光伏逆变器的发展及优势 结构与工作原理外文翻译资料

The development and advantage of photovoltaic inverter

Structure and working principle

Inverter is a kind of the semiconductor device composed of power adjusting device, mainly used for the dc power into ac power. Generally the booster circuit and inverter bridge circuit composition. Booster circuit the solar cell dc voltage booster to the inverter output control the dc voltage; Inverter bridge circuit is the booster of dc voltage equivalent to convert common frequency ac voltage. Inverter is mainly composed of transistor and switch component is formed, and through the regular to switch element repeat on-off (ON - OFF), make dc input into ac output. Of course, this simply by on or off circuit to produce the inverter output waveform is not practical. General need to adopt high-frequency pulse width modulation (SPWM), close sine wave the voltage across the width change narrow, central sine wave voltage width broaden, and in the half period always let the switch element according to certain frequency in a direction action, so that form a pulse wave train (quasi sine wave). Then let the pulse wave through the simple filter form sine wave.

Inverter not only has direct communication mapping function, but also has maximize solar cell performance function and system fault protection function. To sum up automatic operation and shutdown function, maximum power tracking control function, prevent run separately function (grid system), automatic voltage regulation function (grid system), the dc detection function (grid system), the dc grounding detection function (grid system). Here introduce automatic operation and stop function and maximum power tracking control function.

The sunrise in the morning, the sun radiation intensity increasing, solar cell output has increased, when the inverter to the output power, the inverter automatically start running. Enter after the operation, the inverter and every minute monitoring solar cell module, as long as the output of the solar cell module the output power of the inverter is greater than the output power, inverter is continuous running; Until sunset stop, even if the day of overcast and rainy inverter can also run. When solar cell module output diminish, inverter output close to zero, inverter and standby state formation.

the most high power tracking control function

The output of the solar cell module with solar radiation intensity and solar cell module itself temperature (chip temperature) and change. Plus, because of solar cell module has the voltage with current increase and the characteristics of the decline, and therefore there are can get the most high power best working point. Solar radiation intensity is changing, obviously the best working point is also changing. Relative to these changes, always let solar cell module of the working point in the maximum power point, the system always from the solar cell module for maximum power output, this control is the most high power tracking control. Solar power system with inverter is the biggest characteristic of including the maximum power point tracking (MPPT) this function.

Working environment and requirements:

1. Photovoltaic inverter requirements with high efficiency. The 2011 solar cell price is on the high side, in order to make the best use of solar cell, and enhanced the system efficiency, must try to improve the efficiency of the inverter.

2. Photovoltaic inverter are required to have high reliability. 2012 pv power generation system is mainly used in remote areas, many power station unattended and maintenance, which requires the inverter instruments have reasonable circuit structure, strict components selection, and requirements for inverter instruments of various protection functions, such as input dc polarity meet anti protection, ac output short circuit protection, heat, overload protection, etc.

3. Photovoltaic inverter for dc input voltage has a wide application range, because the sun battery terminal voltage with load and sunshine intensity and change, battery although to solar cell voltage plays an important role, but due to the battery voltage with battery residual capacity and the change of resistance and fluctuation, especially when battery voltage across the age range change is very big, such as 12 v battery, the terminal voltage can be in 10 v ~ 16 v changes between, which requires the inverter must be in large dc input voltage range ensure normal work, and ensure the stability of the ac output voltage.

4. Photovoltaic inverter in medium and large capacity of photovoltaic power generation system, the output of the inverter power supply should be distortion smaller sine wave. This is due in large capacity system, if you use the square wave power supply, the output will contain more harmonic component, the high harmonics will generate additional loss, a lot of photovoltaic power generation system load for communication or instrument equipment, the equipment to power quality have higher requirements, and large capacity of photovoltaic power generation system parallel operation, to avoid and public electricity from the grid pollution，also calls for sine wave inverter output current.

