毕业论文——微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的应用研究

微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的应用研究摘 要微逆变器是小功率逆变器，它可以直接将每一块太阳电池组件输出的直流电转换成交流电。使用微逆变器的光伏发电系统由于各组件之间相互独立，因此它有可以减少因不匹配造成的功率损失，使光伏系统设计更加简单和灵活，而且没有高压部分也不需要使用直流设备，可以降低成本和提高安全性。纵观光伏并网逆变器的发展历程，高频化、小型化、智能化、模块化将是其主要发展方向之一，微逆变器因为其具有突出的系统扩展灵活、易于集成等突出优势，适用于小型光伏发电系统和建筑一体化光伏系统，有较好的发展前景。目前生产微逆变器的企业主要有美国Enphase公司、Enecsys、Direct Grid、EXENDIS，SMA，国内只有英伟力新能源公司推出了微逆变器产品。现在国内还没有光伏电站使用微逆变器，但随着小型光伏电站和光伏建筑一体化的发展，微逆变器将得到更广泛应用。为了解微逆变器的特点，掌握微逆变器在光伏发电系统的应用方法，我们建设了四个基本相同的光伏实验电站，其中两个光伏电站使用SMA逆变器sb1200，另外两个光伏电站使用英伟力微逆变器MAC250。通过实验对微逆变器和传统逆变器在正常情况和有阴影遮挡的情况下的发电效率和输出电能质量进行了对比，还对这两种系统的经济性进行比较和分析。实验结果表明，使用微逆变器可提高光伏发电系统的直流效率，微逆变器的电流谐波畸变率比小型逆变器小。微逆变器在容量小于30kWp的系统中具有明显的成本优势。关键词：微逆变器，光伏发电系统，直流效率，电能质量，经济分析微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的应用研究Research on the application of microinverters in Grid-connected photovoltaic systemAbstractMicroinverter is a low power inverter which can directly transform direct current into alternating current. In photovoltaic system which use microinverter， PV modules are independent so there are no power losing caused by mismatch between PV module, that make it more easy and flexible for PV system design, and because it have no high voltage and dont need DC equipment, so it can decrease cost and improve security. See from the development of inverter, high frequency, miniaturization, intelligentize and modularize is the major development direction. Microinverter have the advantage of enlarge easily, prone to integration, so it can be use in mini-PV system and building integrated photovoltaic system, it have a bright future.Now there are many corporations which can produce microinverter, for example, Enphase Energy , Enecsys, Direct Grid, EXENDIS, SMA, etc. In China only Involar have launch microinverter. Until recently there havnt