光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變及低壓側(cè)電網(wǎng)接入技術

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變及低壓側(cè)電網(wǎng)接入技術

2010年09月本文檔共54頁；當前第1頁；編輯于星期三\20點56分目錄

一、目前市場上光伏逆變器的技術狀況二、孤島效應及MPPT三、并網(wǎng)逆變器可靠性設計和技術指標四、光伏發(fā)電系統(tǒng)低壓側(cè)并網(wǎng)概念五、光伏發(fā)電系統(tǒng)低壓側(cè)并網(wǎng)特點六、光伏發(fā)電系統(tǒng)低壓側(cè)并網(wǎng)方案七、冠亞電源公司及產(chǎn)品介紹本文檔共54頁；當前第2頁；編輯于星期三\20點56分一、目前市場上光伏逆變器的技術狀況本文檔共54頁；當前第3頁；編輯于星期三\20點56分光伏并網(wǎng)逆變器將光伏電池發(fā)出的直流電變換為與電網(wǎng)同步的交流電并饋送電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器是連接光伏方陣和電網(wǎng)的關鍵部件，它完成控制光伏方陣最大功率點運行和向電網(wǎng)注入正弦電流兩大主要任務光伏方陣逆變器計量裝置匯流裝置本文檔共54頁；當前第4頁；編輯于星期三\20點56分從專業(yè)的角度看逆變器需要滿足以下要求：合理的電路結構嚴格篩選的元器件具備輸入直流極性反接、交流輸出短路、過熱過載等各種保護功能具有可靠的孤島檢測和很高的MPPT精度控制具有較寬的直流輸入電壓適應范圍。由于光伏方陣的端壓以及最大功率點隨日照強度溫度等因素而變化，因此逆變器必須能在較寬的直流輸入電壓范圍內(nèi)正常工作，且保證交流輸出電壓的穩(wěn)定盡量減少中間環(huán)節(jié)(如蓄電池等)的使用，以節(jié)約成本、提高效率成本低效率高壽命長安全性本文檔共54頁；當前第5頁；編輯于星期三\20點56分目前市場上的逆變器技術大至分為以下七種拓撲：（1）先升壓再逆變圖1-1圖1-1前級為單boost升壓電路，后級為全橋逆變結構。由于升壓部分受升壓倍數(shù)和功率限制，此拓撲結構逆變電路特別適合小型、單相并網(wǎng)逆變器，而且適合直流電壓較低系統(tǒng)優(yōu)點：效率較高，可高達98%，成本低，結構簡單，體積小，質(zhì)量輕缺點：由于輸入輸出不隔離，對系統(tǒng)的絕緣、系統(tǒng)接地及人員安全造成不利增加對輸出直流分量的檢測，防止直流分量注入電網(wǎng)另外，前級有的為雙boost升壓電路本文檔共54頁；當前第6頁；編輯于星期三\20點56分雙Boost電路圖1-2圖1-2拓撲表示的是雙Boost電路，采用這種拓撲的變換器主要有以下優(yōu)點：（1）與傳統(tǒng)的升壓變換器相比，電感減小一半；（2）開關管的電流等級減小一半；（3）明顯降低了輸入電流的諧波；（4）有效解決了二極管反向恢復電流的沖擊問題；（5）簡化了輸出的直流濾波電路，提高了直流輸出質(zhì)量。本文檔共54頁；當前第7頁；編輯于星期三\20點56分（2）直接逆變輸出圖1-3

圖1-3表示的拓撲前級去除了boost升壓電路優(yōu)點：與第一種拓撲相比，結構更加簡單，成本更低，體積更小，質(zhì)量更輕，效率更高甚至高達99%，因為這種逆變器輸入直流電壓較高。直流電壓較高決定了通態(tài)損耗較低，而且無變壓器；缺點：與第一種拓撲相比必須要有較高的串聯(lián)電壓，從而限制了逆變器輸入電壓范圍。另外要求逆變器功率相對較大。容易引入直流分量,要增加對輸出直流分量的檢測，防止直流分量注入電網(wǎng)本文檔共54頁；當前第8頁；編輯于星期三\20點56分（3）帶高頻變壓器隔離先逆變升壓整流再逆變輸出

