摘要：逆变器是太阳光发电站的主要部件之一，又属于电源技术和电力电子技术的研究范围。从太阳光发电站用逆变器的主电路出发，讨论了其中的电磁元件的一些问题。
关键词：太阳光发电站；逆变器；主电路；电磁元件
引言
太阳光发电站是21世纪最有发展前途的一种可再生能源发电方式。由于它利用洁净的太阳光能，有利于环境保护，无可动部件，可分散灵活配置，将得到年增长率超过20％的快速发展。因此，太阳光发电站不仅受到能源和环境保护部门的重视，而且也受到电源和电力电子行业的关注。
太阳光发电站的主要部件包括太阳电池矩阵、充放电装置、蓄电池、逆变器和控制检测装置。根据是否与外电网相连接，太阳光发电站分为独立型和并网型两种。独立型太阳光发电站独立运行，与外电网没有联系，装有大容量电池，在阴雨天也可以保证用户的用电需要。并网型太阳光发电站输出直接与低压配电网相联，例如，现在国外正大力发展的家庭用太阳光发电站，都规定与外电网相联，不需要蓄电池。但是，有的并网型太阳光发电站也装有一定容量的蓄电池，起到类似不停电电源的作用，在发生事故时，仍然可保证向用户供电。
不管是独立型还是并网型太阳光发电站，都需要逆变器作为主要部件。因此，太阳光发电站用逆变器，已成为电源和电力电子行业的一个热门研究课题。和其他电源设备一样，太阳光发电站用逆变器中的电磁元件，是其中的主要元件之一。由于太阳光发电站用逆变器对效率和使用条件有特殊要求，其中的电磁元件也具有鲜明的特殊性，本文将从太阳光发电站用逆变器的主电路出发，讨论其中的电磁元件的一些问题。
1 太阳光发电站用逆变器主电路
太阳光发电站用逆变器有三个不同于其他逆变器的特点。
1）效率高现在常用的太阳电池矩阵的光电转换效率<15％，非常低，如果逆变器效率低，将太阳电池好不容易转换来的电能损耗掉，十分可惜，因此，要求逆变器效率高。否则的话势必要增加矩阵中太阳电池组件的数量，增大矩阵所占的面积，从而大大增加了太阳光发电站的设备投资和土建费用。所以，一般要求10kVA以下的逆变器效率要>90％，10kVA以上的逆变器效率要>95％。 2）波形畸变小而功率因数高并网型太阳光发电站输出要与外电网相联，逆变器输出波形必须与外电网相一致。要求波形畸变<5％，高次谐波含量<3％，功率因数接近1。独立型太阳光发电站用逆变器的波形畸变可以大一些（<10％），但是，为了降低输电线路损耗，也希望波形接近正弦波，功率因数接近1，减少无功功率损耗。
）能满足使用条件要求大多数独立型太阳光发电站用于偏远山区和海岛，要求逆变器能承受比较恶劣的使用条件，同时保证能在少维护条件下长期工作。由于大多数并网型太阳光发电站用于家庭，要求逆变器的电磁干扰小，不影响人的生活环境，也不妨碍其他家用电器的正常工作。
当然，太阳光发电站用逆变器根据市场要求，和其他商品一样，在满足使用要求的前提下，追求性能价格比高，成本低，体积小，重量轻。
一般按照输出的绝缘形式，把太阳光发电站用逆变器的主电路分为工频变压器绝缘方式；高频变压器绝缘方式；无变压器无绝缘方式；正激变压器绝缘方式。下面根据对太阳光发电站用逆变器的要求，分别对这4种主电路进行介绍。
1.1 工频变压器绝缘方式
采用工频变压器使输入的太阳电池矩阵和输出端的电网绝缘，主电路结构如图1所示，分为电压型和电流型两种。一般采用电压型工频逆变器。大容量和输入为低压大电流的采用电流型工频逆变器，输入中串有大电感，承受的电压应力小，有利于开关器件工作。工频变压器绝缘方式电路简单，变换只有一级，效率较高，制造成本低。一般工频逆变不采用SPWM控制，输出是矩波形，要经过强有力的滤波措施，才能使输出正弦波形畸变<5％。由于电路中的半导体器件少，可适应比较恶劣的使用条件。开关频率低，产生的电磁干扰小。虽然主变压器和滤波电感体积大，但是，可采用低频材料制造，成本并不高。这种方式的逆变器主要用于独立型太阳光发电站。
