7.1　逆变器的工作原理

大多数电器和负载使用交流电工作，因此若要使用光伏阵列产生的电能，需要将阵列的直流输出变换为交流信号。逆变器实现了将直流变换成交流的功能。

在发展初期，逆变器产生的是方波[图7.1（a）]，后来是修正方波[图7.1（b）]。然而，方波和修正方波输出的是低质量信号，难以与电网兼容。当时方波和修正方波的输出形式均用于独立系统（即未连接到电网的系统），但这些输出基本波形的逆变器已不再使用。现代逆变器使用微处理器和半导体开关生成近似于正弦波的波形，因此可与电网和交流负载兼容[图7.1（c）]。

在并网光伏系统中，逆变器须能与电网互连并产生与电网的电源相匹配的交流信号（7.3.1节）。这意味着逆变器必须匹配电网的电压、频率和相角的可接受限值。

为了将直流电变换成交流电，逆变器有效结合了以下技术：

（1）开关技术。生成交流信号，为所需频率的正弦波（7.1.1节）。

（2）电压控制（使用变压器或直流-直流变换器）。将电压匹配至所需输出电压（7.1.2节）。

（3）控制系统。将交流输出匹配至电网的频率和电压（7.1.3节）。

7.1.1　逆变器开关动作：脉冲宽度调制

要将直流电变换为交流电，需要变换电压（和电流），以生成所需频率的正弦波[图7.1（c）]。可通过基于脉冲宽度调制（PWM）技术的开关动作实现。电源和负载间的装置以一定的比率开通和关断来控制平均电压。通过在不同的时刻开通逆变器电路的不同开关元件来控制输出正弦波的某部分为正或是负。PWM控制整个过程中正弦波的幅值。

PWM技术通过调整输出的导通时间控制输出电压。该技术使用了不同长度的快速脉冲，又被称为占空比，使得平均输出电压成为输入电压的一小部分。输出电压的幅值与接通电源的时间成比例。

实例

快速接通和关断一个9V电池，使其仅接通1/3的时间。则平均输出电压（通过用电容器平滑输出电压近似计算）为输入电压的1/3。因此，输出电压为3V（图7.2）。

逆变器采用PWM技术来改变输出电压，并产生所需频率的正弦波（图7.3）。输出通常经过电子滤波器以平滑输出。逆变器中可多次用到PWM。

7.1.2　逆变器电压控制：直流-直流变换器和变压器

所需输出电压由直流-直流变换器或变压器实现。

（1）直流-直流变换器。直流-直流变换器用于改变直流信号的电压。它们是使用开关和储能元件（电容器和/或电感器）组合的开关电源。当电压匹配时，可使用开关将其变换为交流信号（7.1.1节）。

（2）变压器。变压器可用于改变交流信号的电压。变压器实质上是两个线圈绕制在一个共同的磁芯上。交流输入电流流过原边绕组并产生电磁场，该电磁场在副边绕组中生成交流输出电压，连接负载时便产生交流电流。输出电压和输入电压之比与原边绕组和副边绕组的圈数之比相同。变压器还实现了原边和副边之间的电气隔离。

电压匹配可在开关变换之前或之后进行，这取决于逆变器的类型。每种类型逆变器的优缺点参见7.3.2节。

7.1.3　逆变器控制系统

逆变器的交流输出在并网时必须与交流电网的电压和频率相同。这可以通过使用交流电网信号控制直流到交流的变换（自然换向）来实现，或者通过独立控制直流到交流的变换并将交流电网信号用作参考（自换向）实现。

1.自然换向逆变器

自然换向逆变器使用了由电网交流信号控制的晶闸管（电触发开关）。晶闸管组成桥式电路根据电网交流信号的极性改变输出极性（图7.4和图7.5）。

自然换向逆变器由电网控制，其优点是输出与电网同步。然而，自然换向逆变器输出方波（图7.4和图7.5），这意味着需要显著的滤波以平滑输出至正弦。自然换向逆变器通常已不再使用。

图7.4中，电气原理图显示光伏组件连接到由4个晶闸管（1～4）组成的全桥电路拓扑的自然换向逆变器。当电网输入信号为正时，晶闸管1和4导通，晶闸管2和3关断，电流通过线1（L1）流出，经由中线（N）流回，产生正向方波输出曲线。

图7.5中，电气原理图显示光伏组件连接到具有4个晶闸管（1～4）的自然换向逆变器。当电网输入信号为负时，晶闸管1和4关断，晶闸管2和3导通，且电流通过N线出，经由线L1（左侧）流回，产生了负向方波输出曲线。

2.自换向逆变器

自换向逆变器由微处理器控制，而不是电网交流信号。它们使用半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或绝缘栅双极晶体管（IGBT），替代晶闸管并使用PWM生成正弦波。一个自换向逆变器并网时仍必须参考交流电网信号，以确保输出波形同步。

自换向逆变器包含半导体开关和二极管[图7.6（a）]。半导体开关使用PWM（7.1.1节）获得合成正弦波，在某些开关关断的短暂时刻使用了二极管导通电流。得到的输出是一个与电网兼容的正弦波[图7.6（b）]。

产生正弦波的快速开关动作会造成电磁干扰（EMI）；因此，逆变器需要使用滤波电路来满足国际要求的电磁干扰准则。

图7.6电气原理图显示了光伏组件连接至半桥自换向逆变器，电流流动指向正半周期（T1开关导通）和负半周期（T2开关导通）。图7.6（c）显示了半导体开关的PWM输出和生成的电压波形。

要点

隔离型逆变器：包含低频变压器或高频变压器的逆变器。

非隔离型逆变器：使用直流开关电路而不是变压器进行电压转换的逆变器。

图7.7非隔离型逆变器的标准符号也可用于表示任何类型的逆变器。在IEC 62548中也定义了隔离型逆变器的特殊符号。