光伏发电系统并网逆变及低压侧电网接入技术

光伏发电系统并网逆变及低压侧电网接入技术

2010年09月本文档共54页；当前第1页；编辑于星期三\20点56分目录

一、目前市场上光伏逆变器的技术状况二、孤岛效应及MPPT三、并网逆变器可靠性设计和技术指标四、光伏发电系统低压侧并网概念五、光伏发电系统低压侧并网特点六、光伏发电系统低压侧并网方案七、冠亚电源公司及产品介绍本文档共54页；当前第2页；编辑于星期三\20点56分一、目前市场上光伏逆变器的技术状况本文档共54页；当前第3页；编辑于星期三\20点56分光伏并网逆变器将光伏电池发出的直流电变换为与电网同步的交流电并馈送电网并网逆变器是连接光伏方阵和电网的关键部件，它完成控制光伏方阵最大功率点运行和向电网注入正弦电流两大主要任务光伏方阵逆变器计量装置汇流装置本文档共54页；当前第4页；编辑于星期三\20点56分从专业的角度看逆变器需要满足以下要求：合理的电路结构严格筛选的元器件具备输入直流极性反接、交流输出短路、过热过载等各种保护功能具有可靠的孤岛检测和很高的MPPT精度控制具有较宽的直流输入电压适应范围。由于光伏方阵的端压以及最大功率点随日照强度温度等因素而变化，因此逆变器必须能在较宽的直流输入电压范围内正常工作，且保证交流输出电压的稳定尽量减少中间环节(如蓄电池等)的使用，以节约成本、提高效率成本低效率高寿命长安全性本文档共54页；当前第5页；编辑于星期三\20点56分目前市场上的逆变器技术大至分为以下七种拓扑：（1）先升压再逆变图1-1图1-1前级为单boost升压电路，后级为全桥逆变结构。由于升压部分受升压倍数和功率限制，此拓扑结构逆变电路特别适合小型、单相并网逆变器，而且适合直流电压较低系统优点：效率较高，可高达98%，成本低，结构简单，体积小，质量轻缺点：由于输入输出不隔离，对系统的绝缘、系统接地及人员安全造成不利增加对输出直流分量的检测，防止直流分量注入电网另外，前级有的为双boost升压电路本文档共54页；当前第6页；编辑于星期三\20点56分双Boost电路图1-2图1-2拓扑表示的是双Boost电路，采用这种拓扑的变换器主要有以下优点：（1）与传统的升压变换器相比，电感减小一半；（2）开关管的电流等级减小一半；（3）明显降低了输入电流的谐波；（4）有效解决了二极管反向恢复电流的冲击问题；（5）简化了输出的直流滤波电路，提高了直流输出质量。本文档共54页；当前第7页；编辑于星期三\20点56分（2）直接逆变输出图1-3

图1-3表示的拓扑前级去除了boost升压电路优点：与第一种拓扑相比，结构更加简单，成本更低，体积更小，质量更轻，效率更高甚至高达99%，因为这种逆变器输入直流电压较高。直流电压较高决定了通态损耗较低，而且无变压器；缺点：与第一种拓扑相比必须要有较高的串联电压，从而限制了逆变器输入电压范围。另外要求逆变器功率相对较大。容易引入直流分量,要增加对输出直流分量的检测，防止直流分量注入电网本文档共54页；当前第8页；编辑于星期三\20点56分（3）带高频变压器隔离先逆变升压整流再逆变输出