1.2 高频变压器绝缘方式
采用高频变压器使输入的太阳电池矩阵和输出端的电网绝缘，主电路结构如图2所示，变换分为两级。图2（a）中第一级为SPWM高频逆变器，通过高频变压器后整流滤波，再经第二级工频逆变器，变为工频正弦波电压输出。图2（b）中第一级为PWM高频逆变器，通过高频变压器和第二级周波数变换器，直接变为工频正弦波电压输出，也不象一般周波数变换器那样要求开关器件双向工作，只要单向工作就可以实现变换，虽然减少了整流滤波环节，效率较高，但是，电路和控制比图2（a）复杂。图2（c）电路为现在家庭用太阳光发电站用逆变器主电路，基本结构和图2（a）一样，为了消除零线电流，采用单相三线制输出。
高频变压器比工频变压器体积小，重量轻，成本低。但是，经两级变换，效率问题比较突出，只要采用低损耗吸收电路和认真选择电磁元件，仍然可以使效率超过90％。由于有SPWM控制和周波数变换，输出波形畸变小，不需要强有力的滤波，不过高频电磁干扰问题严重，要采用滤波和屏蔽等抑制措施。这种方式的逆变器主要用于并网型太阳光发电站。
1.3 无变压器无绝缘方式
为了进一步降低成本，提高效率，已开发出太阳光发电站用无变压器无绝缘方式逆变器主电路，电路结构如图3所示。其中图3（a）电路前面为升压电路，后面为SPWM工频逆变器。升压电路可以和不同输出电压的太阳电池匹配，把太阳电池的输出电压升高到370V左右，尽管由于天气变化因素使太阳电池输出电压发生变化，有了升压部分后，可以保证逆变部分输入电压比较稳定。同时提高了电压，减少了电流，可以降低逆变部分损耗。升压电路还可以对输入的功率因数进行校正。图3（b）电路为单相三线制输出电路，只要经过简单变换，就可以变为图3（c）的三相输出电路。
逆变器无变压器无绝缘方式的主电路不能使输入的太阳电池与输出电网绝缘，故输入太阳电池的正负极不能直接接地。太阳电池矩阵面积大，存在对地电容，在工作中将出现等效电容充放电电流。其中低频部分，有可能使供电电路的漏电开关误动作，而造成停电。这可以通过控制逆变器开关器件的开关方式来消除它。其中高频部分将通过配电线对其他用电设备造成电磁干扰，而影响其他用电设备的正常工作，因此，在逆变器输出部分要加电感电容滤波来消除它。此外，还要加共模滤波器，防止太阳电池受高频逆变器的电磁干扰。还有，为了防止太阳电池正负极接地，从而造成逆变器主电路损坏，通过电流互感器或者霍尔检测器，检测太阳电池正、负极的接地电流，如果超过规定值，立即切断逆变器主电路，进行保护。逆变器无变压器无绝缘方式主电路比工频变压器绝缘方式复杂一些，比高频变压器绝缘方式简单，仍然是单级变换、效率高。没有变压器，体积小、重量轻、成本较低，是到目前为止比较好的一种主电路方式。
1.4 正激变压器绝缘方式
逆变器无变压器无绝缘方式主电路虽然各项指标比较好，但是，太阳电池与外电网没有绝缘隔离，存在不安全因素，为了进行保护和防止电磁干扰，要采取许多防护措施。因此，最近开发出逆变器正激变压器绝缘方式主电路，如图4所示，是把图3（a）中的升压电路中的电感器变为正激变压器，同时进行升压和绝缘隔离，既保持了无变压器无绝缘方式主电路的优点，又增加了绝缘隔离功能，使工作更安全可靠。当然，要增加正激变压器，使体积、重量、成本有所增加，但是，从试制样品来看，在直接输入200V，交流输出100V，载波频率20kHz条件下，输出波形接近正弦波，功率因数接近1，从空载到满3kVA时，效率都>90％，成本仍然为用户可接受。
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