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并网逆变器
阅读:366时间:2018-11-26 15:10:35

    并网逆变器(grid-tie inverter,简称GTI)是一种特殊的逆变器,除了可以将直流电转换成交流电外,其输出的交流电可以与市电的频率及相位同步,因此输出的交流电可以回到市电。并网逆变器常用在一些直流电压源(如太阳能板或是小型风力发电机)和电网连接的应用中。

简介

   并网逆变器(grid-tie inverter,简称GTI)是一种特殊的逆变器,除了可以将直流电转换给交流电外,其输出的交流电可以和和市电的频率及相位同步,因此输出的交流电可以回到市电。并网逆变器常用在一些直流电压源(如太阳能板或是小型风力发电机)和电网连接的应用中。
   在许多国家,有并网电力系统的住家或是公司,可以将其产生的电力再卖给电力公司。输送回电网的电力有几种不同的补贴方式。净计量电价是指有可再生能源设备的住家或公司,依其送回电网的净能量来领取补贴,例如某一个月,一个住家送回电网的电力为500千瓦-小时,而从电网用的电力为100千瓦-小时,则依400千瓦-小时来领取补贴。在美国,净能量的政策会依司法管辖区不同而不同。另一种政策是上网电价补贴政策,产生每一千瓦-小时的电依照和输电公司所订契约中列的补贴方式来进行补贴。
   在美国,并网能源系统是在国家电气规范(NEC)管理范围以内,因此会对并网逆变器有一些强制性的要求。

典型的运作方式

   逆变器会将直流电源转换为交流电源,以便送回电网。并网逆变器的输出电压的频率需和电网频率(50或60Hz)相同,一般会用机器中的振荡器达成,并且也会限制输出电压不超过电网电压。现代高品质的并网逆变器,其输出的功率因素可以为1,表示其输出的电压及电流相位是相同旳,和电网电压之间的相位差在1度以内。逆变器中有微处理器可以感测电网的交流波形,并且依此波形来产生电压送回电网。不过送回电网的电需有一定比例的无功功率,使附近电网的电力在允许的限制范围内,否则,若某一区域电网的再生能源比例较高,在高电能产出的时候(例如中午)其电压可能会上升的太高。
   若电网的电力断电时,并网逆变器需要快速的和电网离线。这是美国国家电气规范(NEC)的规定,以确保在电网断电时,并网逆变器也不会提供电力给电网,此时维修电网的工人才不会因此而触电。
   若适当的配置,并网逆变器可以让一个家庭可以使用其自行发电的替代能源(例如太阳能或是风力发电),而不需要繁杂的配线,也不需要电池。若是替代能源不足,不足的部分仍然会用电网的电来提供。

技术

   并网逆变器架构有使用较新的高频变压器、传统的工频变压器,或是无变压器的逆变器架构。高频变压器不是直接提供120 V或240 V的AC电源,而是有电脑控制的多步程式,让电源转换为高频的交流电,再转换为直流电,最后再转换为电源需要的电压及频率。无变压器的逆变器比有变压器的逆变器要轻,其效率也较好,在欧洲很流行。不过因为直流电路和交流电路之间没有的电隔离,担心有故障时,直流端的短路电流会直接跳入市电电路,因此较晚才进入美国市场。不过从2005年起,美国消防协会(NFPA)的国家电气规范已取消了所有太阳能系统都需要负端接地的规定,并加上新的安全要求,因此允许无变压器(或是无电隔离)的逆变器进入美国市场。VDE 0126-1-1及IEC 6210也已允许及定义这类系统需要的安全机制。首先,需要有残留电流或是接地电路以检测异常短路的情形,并且也要进行绝缘测试以确认直流电路与交流电路之间的分离。

特性

   逆变器会针对其产品线印制资料表。各厂家资料表中的用词及内容可能会有所不同,但一般会包括以下内容:
   额定输出功率(Rated output power):单位可以是瓦特或是千瓦。有些逆变器可能会针对不同的输出电压有不同的额定输出功率。例如逆变器可以设定在240VAC或208VAC输出,两者的额定输出功率就会不同。
   输出电压(Output voltage):是指逆变器可以连接的电网电压。若是小型的家用并网逆变器,其输出电压多半会是240VAC。若是商用的逆变器,其电压会是208, 240, 277, 400, 480 或600VAC,而且可能会是三相输出。
   峰值效率(Peak efficiency):峰值效率是指逆变器可以输出的最佳效率(效率是以其输出交流电功率除以逆变器输入的直流电功率)。在2009年7月时,大部分市面上的并网逆变器峰值效率可以到94%,有些可以高到96%。其散失的能量主要是散失为热能。为了让逆变器输出到额定功率,其输入的电功率需大于额定功率。例如5000W逆变器其满功率时效率为95%,因此需要5,263W的输入功率(额定功率除以效率)。若逆变器可以在数个不同电压下输出电能,也会在各电压下有其峰值效率。
   CEC加权效率(CEC weighted efficiency):此效率的计算方式是加州能源委员会(CEC)在其GoSolar网站公布的算法为主。和峰值效率不同,CEC加权效率是平均效率,比较可以表示逆变器在运作时的情形。若逆变器可以在数个不同电压下输出电能,也会在各电压下有其CEC加权效率。
   最大输入电流(Maximum input current):是逆变器可以使用的最大直流电流。若系统(例如太阳能电池)输出的电流超过此一上限,逆变器无法使用此一电流。
   最大输出电流(Maximum output current):是指逆变器可以连续提供的最大交流电流。此数值一般会用来确认过电流保护设备(保险丝或无熔丝开关)的最小电流额定,以及将电路断开相关设备的最小电流额定。若逆变器可以在数个不同的交流电压下输出,也有可能在各电压有不同的最大输出电流。
   峰值功率追踪电压(Peak power tracking voltage):这表示逆变器的最大功率点追踪(MPPT)可以运作的直流电压范围。系统设计者需确认系统的串接已经过优化,在一年的大多数时间,串接后产生的电压是在上述范围内。因为电压可能会波动,而且会随着温度而变化,这可能是个困难的工作。
   启动电压(Start voltage):不是所有的逆变器都会标示此项数值,此数值是指逆变器要启动及开始运转需要的最低直流电压,在太阳能的应用下格外重要,因为系统设计者需确认已有够多的光伏模组串联,其电压可以超过启动电压。若厂商未标示此一数值,系统设计者一般会以峰值功率追踪电压的下限为逆变器的最低电压。
   国际防护等级认证(IPxx rating):防护等级或是IP编号分类是针对产品有关固体异物(在防护等级的第1码表示)以及水(在防护等级的第2码表示)的防护能力。数字越大表示防护能力越好。美国的NEMA外壳类型用途也是类似国际防护等级。大部分用在室外逆变器是IP45(不防尘)或IP65 (防尘),或者在美国则是NEMA 3R(无扬尘保护)或是NEMA 4X(防尘、防直接溅水,及额外的防腐蚀保护)。

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