圖1-4拓撲結構先逆變升壓整流，在較高直流下再逆變輸出優(yōu)點：具有較高的效率可達96%，體積小，質(zhì)量輕，成本較低，不影響系統(tǒng)接地缺點：輸出要加直流分量檢測，控制直流分量以避免注入電網(wǎng)，由于受高頻變壓器磁芯等影響只能用于小型逆變器的使用圖1-4本文檔共54頁；當前第9頁；編輯于星期三\20點56分（4）先逆變再升壓隔離輸出圖1-5圖1-5表示的拓撲在并網(wǎng)逆變器中使用較廣優(yōu)點：不影響系統(tǒng)接地、系統(tǒng)絕緣、不需要交流輸出側(cè)的直流分量檢測與控制缺點：由于在相對較低直流電壓下逆變，開關損耗以及通態(tài)損耗較高，加之工頻變壓器的損耗使得逆變器整體效率較低，最高約為96%本文檔共54頁；當前第10頁；編輯于星期三\20點56分（5）直接逆變輸出經(jīng)電力變壓器升壓饋入高壓電網(wǎng)圖-1-6圖1-6表示的拓撲在大型并網(wǎng)系統(tǒng)中有較多應用如：大型并網(wǎng)逆變器直流輸入為440V～900V440×0.612≈270V電力變壓器匝比可做成270V/10KV等優(yōu)點：可大大提高并網(wǎng)效率和節(jié)約成本同時便于用于當?shù)剡x擇適合電網(wǎng)要求的變壓器。本文檔共54頁；當前第11頁；編輯于星期三\20點56分優(yōu)點：由于具有多個DC-DC電路即具有不同的MPPT輸入回路，適合多個不同傾斜面方陣或不同組件接入，克服了由于太陽電池組件參數(shù)的離散性或太陽輻射條件的差異會造成太陽電池組件并聯(lián)情況下能量損失，可以增加系統(tǒng)的發(fā)電量在3%-10%。十分適合應用于光伏建筑項目缺點：由于輸入輸出不隔離，對系統(tǒng)的絕緣、系統(tǒng)接地及人員安全造成不利增加對輸出直流分量的檢測，防止直流分量注入電網(wǎng)（6）多路MPPT輸入逆變器本文檔共54頁；當前第12頁；編輯于星期三\20點56分（7）主從逆變單元結構的逆變系統(tǒng)本文檔共54頁；當前第13頁；編輯于星期三\20點56分優(yōu)點：提高系統(tǒng)運行效率，空載損耗較小。根據(jù)光照強弱，群控器自動逐臺投切，控制投入運行電源的數(shù)量，使每臺電源在較高的負載率下運行，有效提高系統(tǒng)的效率。提高系統(tǒng)的壽命可根據(jù)光照情況，合理選擇某臺（某部分）投入運行，系統(tǒng)的單臺可進行輪休(循環(huán)工作)。缺點：該系統(tǒng)通過直流母線將整個方陣并在一起，太陽電池組件參數(shù)的離散性或太陽輻射條件的差異會造成方陣在并聯(lián)情況下能量的損失。這種差異在太陽能光伏電站剛建好時可能不大，隨著使用時間的延長，差異會越來越大。這種損失在大型太陽能光伏電站，特別是在BIPV項目中可能達到5%左右。本文檔共54頁；當前第14頁；編輯于星期三\20點56分逆變器的輸入和輸出之間采用電氣隔離裝置（隔離變壓器）作用：1、人員安全隱患：方陣一端不能夠做接地保護，操作安全隱患很大；