any PV system which use microinverter in China. But with the development of building integrated photovoltaic system and mini-PV system, microinverter will be used more and more widely. In order know the characteristic of microinverter and master the application method of microinverter, we built four experiment PV system with mainly no difference, two PV system use SMA inverter SB1200, others use Involar inverter MAC250. In the experiment we compare the microinverter PV system and traditional PV system under normal condition and shadow condition in the aspect of electricity power efficiency and power quality, and we compare and analyze the two systems economy. The experiment result show that microinverter can improve the PV systems direct current efficiency, and the THD value is smaller than traditional inverter. Obviously, microinverter PV system have the advantage of low cost if the systems capability is lower than 30kWp.Keywords: microinverter, Photovoltaic system; direct current efficiency; electricity power quality; Economic analysis目 录第一章绪论11.1太阳能光伏发电系统介绍11.2 太阳能发电系统的拓扑结构11.3 阴影遮挡对光伏发电系统的影响51.4 微逆变器在光伏建筑一体化系统中的应用6第二章微逆变器介绍82.1 光伏并网逆变器的现状及发展82.2 微逆变器的技术分析82.3 英伟力微逆变器产品分析10第三章实验方案及内容113.1 实验目的113.2实验方法113.3 实验内容113.4 设计方案12第四章实验平台建设和经济分析284.1实验平台建设284.2系统检测344.3 设备调试394.4 经济分析42第五章数据分析455.1 发电量比较455.2 电能质量比较49第六章结论和展望54参考文献56致 谢58I第一章 绪论随着石油价格的提高和保护环境意识的增强，世界各国都纷纷采取新的能源政策来促进可再生能源的应用以应对能源危机和保护环境。太阳能是可再生能源之一，它具有分布广泛、清洁、取之不尽的特点，人类可以利用太阳能的热能来给物体加热，也可以利用太阳能来发电。太阳能光伏发电具有发电过程中无污染、无噪音、免维护、使用寿命长等优点。1.1太阳能光伏发电系统介绍太阳能光伏发电系统主要有三种形式：离网型，不需要与电网连接，太阳能光伏方阵直接给负载供电，或者太阳能光伏方阵通过储电池间接给负载供电。并网型：需要与电网连接，太阳能光伏方阵输出的电经逆变器转换后输入电网。混合型：结合了以上两者的优点，既连接电网又连接蓄电池。太阳能光伏方阵输出的电既可以储存起来也可以向电网输送。离网型光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区。由于必须有蓄电池储能装置，所以整个系统的造价很高。在有公用电网的地区，一般采用并网运行光伏发电系统。并网运行光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池。