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浅谈“非主流”光伏技术(十一):解析逆变器(上)

作者:168光伏网 时间:2018-07-15 05:43 来源:光伏网

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上表是组串、集中逆变器通用的一个关键元器件清单,和主流生产厂家。图1 是逆变器的电气拓扑图,本文按照顺序介绍各个元器件的作用和要求。

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图1

2.元器件介绍

一台逆变器的元器件排布顺序:直流开关、直流滤波、直流母线(电容)、IBGT(功率模块)、DSP(运算控制模块)、LCL或者LC滤波、交流接触器(继电器)、交流断路器,以及传感器、风机等附件。

2.1 直流开关、直流断路器

顾名思义,直流开关就是分合直流电流作用的。直流开关又称为直流快速开关或直流快速自动开关,它是一种操作和保护,能对直流额定电压600~1500V电路中直流电机、整流机组和直流馈线等进行分闸、合闸操作,并在短路、过载、逆流(反向)时起保护跳闸作用。

直流断路器有限流性能,能准确保护继电保护、自动装置免受过载、短路等故障危害。直流断路器具备的限流、灭弧能力。

需要指出的是,国内绝大部分逆变器的直流侧都选择使用直流开关,不使用只留断路器。

2.2 直流滤波

IGBT在工作时,不仅仅向交流侧传递干扰信号,同时也向直流侧传导干扰信号,直流侧的干扰信号通过电池板的铝合金边框向周围环境释放被放大的干扰信号,这样的信号不仅仅可以干扰手机通讯,干扰视频信号,也可以干扰监控信号。

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当有多台逆变器并联时,如果没有直流滤波,逆变器之间会互相干扰,会产生通讯异常,造成远程无法控制。同时,逆变器对直流线缆产生的干扰,会通过各种途径耦合到交流测,对电能质量产生影响。

目前逆变器主要使用滤波电容作为滤波元器件,很少使用滤波模块。滤波电容并联在逆变器电源电路输入端,用以降低直流脉动波纹系数、平滑直流输出的一种储能器件。滤波电容不仅使电源直流输出平稳,降低了交变脉动波纹对电子电路的影响,同时还可吸收电子电路工作过程中产生的电流波动和经由交流电源串入的干扰,使得电子电路的工作性能更加稳定。

滤波电容在电路中的符号一般用“C"表示。为了获得好的滤波效果,选择的滤波电容的电容量都比较大,最常用的为数百至数千微法的电解电容,在几十千赫兹甚至更高频率的场合,对频率特性的要求比对容量的要求显得重要得多。

2.3 母线支撑电容

母线支撑电容是逆变器的主要元器件,也就是我们常问起的,“XX厂家逆变器是电解的还是薄膜的”。母线电容也叫母线支撑电容,它安装在IGBT模块前端,起的主要作用稳定IGBT母线上的电压值。

如果直流输入功率突然变化,会造成直流母线和电容本身里面的寄生电感产生感应电动势,会造成直流母线上的电压大幅度妇变化。影响IBGT的工作,也影响输出电压波形。所以在IGBT前端需要并联大容量的直流母线电容。

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图3 500KW逆变器的直流母线电容组

2.3.1 薄膜电容和电解电容

薄膜电容器是以金属箔当电极,将其和聚乙酯,聚丙烯,聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜,从两端重叠后,卷绕成圆筒状的构造之电容器。(见图3)而依塑料薄膜的种类又被分别称为聚乙酯电容又称Mylar电容,聚丙烯电容又称PP电容,聚苯乙烯电容又称PS电容和聚碳酸电容。

薄膜电容器由于具有很多优良的特性,因此是一种性能优秀的电容器。它的主要特性如下:无极性,绝缘阻抗很高,频率特性优异(频率响应宽广),而且介质损失很小。基于以上的优点,所以薄膜电容器被大量使用在模拟电路上。尤其是在信号交连的部分,必须使用频率特性良好,介质损失极低的电容器,方能确保信号在传送时,不致有太大的失真情形发生。在所有的塑料薄膜电容当中,又以聚丙烯(PP)电容和聚苯乙烯(PS)电容的特性最为显著,当然这两种电容器的价格也比较高。

由于价格较高,在2010年左右,有很多厂家用电解电容来做母线支撑电容,导致很多烧毁逆变器的事故。目前整个行业基本上都用薄膜电容做母线支持电容了。

电解电容器通常是由金属箔(铝/钽)作为正电极,金属箔的绝缘氧化层(氧化铝/钽五氧化物)作为电介质,电解电容器以其正电极的不同分为铝电解电容器和钽电解电容器。铝电解电容器的负电极由浸过电解质液(液态电解质)的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成;钽电解电容器的负电极通常采用二氧化锰。由于均以电解质作为负电极(注意和电介质区分),电解电容器因而得名。

2.3.2 电解电容和薄膜电容的区别

电容器容抗是随着频率的变化呈反比例关系,电容器的有功损耗是随着电流的增大而增大,且为电流平方成正比关系,所以电容器的损耗则成为在电容器运行过程中安全可靠的至关重要的因素。

金属化膜直流支撑电容固有损耗非常小,整台电容器损耗小于2‰,仅为铝电解电容器1%,且采用聚丙烯薄膜作为介质,产品频率特性很稳定,在中、高频环境使用,由于其良好的频率、电流特性可以保证其安全长寿命,在额定工况下预期寿命≥80000小时,且在寿命期内随环境的变化电气性能基本保持不变,不影响电容器的寿命,保证配套设备运行安全可靠。

铝电解电容器的损耗非常大,其中无功损耗可以占到总无功容量的20%,且铝电解电容器有功损耗随着频率的增大而增大,频率超过1000赫兹损耗变化率逐渐增大,当频率超过10000赫兹后变化率急剧增加,有功损耗增大,发热量增大。这是长久以来在中、高频大功率环境下采用铝电解直流滤波电容器发热量大、故障率高、寿命非常短,额定工况下预期寿命≤50000小时,随着工况的变化容量急剧变化,寿命降低的原因,甚至由一些企业在中、高频环境使用铝电解电容器寿命不足10000小时,常常由于电容器故障影响到整台设备的使用。



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