2、設備安全隱患：直流電可能竄入交流電網(wǎng)，交流電也可能竄入方陣；

3、方陣的對地電容無法釋放，存在隱患。一個讓人來使用的工業(yè)產(chǎn)品，從來都不是效率第一，而應該是安全第一。

在當前器件材料沒有重大突破情況下，當標示的光伏并網(wǎng)逆變電源效率高達97%~98%時，一定是以下兩種情況：

輸入與輸出沒有電氣隔離裝置；

在計算效率時，把輸出到電網(wǎng)的無功功率也計入分析，從而得到的數(shù)值很高。

本文檔共54頁；當前第15頁；編輯于星期三\20點56分二、孤島效應及MPPT本文檔共54頁；當前第16頁；編輯于星期三\20點56分孤島效應及其危害孤島效應是指光伏并網(wǎng)逆變器構成的局部電網(wǎng)從主電網(wǎng)脫離出來，并且在此局部電網(wǎng)中光伏并網(wǎng)逆變器持續(xù)給負載供電的一種電氣現(xiàn)象。本文檔共54頁；當前第17頁；編輯于星期三\20點56分孤島效應現(xiàn)象會產(chǎn)生比較嚴重的后果：1）孤島中的電壓和頻率無法控制，可能會用電設備造成損壞；2）孤島中的線路仍然帶電，會對維修人員造成人身危險；3）當電網(wǎng)恢復正常時有可能造成非同相合閘，導致線路再次跳閘，對光伏并網(wǎng)逆變器和其他用電設備造成損壞；4）孤島效應時，若負載容量與光伏并網(wǎng)器容量不匹配，會造成對逆變器的損壞。從用電安全與電能質(zhì)量考慮，孤島效應是不允許出現(xiàn)的；孤島發(fā)生時必須快速、準確地切除并網(wǎng)逆變器，由此引出了對于孤島效應進行檢測控制的研究。本文檔共54頁；當前第18頁；編輯于星期三\20點56分孤島效應的檢測一般分成被動式與主動式。1）被動式檢測是利用電網(wǎng)監(jiān)測狀態(tài)(如電壓、頻率、相位等)作為判斷電網(wǎng)是否故障的依據(jù)。如果電網(wǎng)中負載正好與逆變器輸出匹配，被動法將無法檢測到孤島的發(fā)生。2）主動檢測法則是通過電力逆變器定時產(chǎn)生干擾信號，以觀察電網(wǎng)是否受到影響作為判斷依據(jù)，如脈沖電流注入法、輸出功率變化檢測法、主動頻率偏移法和滑模頻率偏移法等。3）它們在實際并網(wǎng)逆變器中都有所應用，但也存在著各自的不足。當電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時，頻率偏移法無法檢測到孤島效應，即存在“檢測盲區(qū)。4）電網(wǎng)阻抗檢測法，當電網(wǎng)的阻抗發(fā)生突變或變得比較大時，則認為發(fā)生了孤島。但要結合被動式和主動式檢測。5）研究多逆變器的并網(wǎng)通信、協(xié)同控制已成為其孤島效應檢測與控制的研究趨勢。本文檔共54頁；當前第19頁；編輯于星期三\20點56分圖2-2MPPT尋優(yōu)曲線由于光伏方陣的最大功率點是一個變量，因而采用自尋優(yōu)算法進行最大功率點跟蹤（MPPT）。這種算法對方陣當前輸出電壓與電流的檢測，得到當前方陣的輸出功率，再與已被存儲的前一時刻方陣功率相比較，舍小取大，不斷檢測，比較，尋優(yōu)，如圖2-2所示。本文檔共54頁；當前第20頁；編輯于星期三\20點56分圖2-1硅電池伏安特性曲線圖最大功率跟蹤點（MPPT）本文檔共54頁；當前第21頁；編輯于星期三\20點56分光伏方陣是有多個太陽能電池組合而成，硅太陽電池方陣具有圖2-1所示的伏安特性?？墒枪夥疥嚲哂蓄愃朴凇半娏髟础碧匦?。在不同的日射強度下，它與負載特性L的交點，如a、b、c、d、e等為當前的工作點。然而這些工作點并不正好落在方陣可能提供的最大功率點上，如a′、b′、c′、d′、e′上，這就不能充分利用在當前日射下方陣所能提供的最大功率。如果我們采用控制的方法，使光伏方陣一直工作在最大功率點上，這時光伏方陣能量利用率將最大。