蓄电池在存储和释放电能的过程中，伴随着能量的损失，且使用寿命通常仅为5 8 年，报废后还将对环境造成污染。省去蓄电池后，光伏发电系统不仅可大幅度降低造价，还具有更高的发电效率和更好的环保性能，且维护简单、方便。1.2 太阳能发电系统的拓扑结构太阳能光伏并网发电系统主要由太阳电池组件、逆变器、配电设备组成。太阳电池组件能吸收太阳能输出直流电，逆变器使直流电转换成能供用电器使用的交流电，除此以外，逆变器还有逆变器具有最大功率跟踪、孤岛效应保护、极性反接保护、短路保护、接地保护（具有故障检测功能）、过载保护以及对地电阻监测、报警功能和运行数据监控。在现阶段，按太阳能光伏方阵与逆变器的连接方式不同，太阳能光伏并网发电系统可分为三种典型的拓扑结构（如图1所示）：一种是集中型、多组串型和组件型。不同的拓扑结构光伏发电系统，在安全性、系统效率、成本、维修等方面有很大差异。下面分别介绍这几种拓扑结构。图1-1 典型的拓扑结构在集中型拓扑结构中，多个太阳电池组件通过相互串并联连接后与逆变器的输入端连接，它的优点是逆变器的直流输入端电压较高，功率较大，从而逆变器的效率较高，并且多数集中型拓扑结构光伏系统使用主从式逆变器，最高效率在98%左右。集中型主从式逆变器中有三、四个或者更多小逆变器，它们在直流端相互并联连接，但各个逆变器的启动优先级别不同，主控制器根据输入功率决定工作小逆变器的数量。这样即使在低辐照下，逆变器也有较高的效率。集中型逆变器具有成本低，效率高的优点。但是在这种结构中每一个组串的太阳电池组件的型号和数量都必须一致。如果某一块组件受到阴影遮挡，那么其他组件将向它供电，从而使它温度过高而损坏，为防止这种现象发生，每个组件都要并联一个旁路二极管，每个组串也要串联一个防反二极管。组件的最大功率点随组件的温度和太阳辐照度有关（如图1-2所示），而在同一个太阳能光伏方阵中各个组件的温度和太阳辐照度都稍有不同，各个组件虽然型号一样但输出参数也有差异，组件之间存在失配问题，而且它们都使用同一个最大功率跟踪器，因此会造成功率损失。图1-2 最大功率点与温度和辐照度的关系多组串型拓扑结构中每一串太阳电池组件连接逆变器的一路输入端，每个逆变器有4、5路甚至6路输入端。多组串型逆变器使用两级电路架构，在第一级架构中分别对各个组串进行最大功率跟踪，而且把各组串输出的直流电压转换成相同的直流电压后进行汇流；在第二级架构中将直流电转换成交流电。这种结构的优点是各组串分别对应一个最大功率跟踪器，相互独立工作，由于能对每一串太阳电池方阵进行最大功率跟踪，减少了组件失配造成的能量损失，提高了效率，而且不同的组串可以使用不同型号和不同倾角的组件，增加了设计的灵活性。但是这种结构的逆变器成本较高，而且直流电缆较多，增加了电缆和直流配电的成本。集中型和多组串型太阳电池方阵包含一个或者多个太阳电池组件串，因为串内的太阳能电池组件是串联的，所以整个串的性能是由串内性能最差的那个组件决定的一个组串的最大功率，而且多个太阳电池组件共用一个最大功率跟踪器会损失部分能量，降低系统效率。当一个组串中的某块太阳电池组件因为遮挡使输出电流减小时,整个组串的电流也会减少,从而大大减小整个的效率。为减轻不匹配造成效率减小的问题，逆变器生产企业于是将目光转向了新的逆变器，微逆变器就是其中的一种，在组件型结构中，每一个太阳电池组件配一个逆变器，相互独立工作，由于输出交流电压相同，各微逆变器的的输出端并联后并网。组件型拓扑结构有如下几个优点：1、解决了组件失配问题可以提高系统的效率；2、可以对每个太阳电池组件进行监控，方便用户使用和检修；3、由于不需要直流配电和直流电缆，不用考虑组件之间串并联与逆变器搭配的问题使系统设计过程简化，从而降低系统成本。微逆变器固定在支架上，组件之间独立工作，使系统设计和安装更加简便，扩容更加容易；4、用交流低压进行电能传输，更加安全。微逆变器与传统逆变器相比有了很大变化，使用微逆变器的光伏发电系统中各组件完全独立，微逆变器的大量使用将促进太阳能光伏应用向小型化、模块化和标准化方向发展。首先，扩大了太阳能光伏并网发电系统的容量范围。太阳电池组件的峰值功率约为100Wp250Wp，也就是说使用微逆变器，可以使太阳能光伏并发电系统的最小容量可以达到100Wp。其次，降低了太阳能光伏并网发电系统的安装要求。有烟囱、树木或者其他物体遮挡阳光的地方，如果使用传统逆变器将会使发电效率大大降低，而且会因为热斑效应减短太阳电池组件的寿命，所以一般都不能安装太阳电池组件。