Prospects for development

Is the solar photovoltaic (pv) grid power system components produced by direct current (dc) through the grid inverter converted to meet the requirements of the mains grid ac direct access to the public after the power grid.Photovoltaic (pv) grid power generation systems have centralized large-scale grid power plants are generally national power plants, the main characteristic is to the power generation can be directly to the grid, unified by the power grid deployment of supply power to users.Also has distributed small grid-connected power generation system, especially in the photovoltaic building integrated power generat

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光伏逆变器的发展及优势

结构与工作原理

逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。一般由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复开-关（ON-OFF），使直流输入变成交流输出。当然，这样单纯地由开和关回路产生的逆变器输出波形并不实用。一般需要采用高频脉宽调制（SPWM），使靠近正弦波两端的电压宽度变狭，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）。然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波。

逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。归纳起来有自动运行和停机功能、最大功率跟踪控制功能、防单独运行功能（并网系统用）、自动电压调整功能（并网系统用）、直流检测功能（并网系统用）、直流接地检测功能（并网系统用）。这里简单介绍自动运行和停机功能及最大功率跟踪控制功能。

1、自动运行和停机功能

早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳电池的输出也随之增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入运行后，逆变器便时时刻刻监视太阳电池组件的输出，只要太阳电池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行；直到日落停机，即使阴雨天逆变器也能运行。当太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近0时，逆变器便形成待机状态。

2、最大功率跟踪控制功能

太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度（芯片温度）而变化的。另外由于太阳电池组件具有电压随电流增大而下降的特性，因此存在能获取最大功率的最佳工作点。太阳辐射强度是变化着的，显然最佳工作点也是在变化的。相对于这些变化，始终让太阳电池组件的工作点处于最大功率点，系统始终从太阳电

池组件获取最大功率输出，这种控制就是最大功率跟踪控制。太阳能发电系统用的逆变器的最大特点就是包括了最大功率点跟踪（MPPT）这一功能。

工作环境与要求：

1.光伏逆变器要求具有较高的效率。由于2011年太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

2.光伏逆变器要求具有较高的可靠性。2012年光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。

3.光伏逆变器要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有重要作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在10V～16V之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。

4.光伏逆变器在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的要求，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免与公共电网的电力污染，也要求逆变器输出正弦波电流。

发展前景

光伏并网发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。光伏并网发电系统有集中式大型并网电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电；也有分散式小型并网发电系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，是并网发电的主流。

1、有逆流并网光伏发电系统

有逆流并网光伏发电系统：当太阳能光伏系统发出的电能充裕时，可将剩余电能馈入公共电网，向电网供电(卖电)；当太阳能光伏系统提供的电力不足时，由电能向负载供电(买电)。由于向电网供电时与电网供电的方向相反，所以称为有逆流光伏发电系统。

2、无逆流并网光伏发电系统

无逆流并网光伏发电系统：太阳能光伏发电系统即使发电充裕也不向公共电网供电，但当太阳能光伏系统供电不足时，则由公共电网向负载供电。

3、切换型并网光伏发电系统

所谓切换型并网光伏发电系统，实际上是具有自动运行双向切换的功能。一是当光伏发电系统因多云、阴雨天及自身故障等导致发电量不足时，切换器能自动切换到电网供电一侧，由电网向负载供电;二是当电网因为某种原因实然停电时，光伏系统可以自动切换使电网与光伏系统分离，成为独立光伏发电系统工作状态。有些切换型光伏发电系统，还可以在需要时断开为一般负载的供电，接通对应急负载的供电。一般切换型并网发电系统都带有储能装置。

4、有储能装置的并网光伏发电系统

有储能装置的并网光伏发电系统：就是在上述几类光伏发电系统中根据需要配置储能装置。带有储能装置的光伏系统主动性较强，当电网出现停电、限电及故障时，可独立运行，正常向负载供电。因此带有储能装置的并网光伏发电系统可以作为紧急通信电源、医疗设备、加油站、避难场所指示及照明等重要或应急负载的供电系统。