研究表明影響最大功率點的主要因素除材料工藝外，還有環(huán)境溫度，以常規(guī)單晶硅太陽能電池為例，當環(huán)境溫度每升高1攝氏度時，其開路電壓下降率約為0.35%～0.45%。本文檔共54頁；當前第22頁；編輯于星期三\20點56分基于導納最優(yōu)法的MPPT系統(tǒng)由于光伏電池在不同的工作條件下其輸出電能具有不同的伏安特性，呈非線性特征，因而需要對光伏電池的輸出最大功率點進行跟蹤，使其輸出電能始終工作在最大功率上，以最大限度地利用太陽能，這對光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定高效工作起到至關重要的作用。MPPT（MaxPowerPointerTracking）是當前采用較為廣泛的一種光伏陣列功率點控制方式。這種方式實時調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流，來跟蹤最大功率點。由于太陽能光伏組件U-I強烈的非線性和受溫度的影響很大，這樣就使得實現(xiàn)MPPT變得非常復雜，而目前日本、美國和歐洲主要采用電導增量法(IncrementalConductanceAlgorithms)，國內(nèi)主要采用的是擾動觀察法P&O（Perturb&ObserveAlgorithms）、模糊邏輯控制和最優(yōu)梯度法，但是上述方法在控制精度、穩(wěn)定性和運算難度方面均有不足，在實際運用中，要么對硬件要求高，要么出現(xiàn)程序失序現(xiàn)象，不能保證MPPT系統(tǒng)的正常運行。本文檔共54頁；當前第23頁；編輯于星期三\20點56分我們結合電導增量法，和模糊控制法的優(yōu)點，自主研發(fā)了導納最優(yōu)法，建立模糊化的傳遞函數(shù)和反模糊化判決。通過光伏陣列P-U曲線求出光伏方陣Pmax，快速跟隨電壓電平變化，不要求很復雜化的算法，能夠快速追蹤太陽能電池最大功率，并可以很好地適應各種場合對光伏系統(tǒng)MPPT控制的要求，試驗證明此方法，較電導增量法具有更好的兼容不同系統(tǒng)和快速等效果。經(jīng)過大量的實驗與測試，顯示其實時性和動態(tài)性能非常好，而且跟蹤穩(wěn)定，不會出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，跟蹤精度高達99%。在大型光伏電站系統(tǒng)設計應用中應采用分布式MPPT技術本文檔共54頁；當前第24頁；編輯于星期三\20點56分三、并網(wǎng)逆變器可靠性設計和技術指標本文檔共54頁；當前第25頁；編輯于星期三\20點56分1、并網(wǎng)逆變器原理（500KW為例）本文檔共54頁；當前第26頁；編輯于星期三\20點56分2、可靠性設計1)元器件1.1IGBT模塊具有較低的開關損耗和通態(tài)損耗，其飽和壓降要低德國infineon（英飛凌）、西門康和日本三菱本文檔共54頁；當前第27頁；編輯于星期三\20點56分1.2接觸器由于光伏并網(wǎng)逆變器隨太陽起落每天至少開通關斷一次，所以對接觸器開關次數(shù)有較高要求，而且還需要接觸器具有滅弧功能，防止開起關斷時起電弧，影響壽命和安全性。采用品牌接觸器。本文檔共54頁；當前第28頁；編輯于星期三\20點56分1.3空開由于大功率光伏并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓較高，而且電流較大，在合閘和分斷時會產(chǎn)生電弧，直流系列空氣開關應具有較高的耐壓和滅弧功能。本文檔共54頁；當前第29頁；編輯于星期三\20點56分1.4電抗器電抗器主要起濾波和與電網(wǎng)匹配作用，設計時要充分考慮漏抗繞阻電容，峰值磁通密度，直流繞阻電阻，高頻交流電阻，交流與直流銅損、鐵損和溫升，可有效抑制直流分量和電流諧波。