当太阳能光伏发电系统与建筑结合时往往对美观的要求比较高，同一个太阳能光伏方阵中可能有不同倾角甚至不同型号的组件，这时组件型拓扑结构更符合这些要求。最后，微逆变器能与太阳电池组件结合，组成交流光伏组件，甚至与太阳电池组件和支架结合起来组成太阳电池模块等模块化的产品。这些模块化的产品可以进一步降低成本，易于安装和维护，没有相关专业知识的人都可以安装和使用，将会使太阳能光伏产品像家用电器一样在商店销售。但是由于采用220V交流电传输，输出相同功率时电流比较大，可能增加传输损耗或电缆成本。而且逆变器的输入电压和功率都较低，导致逆变器的效率较低，成本也增加了不少。 表1-1 三种拓扑结构比较结构直流输入电压直流损耗逆变器效率运行数据监控单元交流损耗环境要求集中型34800V多97%以上每个方阵少高多组串型150800V较少95%左右每个组串少中组件型1790V极少92%左右每个组件，但没有直流输入数据多低未来光伏并网发电系统主要有以下三个发展方向：1、大型并网发电系统；2、中型商业楼或者厂房并网光伏发电系统；3、小型户用并网发电系统。从以上分析可以看出，集中型逆变器技术成熟，单位成本较低，由于使用的逆变器较少，也可减少故障，适用于大型光伏发电系统，；组串型逆变器采用多个MPPT,解决了组串之间不匹配的问题从而提高系统发电效率，但成本较集中型逆变器高且功率较小适用于中型光伏电站；组件型逆变器对环境要求较低但价格相对较高，1.5kW的集中型逆变器的价格为每瓦3元左右，功率越大单位价格越低，而微逆变器每瓦的价格为5元左右，它的价格是不会跟着安装容量的变化而改变的，所以不适用于大型电站，只适用于小型光伏电站，以上只是大概的划分，逆变器的选择还要根据实际情况和用户需求。1.3 阴影遮挡对光伏发电系统的影响为延长光伏发电系统的寿命,原则上要求在早上9点到下午15点光伏方阵不能有阴影遮挡，其实除了这段时间之外光伏发电系统的发电量也是不能忽视的，而且有时为满足客户要求或者达到一定的安装容量，不得不在有阴影遮挡的地方安装光伏发电系统，所以研究如何在有阴影遮挡的情况下提高光伏发电系统的发电量仍然有实际应用价值。在有地面阴影物体遮挡的条件下，国外在这方面已经做了很多相关研究，造成组件失配的原因主要有云层遮挡、表面污垢、地面物体遮挡和组件参数差异等。其中最引人关注的问题是在有地面物体遮挡时应用组件型拓扑结构是否比其他结构更合适。Graaf、Weiden和Haan等人的研究表明，阴影遮挡对组件型和组串型拓扑结构的影响较小。Beuth在1998年在一个实验中用组串型、集中型和组件型拓扑结构光伏系统做阴影条件下的性能比较实验，得出的结论是组件型拓扑结构并不具有优势，从安装成本和可靠性方面考虑，阴影条件下使用组串型和集中型逆变器更合适。但Gross等人在1997年的实验表明，使用组件型逆变器比使用集中型逆变器可减少阴影造成损失的19.5%25%。从他们的研究中我们找不到问题的答案，但有一点是肯定的，在阴影条件下，使用组件型逆变器可减少组件失配问题造成的损失，同时在另一方面，在发生阴影遮挡时，光伏方阵的输出I-V曲线发生了变化（如下图所示），这时逆变器的最大功率跟踪质量对于效率影响很大。而且由于每个组件都有旁路二极管，组件中部分电池片被遮挡时，旁路二极可能导通，导致组件的电压急骤下降，可能使电压降到逆变器的最大功率跟踪范围以下，这时逆变器的最大功率跟踪范围对于效率影响很大。1-3有部分阴影遮挡时的光伏组件输出曲线1.4 微逆变器在光伏建筑一体化系统中的应用光伏建筑一体化（BIPV）系统是通过将光伏组件代替传统建筑材料,来实现太阳能光伏发电与建筑的完美结合。目前比较常见的光伏建筑一体化形式有光伏幕墙、光伏走廊、光伏屋顶等。在BIPV系统中光伏组件作为建筑的一部分，不额外占用空间，特别适合于土地资源紧张的城市建筑；全球建筑物自身耗能约占世界总能耗的三分之一以上，如果采用BIPV技术，可减少建筑物的能耗，能有效缓解城市能源消耗大与能源供应紧张的矛盾，创造节能环保的居住环境，实现城市的可持续发展；另一方面，用光伏组件代替传统建筑材料可节约成本。目前太阳能光伏组件的成本较高，太阳能光伏发电的成本高于常规能源，大大限制了光伏发电系统的发展和应用，采用BIPV系统，一方面可减少建筑材料的费用，另一方面可减少光伏支架的成本，从而大大降低光伏发电的成本，缩短投资回报周期。