优势

（1）利用清洁干净、可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，使用中无温室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。传统的工程技术被用来评估能源利用的技术。周期成本与用于节省资金的方法与经济利益同等重要。评价的重点是整个大局中的重要性和减少浪费和使用的资金的方法。同时，寻找更为理想的能源是非常重要的。解决能源危机的一种理想的能源的要求应该是无限的供应、能够被广泛的使用、价格低廉、而且其使用后不会添加地球的总热量的负担或者不会产生化学空气和水污染物的排放。太阳能满足这些标准，其产生的多余的热量会从地球辐射出去。而且利用照射到地球的一小部分太阳能就能够提供地球所需的能源。

（2）所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达35%一45%，从而使发电成本大为降低。省掉蓄电池避免了蓄电池的二次污染，并可提高系统的平均无故障时间。

（3）光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，并且还使建筑物科技含量提高，增加'卖点'。

（4）分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。

（5）可起调峰作用。联网太阳能光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。

什么是最大功率点跟踪(MPPT),它是又如何工作的?

光伏发电作为可再生能源变得日益重要，它有许多有点，如不需燃料、没有污染、需要很少的维护费用、没有噪声等等。光电模块的转换效率依然很低，所以控制光伏阵列的最大功率点跟踪成为光伏系统的要点。

光伏系统产生的能量取决于阵列的开路电压。PV 的最大功率点（MPP）随光照强度和和温度变化。它的 V-I 和 V-P 特性曲线表示了一个特定的工作点，在这个点上可以提供最大功率。在最大功率点上，光伏系统工作具有最高效率。所以许多方法被用来确定最大功率跟踪。

最大功率点跟踪，经常被称为 MPPT，是一个使光电(PV)模块工作在一种特定运作模式的电子系统，这种运作模式能够让模块产生它们所能够产生的最大电力。 MPPT 不是一种移动模组本身来使它们更直接面对太阳的机械跟踪系统。 MPPT是完全的电子系统,它通过改变模组的电特性工作点，让模块能够提供最大可用电力。从模块得到的额外电力将以电池充电电流的形式得到利用。MPPT 可与机械跟踪系统配合使用,但这两个系统完全不同。

为了了解 MPPT 使如何工作的，我们先了解一下常规的(非 MPPT)充电控制器是如何工作的。当一个 常规控制器在为用完的蓄电池充电的时候，它只是简单的将光伏模组与电池直接相连。这就促使模组工作在蓄电池的电压上，而这个电压通常不是能够让光电组件产生最大可用电能的理想工作电压。光电模块的功率/电压/电流图显示了典型的传统75W的光伏模块在25°C电池温度和1000w/m2日照强度的标准测试条件下的电流/电压曲线。这个图表也显示了光电组件电压变化时功率的变化. 如例子所示，传统的控制器只是简单的将光电模块和电池相连，这就促使模块工作在 12V 电压。由于 75W 的模块被钳制在 12V 电压下工作，传统的控制器人为的限制了产生的电能大约在 53W 左右。

与简单地连接光电模块与电池不同的是，在光电 Boost 充电控制器中使用的专利 MPPT 系统计算模块能够产生最大电能的工作电压。这个例子中模块产生最大功率时的电压（VMP）是 17V。 MPPT 系统将使模块工作在 17V 的电压下来充分获得 75W 的电能，而不管目前电池的电压。一个高效率的 DC/DC 电力转换器转换在控制器输入端的 17V 模块电压为输出端电池的电压。 如果整个系统布线全部是100%的效率,在目前这个例子中电池电流为 VMODULE divide; VBATTERY x IMODULE 或17V divide;12V x 4.45A = 6.30A。通过收获那些本来会被传统控制器浪费的电能并将它转化为可用的充电电流， 将增加 1.85A 的充电电流或达到 42%的增量。 但是,没有什么是 100%的效率， 由于部分电力损失在线路、 保险丝、 电路断路器和 Boost太阳能充电控制器上面，所以电流增量通常都会低一些。