图1-4拓扑结构先逆变升压整流，在较高直流下再逆变输出优点：具有较高的效率可达96%，体积小，质量轻，成本较低，不影响系统接地缺点：输出要加直流分量检测，控制直流分量以避免注入电网，由于受高频变压器磁芯等影响只能用于小型逆变器的使用图1-4本文档共54页；当前第9页；编辑于星期三\20点56分（4）先逆变再升压隔离输出图1-5图1-5表示的拓扑在并网逆变器中使用较广优点：不影响系统接地、系统绝缘、不需要交流输出侧的直流分量检测与控制缺点：由于在相对较低直流电压下逆变，开关损耗以及通态损耗较高，加之工频变压器的损耗使得逆变器整体效率较低，最高约为96%本文档共54页；当前第10页；编辑于星期三\20点56分（5）直接逆变输出经电力变压器升压馈入高压电网图-1-6图1-6表示的拓扑在大型并网系统中有较多应用如：大型并网逆变器直流输入为440V～900V440×0.612≈270V电力变压器匝比可做成270V/10KV等优点：可大大提高并网效率和节约成本同时便于用于当地选择适合电网要求的变压器。本文档共54页；当前第11页；编辑于星期三\20点56分优点：由于具有多个DC-DC电路即具有不同的MPPT输入回路，适合多个不同倾斜面方阵或不同组件接入，克服了由于太阳电池组件参数的离散性或太阳辐射条件的差异会造成太阳电池组件并联情况下能量损失，可以增加系统的发电量在3%-10%。十分适合应用于光伏建筑项目缺点：由于输入输出不隔离，对系统的绝缘、系统接地及人员安全造成不利增加对输出直流分量的检测，防止直流分量注入电网（6）多路MPPT输入逆变器本文档共54页；当前第12页；编辑于星期三\20点56分（7）主从逆变单元结构的逆变系统本文档共54页；当前第13页；编辑于星期三\20点56分优点：提高系统运行效率，空载损耗较小。根据光照强弱，群控器自动逐台投切，控制投入运行电源的数量，使每台电源在较高的负载率下运行，有效提高系统的效率。提高系统的寿命可根据光照情况，合理选择某台（某部分）投入运行，系统的单台可进行轮休(循环工作)。缺点：该系统通过直流母线将整个方阵并在一起，太阳电池组件参数的离散性或太阳辐射条件的差异会造成方阵在并联情况下能量的损失。这种差异在太阳能光伏电站刚建好时可能不大，随着使用时间的延长，差异会越来越大。这种损失在大型太阳能光伏电站，特别是在BIPV项目中可能达到5%左右。本文档共54页；当前第14页；编辑于星期三\20点56分逆变器的输入和输出之间采用电气隔离装置（隔离变压器）作用：1、人员安全隐患：方阵一端不能够做接地保护，操作安全隐患很大；