光伏组件的输出电压和电流都与光伏组件的方位角和倾角有关。在同一个组串中如果组件的方位角或者倾角不同，即使是使用同一类型的组件，都会造成功率损失。当光伏发电系统与建筑结合时，美观的要求常常比发电功率更重要，为了不影响建筑的外观，往往需要在同一组串中使用将不同方位角或者倾角的组件。微逆变器技术可将逆变器直接与单块光伏组件结合组成光伏交流组件，为每个光伏组件单独配备最大功率点跟踪功能的逆变器模块，将光伏组件输出的直流电直接转换成交流电能供交流负载使用或传输到电网。在BIPV系统中采用微逆变器取代传统的集中式逆变器具有以下优点： （1）各组件之间不会相互影响，并且保证每块组件均运行在最大功率点，减少局部阴影造成的功率损失，具有很强的抗局部阴影能力；（2）与组件结合形成光伏交流组件可以实现模块化设计，系统扩展简单方便；（3）微逆变器可固定在组件背面，基本不需要占用空间。（4）适应不同功率、不同方位角和不同倾角组件的要求；（5）系统可靠性高，单块光伏交流组件失效不会对整个系统造成影响。因此，微逆变器非常适合在BIPV系统中使用。第二章 微逆变器介绍2.1 光伏并网逆变器的现状及发展逆变器按隔离方式分类包括隔离式和非隔离式两类，隔离式并网逆变器分为工频变压器隔离方式和高频变压器隔离方式。隔离式逆变器可实现交直流电气隔离，安全性比较高，但是其体积大、效率较低。逆变器按输出功率可分为100KVA以上的大功率逆变器，10KVA100KVA的中等功率逆变器和10KVA以下的小功率逆变器。目前中等功率逆变器的技术最成熟，随着大规模光伏电站和光伏建筑一体化的发展，未来逆变器将向大功率逆变器和小功率逆变器发展。由于光伏发电在国内应用较少，所以国内光伏并网逆变器市场规模较小，虽然国内有众多生产逆变器的厂商，但专门用于光伏发电系统的逆变器制造商并不多。国内专业生产光伏并网逆变器的企业主要有合肥阳光、南京冠亚、山亿、安徽颐和新能源科技股份有限公司等企业。目前这些企业用于光伏系统的产量呈逐年上升的趋势。纵观光伏并网逆变器的发展历程，高频化、小型化、智能化、模块化将是其主要发展方向之一，微逆变器因为其具有突出的系统扩展灵活、易于集成等突出优势，有较好的发展前景。目前生产微逆变器的企业主要有美国Enphase公司、enecsys、Direct Grid、EXENDIS，SMA，国内只有英伟力新能源公司推出了微逆变器产品。 2.2 微逆变器的技术分析常见的光伏并网发电系统结构有集中式、组串式、组件式。集中式、组串式系统中，都要求光伏组件串联或并联，因此会因组件的失配造成功率损失，而且只能对整个光伏阵列进行最大功率跟踪，不能使每块组件的工作点在最大功率点。微逆变器与单个光伏组件相连，可以将光伏组件输出的直流电直接变换成交流电并传输到电网。 微逆变器的概念由来已久，但最初并没有引起人们的注意，近年来随着太阳能发电技术的发展以及技术的进步，使得微逆变器十分具有吸引力。微逆变器由于其输入功率小、电压小、工作环境较差等特点，所以其设计不同于传统大功率集中式逆变器。 微逆变器区别于传统逆变器的特点如下：（1）微逆变器输入电压低、输出电压高单块光伏组件的输出电压范围一般为2050V，而电网的电压峰值约为220V或110V，因此，微逆变器的输出峰值电压远高于输入电压，这要求微逆变器需要采用具备升降压变换功能的逆变器拓扑；另一方面，微逆变器除了能够实现升降压变换功能外，还应该实现电气隔离，为达到高效率、小体积的要求，微逆变器不能采用工频变压器实现电气隔离，需要采用高频变压器。（2）功率小 单块光伏组件的功率一般在100W300W，微逆变器直接与单块光伏组件相匹配，其功率等级即为100W300W，而传统集中式逆变器功率通过多个光伏组件串并联组合产生足够高的功率，其功率等级一般在1kW以上。微逆变器的设计考虑因素：（1）变换效率高并网逆变器的变换效率决定整个发电系统的效率，为了保证整个系统较高的发电效率，要求并网逆变器具有较高的变换效率。（2）可靠性高由于微逆变器直接与光伏组件集成，一般与光伏组件一起放于室外，工作环境温度，要求微逆变器具有较好的防水和散热功能。（3）寿命长光伏组件的寿命一般为二十五年，微逆变器的使用寿命应与光伏组件的寿命相当。要使微逆变器达到光伏组件的寿命，必须减少或避免电解电容的使用。（4）体积小微逆变器直接与光伏组件集成在一起，其体积越小越容易与光伏组件集成。