本文檔共54頁；當前第30頁；編輯于星期三\20點56分1.5母線電容光伏并網(wǎng)逆變器壽命和可靠性很大一方面在于電解電容，應采用品牌電容，且具有充放電次數(shù)高，工作壽命可達10萬小時以上。本文檔共54頁；當前第31頁；編輯于星期三\20點56分1.6散熱風機逆變器在工作過程中功率IGBT會產(chǎn)生開關損耗和通態(tài)損耗，最終以熱能傳輸?shù)缴崞?，不能及時散熱對逆變器的壽命和效率危害較大（高溫產(chǎn)生元器件老化加快，且功率器件是負溫度特性，PN結溫度越高飽和壓降越大，產(chǎn)生的損耗功率越大），所以及時可靠散熱非常重要。滾筒風機具有風量大、壽命長、低噪聲等優(yōu)點。本文檔共54頁；當前第32頁；編輯于星期三\20點56分1.7防雷器防雷器可有效防止雷電及線路產(chǎn)生的浪涌，確保設備不受損壞?？蔁岵灏问椒览灼骷稍诓粩嚯?、不影響設備正常運行的情況下進行檢修和更換。本文檔共54頁；當前第33頁；編輯于星期三\20點56分1.8DSP芯片采用32為數(shù)字信號處理器作為控制CPU(DSP數(shù)字技術)，運用SPWM調(diào)制策略，經(jīng)過優(yōu)化的最大功率點跟蹤技術保證設備的高效輸出最大功率點跟蹤（MPPT）效率>99.99%。本文檔共54頁；當前第34頁；編輯于星期三\20點56分四、光伏發(fā)電系統(tǒng)低壓側(cè)并網(wǎng)概念本文檔共54頁；當前第35頁；編輯于星期三\20點56分本文檔共54頁；當前第36頁；編輯于星期三\20點56分1、光伏發(fā)電系統(tǒng)直接接入400V及以下電網(wǎng)2、即發(fā)即用直接和低壓側(cè)電網(wǎng)及負載發(fā)生聯(lián)系3、節(jié)約了中高壓配電成本及中高壓電力變壓器成本4、和中高壓系統(tǒng)相比，節(jié)省了升壓變壓器損耗及遠程距離傳輸損耗5、利用現(xiàn)有配電變壓器，分攤了變壓器損耗6、可節(jié)省光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設計施工時間7、可分為逆流系統(tǒng)和不可逆流系統(tǒng)本文檔共54頁；當前第37頁；編輯于星期三\20點56分五、光伏發(fā)電系統(tǒng)低壓側(cè)并網(wǎng)特點及要求本文檔共54頁；當前第38頁；編輯于星期三\20點56分由于低壓側(cè)并網(wǎng)（或用戶側(cè)并網(wǎng)），所以設計運用低壓側(cè)并網(wǎng)接入的光伏發(fā)電系統(tǒng)應充分考慮人的安全、分布式負載的安全、電網(wǎng)的安全、低壓配電系統(tǒng)的安全、光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全。本文檔共54頁；當前第39頁；編輯于星期三\20點56分傳導干擾，輻射干擾：電網(wǎng)對逆變器產(chǎn)生傳導干擾：反灌雜音、電壓閃變，電氣噪聲，浪涌電壓、高頻分量等。要求逆變器高性能正常工作。逆變器對于電網(wǎng)產(chǎn)生的傳導干擾：電流諧波，電壓閃變、直流分量、高頻分量、無功功率等。要求逆變器具有嚴格的技術參數(shù)指標，必須達到權威機構的檢測和認證。逆變器對于空間的輻射干擾：要求逆變器內(nèi)部電路結構、PCB板及屏蔽結構設計嚴密，必須符合相關標準。1）電磁兼容本文檔共54頁；當前第40頁；編輯于星期三\20點56分2）絕緣和隔離盡可能選擇有輸出隔離變壓器的逆變設備直流、交流側(cè)配有分斷開關具有較高絕緣電壓和絕緣電阻本文檔共54頁；當前第41頁；編輯于星期三\20點56分3）并網(wǎng)接入點選擇和接入容量設計就近并網(wǎng)（節(jié)約電纜及配電設備）接入點配電變壓器容量盡可能的大光伏容量選取在總配電變壓器容量的30%以內(nèi)接入點負載要能足以消化光伏電力眾多光伏發(fā)電接入時，要考慮孤島保