，损耗功率Pc由下式计算：Pc=I2×Rds。在器件开通和关断过程中，器件不仅流过较大的电流，而且还承受较高的电压，因此器件也将产生较大的损耗，这种损耗称为开关损耗。开关损耗可分为开通损耗、关断损耗和电容放电损耗。
   　　开通损耗:
　　Pon=(1/2)×Ip×Vp×ts×f;
　　关断损耗:
　　Poff=1/2×Ip×Vp×ts×f;
　　电容放电损耗:
　　Pcd=（1/2）×Cds×Vc2×f;
　　总的开关损耗:
　　Pcf=Ip×Vp×ts×f＋(1/2)×Cds×Vc2×f。
　　式中：Ip为器件开关过程中流过的电流最大值；
　　Vp为器件开关过程中承受的电压最大值；
　　ts为开通关断时间；
　　f为工作频率；
　　Cds为功率MOSFET的漏源寄生电容。
　　
　　现代电源理论指出：要减小上述这些损耗，就必须对功率开关管实施零电压或零电流转换，即采用谐振型变换结构。
　　
　　
   　　光伏系统用中小功率逆变电源的发展展望
　　
　　随着谐振开关电源的发展，谐振变换的思想也被用在逆变电源系统中，即构成了谐振型高效逆变电源。该逆变电源是在DC/DC变换中采用了零电压或零电流开关技术，因而开关损耗基本上可以消除，即使当开关频率超过1MHz以上后，电源的效率也不会明显降低。实验证明：在工作频率相同的情况下，谐振型变换的损耗可比非谐振型变换降低30％～40％。目前，谐振型电源的工作频率可达500kHz到1MHz。
　　
　　另外值得注意的是，光伏系统用中小功率逆变电源的研究正朝着模块化方向发展，即采用不同的模块组合，就可构成不同的电压、波形变换系统。
　　
　　毫无疑问，光伏系统用中小功率逆变电源会采用高频变换电路结构。在一些技术细节上，也会有别于其它场合使用的逆变电源，如除了追求高可靠、高效率外，还应针对光伏行业的特点，将控制、逆变有效地合二为一，即光伏逆变电源在设计上应具有过压、欠压、短路、过热、极性接反等保护功能。这样做不但降低了系统的造价，而且提高了系统的可靠性（4）。
　　
　　结语
　　
　　随着光伏系统的不断规范，高频变换中小功率逆变电源将会得到市场的逐步认可，它的使用将会促进光伏行业的良性发展。