發布日期：2022-04-18 點擊率：108
逆變器是電力電子技術和電氣技術緊密結合的產物，被廣泛應用于各種領域。光伏并網逆變器是整個光伏系統的心臟，地位非常重要。本文從元器件的角度“解剖”逆變器。
1．關鍵元器件清單
表 1
上表是組串、集中逆變器通用的一個關鍵元器件清單，和主流生產廠家。圖1 是逆變器的電氣拓撲圖，本文按照順序介紹各個元器件的作用和要求。
圖1
2．元器件介紹
一臺逆變器的元器件排布順序：直流開關、直流濾波、直流母線（電容）、IBGT（功率模塊）、DSP（運算控制模塊）、LCL或者LC濾波、交流接觸器（繼電器）、交流斷路器，以及傳感器、風機等附件。
2．1 直流開關、直流斷路器
顧名思義，直流開關就是分合直流電流作用的。直流開關又稱為直流快速開關或直流快速自動開關，它是一種操作和保護，能對直流額定電壓600～1500V電路中直流電機、整流機組和直流饋線等進行分閘、合閘操作，并在短路、過載、逆流（反向）時起保護跳閘作用。
直流斷路器有限流性能，能準確保護繼電保護、自動裝置免受過載、短路等故障危害。直流斷路器具備的限流、滅弧能力。
需要指出的是，國內絕大部分逆變器的直流側都選擇使用直流開關，不使用只留斷路器。
2．2 直流濾波
IGBT在工作時，不僅僅向交流側傳遞干擾信號，同時也向直流側傳導干擾信號，直流側的干擾信號通過電池板的鋁合金邊框向周圍環境釋放被放大的干擾信號，這樣的信號不僅僅可以干擾手機通訊，干擾視頻信號，也可以干擾監控信號。
當有多臺逆變器并聯時，如果沒有直流濾波，逆變器之間會互相干擾，會產生通訊異常，造成遠程無法控制。同時，逆變器對直流線纜產生的干擾，會通過各種途徑耦合到交流測，對電能質量產生影響。
目前逆變器主要使用濾波電容作為濾波元器件，很少使用濾波模塊。濾波電容并聯在逆變器電源電路輸入端，用以降低直流脈動波紋系數、平滑直流輸出的一種儲能器件。濾波電容不僅使電源直流輸出平穩，降低了交變脈動波紋對電子電路的影響，同時還可吸收電子電路工作過程中產生的電流波動和經由交流電源串入的干擾，使得電子電路的工作性能更加穩定。
濾波電容在電路中的符號一般用“C＂表示。為了獲得好的濾波效果，選擇的濾波電容的電容量都比較大，最常用的為數百至數千微法的電解電容，在幾十千赫茲甚至更高頻率的場合，對頻率特性的要求比對容量的要求顯得重要得多。
2．3 母線支撐電容
母線支撐電容是逆變器的主要元器件，也就是我們常問起的，“XX廠家逆變器是電解的還是薄膜的”。母線電容也叫母線支撐電容，它安裝在IGBT模塊前端，起的主要作用穩定IGBT母線上的電壓值。
如果直流輸入功率突然變化，會造成直流母線和電容本身里面的寄生電感產生感應電動勢，會造成直流母線上的電壓大幅度婦變化。影響IBGT的工作，也影響輸出電壓波形。所以在IGBT前端需要并聯大容量的直流母線電容。
圖3 500KW逆變器的直流母線電容組
2．3．1 薄膜電容和電解電容
薄膜電容器是以金屬箔當電極，將其和聚乙酯，聚丙烯，聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜，從兩端重疊后，卷繞成圓筒狀的構造之電容器。（見圖3）而依塑料薄膜的種類又被分別稱為聚乙酯電容又稱Mylar電容，聚丙烯電容又稱PP電容，聚苯乙烯電容又稱PS電容和聚碳酸電容。
薄膜電容器由于具有很多優良的特性，因此是一種性能優秀的電容器。它的主要特性如下：無極性，絕緣阻抗很高，頻率特性優異（頻率響應寬廣），而且介質損失很小。基于以上的優點，所以薄膜電容器被大量使用在模擬電路上。尤其是在信號交連的部分，必須使用頻率特性良好，介質損失極低的電容器，方能確保信號在傳送時，不致有太大的失真情形發生。在所有的塑料薄膜電容當中，又以聚丙烯（PP）電容和聚苯乙烯（PS）電容的特性最為顯著，當然這兩種電容器的價格也比較高。
由于價格較高，在2010年左右，有很多廠家用電解電容來做母線支撐電容，導致很多燒毀逆變器的事故。目前整個行業基本上都用薄膜電容做母線支持電容了。
電解電容器通常是由金屬箔（鋁／鉭）作為正電極，金屬箔的絕緣氧化層（氧化鋁／鉭五氧化物）作為電介質，電解電容器以其正電極的不同分為鋁電解電容器和鉭電解電容器。鋁電解電容器的負電極由浸過電解質液（液態電解質）的薄紙／薄膜或電解質聚合物構成；鉭電解電容器的負電極通常采用二氧化錳。由于均以電解質作為負電極（注意和電介質區分），電解電容器因而得名。
2．3．2 電解電容和薄膜電容的區別
電容器容抗是隨著頻率的變化呈反比例關系，電容器的有功損耗是隨著電流的增大而增大，且為電流平方成正比關系，所以電容器的損耗則成為在電容器運行過程中安全可靠的至關重要的因素。
金屬化膜直流支撐電容固有損耗非常小，整臺電容器損耗小于2‰，僅為鋁電解電容器1％，且采用聚丙烯薄膜作為介質，產品頻率特性很穩定，在中、高頻環境使用，由于其良好的頻率、電流特性可以保證其安全長壽命，在額定工況下預期壽命≥80000小時，且在壽命期內隨環境的變化電氣性能基本保持不變，不影響電容器的壽命，保證配套設備運行安全可靠。