为了减小微逆变器的体积，要求提高逆变器的开关频率，而开关频率的提高必然导致开关损耗升高、变换效率下降，因此小体积与高效率两者之间是矛盾的，高频软开关技术是解决两者矛盾的有效方法，软开关技术可以在不增加开关损耗的前提下提高开关频率。（5）成本低 低成本是产品发展的必然趋势，也是微逆变器市场化的需求。（6）信息通信技术微逆变器通讯系统要实时采集、传送每个组件的信息，数据量大。2.3 英伟力微逆变器产品分析英伟力新能源科技(上海)有限公司最近发布的一款微逆变器产品MAC250主要参数如下：额定输出功率：180VA；峰值输出功率：220VA输入电压：20V50V；输入电压：187VAC242VAC；工作频率范围：49.5Hz50.5Hz；最大效率：95%；CEC效率：94%工作环境温度：-4065 重量：2.4kg体积：240mm138mm35mm保修期：15年。从以上参数可看出，英伟力新能源有限公司生产的微逆变器达到了一般逆变器的要求。第三章 实验方案及内容小型化、模块化是逆变器发展的一个重要方向，在小型光伏发电系统中使用微逆变器具有设计灵活、成本低、效率高等优势，微逆变器有较好的应用前景。但由于国内微逆变器的技术不成熟，应用较少等原因导致大家对微逆变器了解较少。为了解微逆变器的特点，掌握微逆变器的使用方法，为优化太阳能光伏并网发电系统提供参考，特进行了如下实验。3.1 实验目的在不同环境下，如无阴影遮挡、有遮挡、组件放置倾角不同，并使实验光伏发电系统和参考光伏系统处于同一环境条件下，比较它们的系统效率和经济效益差异，通过比较了解微逆变器的特点，掌握微逆变器的使用方法，为优化太阳能光伏并网发电系统提供参考。3.2实验方法在太阳辐照度、环境温度和线损等条件基本相同的情况下将三种不同配置的系统进行比较分析，同时将它们在有相同部分阴影遮挡的情况下进行比较分析。3.3 实验内容1、设计光伏发电系统和采购设备。并对设备进行检测，记录检测数据。2、安装一个使用微逆变器、传统逆变器和电源优化器的光伏发电系统。参考光伏发电系统用两个相同的逆变器，记录安装过程。3、安装数据采集器及辐照温度传感器。4、设置光伏发电系统工作环境。参考光伏发电系统中有一个方阵有部分阴影遮挡，实验光伏发电系统也有一个方阵有相同的部分阴影遮挡。5、采集光伏发电系统的运行数据。3.4 设计方案3.4.1 概况本光伏发电系统容量为6.06kWp，共有30块功率为202Wp的太阳电池组件，共分为6个子系统，每个子系统的容量为1.01kWp，系统配置如下：表3-1 系统配置系统编号容量（kWp）逆变器型号逆变器数量其他设备11.01MAC2505无21.01Sunny Boy SB 12001Solar Junction BoxST10264331.01Sunny Boy SB 12001无41.01Sunny Boy SB 12001Solar Junction BoxST10264351.01Sunny Boy SB 12001无61.01MAC2505无1号和6号系统为微逆变器光伏发电系统；2号和5号为电源优化器光伏发电系统；3号和4号为传统光伏发电系统。1号、2号、3号子系统设置阴影，4号、5号、6号子系统不设置阴影。1、光伏阵列位置确定图3-1 阵列间距计算当放置太阳电池组件时，需要计算前后太阳电池组件之间的间距，如果太阳电池方阵附近有遮挡物，需要计算遮挡物的阴影，以确定组件之间或组件与遮挡物之间的距离。一般情况下要求冬至日早上9点到下午15点太阳电池方阵没有被遮挡。太阳高度角的计算公式：sin=sinsin+coscoscos太阳方位角的计算公式: sin=cossin/cos式中：为当地纬度为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为23.5为时角，上午9点的时角为45。D=cosL，L=H/tan=H(1-sin2)1/2/ sin图3-2 光伏电站场地图本实验场地在西南方向有高约为6米的墙，其它三面墙高约为1.1米，上图中蓝色的区域为在早上9点到下午3点这段时间内有阴影遮挡的区域，因此光伏方阵只能沿着右侧的墙摆放，太阳电池组件的方位角为30。顺德地区的纬度约为22，为提高光伏发电系统的发电量，通过软件计算，最佳倾角为22。太阳能光伏方阵所在地区的纬度约为23，即=23，约为60，阵列高度为H=0.54m,根据以上公式可得：阵列间距D=0.23m。