2、设备安全隐患：直流电可能窜入交流电网，交流电也可能窜入方阵；

3、方阵的对地电容无法释放，存在隐患。一个让人来使用的工业产品，从来都不是效率第一，而应该是安全第一。

在当前器件材料没有重大突破情况下，当标示的光伏并网逆变电源效率高达97%~98%时，一定是以下两种情况：

输入与输出没有电气隔离装置；

在计算效率时，把输出到电网的无功功率也计入分析，从而得到的数值很高。

本文档共54页；当前第15页；编辑于星期三\20点56分二、孤岛效应及MPPT本文档共54页；当前第16页；编辑于星期三\20点56分孤岛效应及其危害孤岛效应是指光伏并网逆变器构成的局部电网从主电网脱离出来，并且在此局部电网中光伏并网逆变器持续给负载供电的一种电气现象。本文档共54页；当前第17页；编辑于星期三\20点56分孤岛效应现象会产生比较严重的后果：1）孤岛中的电压和频率无法控制，可能会用电设备造成损坏；2）孤岛中的线路仍然带电，会对维修人员造成人身危险；3）当电网恢复正常时有可能造成非同相合闸，导致线路再次跳闸，对光伏并网逆变器和其他用电设备造成损坏；4）孤岛效应时，若负载容量与光伏并网器容量不匹配，会造成对逆变器的损坏。从用电安全与电能质量考虑，孤岛效应是不允许出现的；孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器，由此引出了对于孤岛效应进行检测控制的研究。本文档共54页；当前第18页；编辑于星期三\20点56分孤岛效应的检测一般分成被动式与主动式。1）被动式检测是利用电网监测状态(如电压、频率、相位等)作为判断电网是否故障的依据。如果电网中负载正好与逆变器输出匹配，被动法将无法检测到孤岛的发生。2）主动检测法则是通过电力逆变器定时产生干扰信号，以观察电网是否受到影响作为判断依据，如脉冲电流注入法、输出功率变化检测法、主动频率偏移法和滑模频率偏移法等。3）它们在实际并网逆变器中都有所应用，但也存在着各自的不足。当电压幅值和频率变化范围小于某一值时，频率偏移法无法检测到孤岛效应，即存在“检测盲区。4）电网阻抗检测法，当电网的阻抗发生突变或变得比较大时，则认为发生了孤岛。但要结合被动式和主动式检测。5）研究多逆变器的并网通信、协同控制已成为其孤岛效应检测与控制的研究趋势。本文档共54页；当前第19页；编辑于星期三\20点56分图2-2MPPT寻优曲线由于光伏方阵的最大功率点是一个变量，因而采用自寻优算法进行最大功率点跟踪（MPPT）。这种算法对方阵当前输出电压与电流的检测，得到当前方阵的输出功率，再与已被存储的前一时刻方阵功率相比较，舍小取大，不断检测，比较，寻优，如图2-2所示。本文档共54页；当前第20页；编辑于星期三\20点56分图2-1硅电池伏安特性曲线图最大功率跟踪点（MPPT）本文档共54页；当前第21页；编辑于星期三\20点56分光伏方阵是有多个太阳能电池组合而成，硅太阳电池方阵具有图2-1所示的伏安特性。可是光伏方阵具有类似于“电流源”特性。在不同的日射强度下，它与负载特性L的交点，如a、b、c、d、e等为当前的工作点。然而这些工作点并不正好落在方阵可能提供的最大功率点上，如a′、b′、c′、d′、e′上，这就不能充分利用在当前日射下方阵所能提供的最大功率。如果我们采用控制的方法，使光伏方阵一直工作在最大功率点上，这时光伏方阵能量利用率将最大。研究表明影响最大功率点的主要因素除材料工艺外，还有环境温度，以常规单晶硅太阳能电池为例，当环境温度每升高1摄氏度时，其开路电压下降率约为0.35%～0.45%。本文档共54页；当前第22页；编辑于星期三\20点56分基于导纳最优法的MPPT系统由于光伏电池在不同的工作条件下其输出电能具有不同的伏安特性，呈非线性特征，因而需要对光伏电池的输出最大功率点进行跟踪，使其输出电能始终工作在最大功率上，以最大限度地利用太阳能，这对光伏系统的稳定高效工作起到至关重要的作用。MPPT（MaxPowerPointerTracking）是当前采用较为广泛的一种光伏阵列功率点控制方式。这种方式实时调整发电系统的输出电流，来跟踪最大功率点。由于太阳能光伏组件U-I强烈的非线性和受温度的影响很大，这样就使得实现MPPT变得非常复杂，而目前日本、美国和欧洲主要采用电导增量法(IncrementalConductanceAlgorithms)，国内主要采用的是扰动观察法P&O（Perturb&ObserveAlgorithms）、模糊逻辑控制和最优梯度法，但是上述方法在控制精度、稳定性和运算难度方面均有不足，在实际运用中，要么对硬件要求高，要么出现程序失序现象，不能保证MPPT系统的正常运行。本文档共54页；当前第23页；编辑于星期三\20点56分我们结合电导增量法，和模糊控制法的优点，自主研发了导纳最优法，建立模糊化的传递函数和反模糊化判决。