有用充电电流增量随工作条件的变化而变化。如上所述,光电组件最大功率点电压（VMP）与电池电压的差异越大，充电电流增加的也就越大。降低光伏电池单元的温度倾向于产生更高的最大功率点电压（VMP） ，也就更大的充电电流增量。 这是因为， 随着光伏电池单元的温度降低最大功率点电压和可用电能将增加，如光电组件温度特性曲线所示， 模块 25°C 时的最大功率点电压高于 17V 也同样能够产生更大的充电电流，因为此时实际的最大功率点电压将比蓄电池电压更高。 一个完全用完的蓄电池也将增加充电电流， 因为电池电压更低同时通过 MPPT输出到蓄电池的电能可以认为时连续的。在适当的低温条件和典型电池条件下，人们可以看到充电电流将增加 10 – 25%。更低的温度和更完全使用的蓄电池将使充电电流增幅超过 40%。寒冷气候下的客户报道说充电电流甚至超过了 40%的增幅。这是意味着最需要的时候，充电电流增加的最大。在寒冷环境下，白天很短暂，太阳离地平线低,蓄电池将被更完全的放电。在那些没有可以利用的额外能量（满充的蓄电池和高温光电组件）的条件下，Boost 光电充电控制器将替代传统的 PWM 型控制器。

为什么要最大功率点跟踪（MPPT）?

MPPT 附加在太阳能电池板上使它工作在最大功率点上。MPPT 是一个利用高频开关和控制算法的 DC/DC 变换器。它要求将电路设计得高效率、重量轻、体积小、高可靠性。太阳能电池单元依赖环境条件比如温度条件，光照强度，负载电压。而这些参数在白天总是变化的，太阳能电池、太阳能电池板输出特性也各不相同。某些小时内光电系统可能产生的功率低于额定负载功率。如果将太阳能电池板直接连接到电池，系统会产生功耗，因为在某些时段太阳能电池板的运行特性将随环境条件的改变而改变。这个问题可以通过使用较大的太阳能板来解决，但解决方案较昂贵。基于此，在太阳能电池板和电池之间加设电池最大功率点跟踪电路。

利用 MPPT 功率跟踪充电控制器增加光伏充电电能。

充电控制器又出现了新的特点。它被称为最大功率点跟踪(MPPT)。它在一定条件下从你的光伏阵列摄取额外的电能。 本文为那些根本不懂电的人对这一过程做了机械类比。MPPT 的功能类似于汽车的传动装置，当传动装置运转在错误的档位，车轮得不到最大的动力。那是因为发动机运行速度低于或高于理想转速范围。传动装置的作用是连接引擎和车轮使引擎不管在任何速度，任何地形都运行在一个最佳的转速范围。 让我们把光电组件和汽车发动机做下比较。它的电压类似于引擎速度。理想的电压是指在这一电压点能够输出最大功率， 这就是所谓的最大功率点 (也被称作峰值功率电压,简称 VPP)。VPP 随阳光强度和太阳能电池温度变化，蓄电池的电压类似汽车车轮的速度，它会随电池充电状况,以及系统负载（任何电器和灯泡等等）而变化。一个 12V 系统，则由约 11 至 14.5V 之间变化。为了对电池充电(增加它的电压)，光电组件必须提供高于电池电压的充电电压。如果光电组件的 VPP 只是仅仅略低于电池电压,则电流也下降到近乎为零(如发动机转得比车轮慢)。所以,为了这方面的安全,典型的光电组件的 VPP 在 25℃光电池单元温度时测量大约 17v 左右。 他们这样做是因为这将减少到约 15V 在炎热的时候。 然而,在一个非常寒冷的日子,它可以上升到18V!在VPP远远高于电池电压的情况下会发生什么样的事呢？ 模块电压拉低到低于理想的电压。传统的充电控制器直接将光伏电池阵列的电流直接给蓄电池，让你得不到任何多余的好处。现在，让我们再作比喻，汽车的传动装置改变汽车传输速度及扭矩比例，低挡时，车轮的速度降低，扭矩加大，对不对？同样，MPPT 改变送往电池的电压和电流的比例，以提供最大功率。如果来自光电模块的电压超过现有的，它则将其转换成更大的电流送往电池。此外，它像一个自动传动装置一样

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