鋁電解電容器的損耗非常大，其中無功損耗可以占到總無功容量的20％，且鋁電解電容器有功損耗隨著頻率的增大而增大，頻率超過1000赫茲損耗變化率逐漸增大，當頻率超過10000赫茲后變化率急劇增加，有功損耗增大，發熱量增大。這是長久以來在中、高頻大功率環境下采用鋁電解直流濾波電容器發熱量大、故障率高、壽命非常短，額定工況下預期壽命≤50000小時，隨著工況的變化容量急劇變化，壽命降低的原因，甚至由一些企業在中、高頻環境使用鋁電解電容器壽命不足10000小時，常常由于電容器故障影響到整臺設備的使用。
另外，鋁電解電容器在容量偏差由于其固有的材料、結構特性的影響，在額定電容量及容量溫度穩定性方面偏差較金屬化電容器有較大的差距：鋁電解電容器由于無法控制鋁極板氧化面積致使容量無法準確控制，而金屬化電容器產品可以通過直接控制極板面積精確控制產品電容量，偏差可以控制在－2％～＋2％之間，對線路的精確性提供了可靠的保證。
金屬化膜電容器中絕緣介質材料為高分子聚合物薄膜，可以通過控制薄膜厚度（精度在0．2微米以上）來提高電容器產品的額定電壓；鋁電解電容器由于絕緣介質是鋁箔表面的氧化鋁層，難以控制氧化層厚度及均勻性，所以難以達到高的耐壓及過壓倍數。
因為R、L、C是組成電路的基本元素，各種電容（C），存在與一個復雜的電路中。不可能所有的電解電容都會被薄膜電容代替。
3．IGBT模塊
IGBT非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。 圖1所示為一個N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構， N＋ 區稱為源區，附于其上的電極稱為源極。N＋ 區稱為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P 型區（包括P＋ 和P 一區）（溝道在該區域形成），稱為亞溝道區（ Subchannel region ）。而在漏區另一側的P＋ 區稱為漏注入區（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP 雙極晶體管，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態電壓。附于漏注入區上的電極稱為漏極。 IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成后，從P＋ 基極注入到N 一層的空穴（少子），對N 一層進行電導調制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態電壓。
并網逆變器用IGBT模塊
4．交流濾波
交流濾波器是逆變器一個重要組成部分，可以補償IGBT消耗的無功功率，同時濾除和減少換流過程中產生的諧波以避免對交流系統造成影響。
光伏逆變器常用的交流濾波方式主要有LC和LCL兩種形式。
4．1 LC濾波和LCL濾波電路
LC濾波器也稱為無源濾波器，是傳統的諧波補償裝置。LC濾波器之所以稱為無源濾波器，顧名思義，就是該裝置不需要額外提供電源。LC濾波器一般是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，與“諧波源”并聯，除起濾波作用外，還兼顧無功補償的需要。而且可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結構是將電感與電容串聯，可對主要次諧波（3、5、7）構成低阻抗旁路。
Lc濾波電路
通常電流源的逆變器（并網逆變器）會使用LCL濾波器，電壓源的逆變器（UPS）會使用LC濾波器。原因是電流源逆變器一般都是與電網相連接，如果使用LC濾波器就會為電網注入開關次諧波，當然這是在電網很強的情況下，如果電網就弱，即系統阻抗較大，其實使用LC濾波器也是沒有問題的。
但LCL濾波器存在兩個諧振點，控制參數沒有設計好會發生諧振，其次如果系統較弱，背景諧波電壓會通過系統阻抗與LCL濾波器的C發生諧振，所以一般都會在C上串一個電阻，如果不串電阻最好檢測C上電流，做反饋，也就是虛擬阻抗的方法。
電壓源逆變器一般不與電網連接，直接為負荷供電，比如UPS，這時只要電壓紋波系數小于一定值就可以了，即負荷能承受了，這樣就可以省去一組L。如果UPS非要使用LCL也沒問題。
目前絕大多數三相并網逆變器都使用LCL濾波方式，優點是可以極大的減少電感量和重量，假設LC濾波的逆變器L的重量是30kg電感量是3ml，那么LCL電路中兩個L的重量之和是10kg，電感量是1ml。體積也減小了，所以很多以前2米長的逆變器做到1．6米，主要賴于使用了LCL濾波。
作者：張喆
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