通过光伏阵列P-U曲线求出光伏方阵Pmax，快速跟随电压电平变化，不要求很复杂化的算法，能够快速追踪太阳能电池最大功率，并可以很好地适应各种场合对光伏系统MPPT控制的要求，试验证明此方法，较电导增量法具有更好的兼容不同系统和快速等效果。经过大量的实验与测试，显示其实时性和动态性能非常好，而且跟踪稳定，不会出现误判现象，跟踪精度高达99%。在大型光伏电站系统设计应用中应采用分布式MPPT技术本文档共54页；当前第24页；编辑于星期三\20点56分三、并网逆变器可靠性设计和技术指标本文档共54页；当前第25页；编辑于星期三\20点56分1、并网逆变器原理（500KW为例）本文档共54页；当前第26页；编辑于星期三\20点56分2、可靠性设计1)元器件1.1IGBT模块具有较低的开关损耗和通态损耗，其饱和压降要低德国infineon（英飞凌）、西门康和日本三菱本文档共54页；当前第27页；编辑于星期三\20点56分1.2接触器由于光伏并网逆变器随太阳起落每天至少开通关断一次，所以对接触器开关次数有较高要求，而且还需要接触器具有灭弧功能，防止开起关断时起电弧，影响寿命和安全性。采用品牌接触器。本文档共54页；当前第28页；编辑于星期三\20点56分1.3空开由于大功率光伏并网逆变器直流侧电压较高，而且电流较大，在合闸和分断时会产生电弧，直流系列空气开关应具有较高的耐压和灭弧功能。本文档共54页；当前第29页；编辑于星期三\20点56分1.4电抗器电抗器主要起滤波和与电网匹配作用，设计时要充分考虑漏抗绕阻电容，峰值磁通密度，直流绕阻电阻，高频交流电阻，交流与直流铜损、铁损和温升，可有效抑制直流分量和电流谐波。本文档共54页；当前第30页；编辑于星期三\20点56分1.5母线电容光伏并网逆变器寿命和可靠性很大一方面在于电解电容，应采用品牌电容，且具有充放电次数高，工作寿命可达10万小时以上。本文档共54页；当前第31页；编辑于星期三\20点56分1.6散热风机逆变器在工作过程中功率IGBT会产生开关损耗和通态损耗，最终以热能传输到散热器，不能及时散热对逆变器的寿命和效率危害较大（高温产生元器件老化加快，且功率器件是负温度特性，PN结温度越高饱和压降越大，产生的损耗功率越大），所以及时可靠散热非常重要。滚筒风机具有风量大、寿命长、低噪声等优点。本文档共54页；当前第32页；编辑于星期三\20点56分1.7防雷器防雷器可有效防止雷电及线路产生的浪涌，确保设备不受损坏。可热插拔式防雷器件，可在不断电、不影响设备正常运行的情况下进行检修和更换。本文档共54页；当前第33页；编辑于星期三\20点56分1.8DSP芯片采用32为数字信号处理器作为控制CPU(DSP数字技术)，运用SPWM调制策略，经过优化的最大功率点跟踪技术保证设备的高效输出最大功率点跟踪（MPPT）效率>99.99%。本文档共54页；当前第34页；编辑于星期三\20点56分四、光伏发电系统低压侧并网概念本文档共54页；当前第35页；编辑于星期三\20点56分本文档共54页；当前第36页；编辑于星期三\20点56分1、光伏发电系统直接接入400V及以下电网2、即发即用直接和低压侧电网及负载发生联系3、节约了中高压配电成本及中高压电力变压器成本4、和中高压系统相比，节省了升压变压器损耗及远程距离传输损耗5、利用现有配电变压器，分摊了变压器损耗6、可节省光伏并网发电系统设计施工时间7、可分为逆流系统和不可逆流系统本文档共54页；当前第37页；编辑于星期三\20点56分五、光伏发电系统低压侧并网特点及要求本文档共54页；当前第38页；编辑于星期三\20点56分由于低压侧并网（或用户侧并网），所以设计运用低压侧并网接入的光伏发电系统应充分考虑人的安全、分布式负载的安全、电网的安全、低压配电系统的安全、光伏发电系统的安全。本文档共54页；当前第39页；编辑于星期三\20点56分传导干扰，辐射干扰：电网对逆变器产生传导干扰：反灌杂音、电压闪变，电气噪声，浪涌电压、高频分量等。要求逆变器高性能正常工作。逆变器对于电网产生的传导干扰：电流谐波，电压闪变、直流分量、高频分量、无功功率等。要求逆变器具有严格的技术参数指标，必须达到权威机构的检测和认证。逆变器对于空间的辐射干扰：要求逆变器内部电路结构、PCB板及屏蔽结构设计严密，必须符合相关标准。1）电磁兼容本文档共54页；当前第40页；编辑于星期三\20点56分2）绝缘和隔离尽可能选择有输出隔离变压器的逆变设备直流、交流侧配有分断开关具有较高绝缘电压和绝缘电阻本文档共54页；当前第41页；编辑于星期三\20点56分3）并网接入点选择和接入容量设计就近并网（节约电缆及配电设备）接入点配电变压器容量尽可能的大光伏容量选取在总配电变压器容量的30%以内接入点负载要能足以消化光伏电力众多光伏发电接入时，要考虑孤岛保