2、设备参数表3-2光伏组件参数序号参数名称数值1型号KD202GH-2PU-KH2峰值功率202W3最佳工作点电压26.6V4最最佳工作点电流7.60A5开路电压33.2V6短路电流8.25A7开路电压温度系数-0.12V/8短路电流温度系统4.9510-3A/9最佳工作点电压温度系数-0.138V/10最佳工作点电流温度系数4.9510-3A/11串联电阻0.54112曲线修正因子1.9110-3/13峰值功率温度系数-0.922W/13正常工作电池温度47.914尺寸1500mm990mm46mm表3-3 传统逆变器参数型号Sunny Boy SB 1200最大输入功率1.32kW最大输入电压400V最大功率跟踪范围100V320V最大输入电流12.6A最大效率92.1%欧洲效率90.7%电能输出方式单相输出电压220V 50Hz表3-4 微逆变器参数型号 MAC250 功率因数 0.99 最大直流输入功率 180W250W 电流谐波THD 4% 最大直流输入电压 50V 每串最大并联台数 16 MPPT电压范围 22V40V 最大效率 95.0% 最大输入电流 10A CEC效率 94.0% 额定交流功率 180W 夜间自耗电 100mW 峰值交流功率 220W 防护等级 IP65额定交流电流 0.82A 工作环境温度 -40 +65 峰值交流电流 1A 长/宽/高（毫米） 230/138/35 工作电压范围 187V242V 重量 2.4kg 工作频率范围 49.5Hz50.5Hz 认证 CQC/TUV 通讯 电力线载波 质量保证 15年 3、设备接线表3-5 光伏发电系统接线 系统名称项目微逆变器系统电源优化器系统组串逆变器系统主要设备微逆变器和光伏组件电源优化器、组串逆变器和光伏组件组串逆变器和光伏组件连接方式各光伏组件各连接一个微逆变器，各个微逆变器的输出端并联后接入电网各光伏组件各连接一个电源优化器，各个电源优化器的输出端串联后接入组串逆变器，再接入电网各光伏组件串联后与组串逆变器连接，再接入电网通讯方式使用微逆变器配套的数据采集器使用逆变器配套的数据采集器（1）传统太阳能光伏发电系统接线图3-3 传统太阳能光伏发电系统接线示意图传统太阳能光伏发电系统的组件连接方式为5串一并，接线比较简单。（2）微逆变器光伏发电系统接线图3-4 微逆变器光伏发电系统接线示意图微逆变器光伏发电系统的接线方式为每块太阳电池组件接一个逆变器，然后再将所有的逆变器输出端并联，根据英伟力微逆变器使用说明，最大并联参数为16。我们一共使用了10台微逆变器，10台逆变器并联后接入电网。（3）电源优化器光伏系统接线图3-5电源优化器光伏发电系统接线示意图电源优化器没有逆变功能，所以仍然要使用传统逆变器。每一块太阳电池组件接一个电源优化器然后再串联接入一台逆变器。4、电缆的选择（1）电缆颜色的选择美国National Electric Code（NEC）规定如下：表3-6 电缆颜色选择NEC标准电缆类型交流（电压小于600V）直流（电压小于600V）中性线或地线白色或者灰色白色火线黑色、红色、蓝色、黄色NEC没规定，但一般是用黑色或者红色设备接地线裸线、绿色或者黄绿色裸线、绿色或者黄绿色表3-7 光伏电缆与普通直流电缆的区别对比项目普通PVC电缆光伏电缆材料含有卤、铅等有毒物质不含任何有毒物质环保标准易污染环境符合欧盟及日本环保要求发烟量发烟时可视距离中有58m发烟时可视距离60米以上阻燃耐火通过添加有毒的卤素材料实现阻燃耐火通过辐照及添加无毒材料实现阻燃耐火耐温等级最高70左右-40120绝缘性能绝缘能力一般，短时过载能力差高绝缘、短时过载能力极强环境性能 不耐臭氧、水蒸汽、紫外线等 耐臭氧、水蒸汽、紫外线等恶劣环境 老化 易老化，寿命不到10年 不易老化，寿命25年以上 机械性能 一般 优 光伏电缆具有良好的机械物理性能，耐低温及耐高温性能（-4090，甚至更高），抗紫外线等良好的耐候性能等优点，可长期暴露在恶劣环境中（极端气候变化如大幅度温差、干燥、潮湿），适用于太阳能电站领域，此实验电站的所有直流导线都使用光伏电缆。（2）电缆横截面积的选择电缆横截面积的选择主要考虑流过电缆的电流大小和压降。导体的连续载流量是指：在规定条件下，导体能够连续承载而不致使其稳定温度超过规定值的最大电流。一般导线的安全载流量是根据所允许的线芯最高温度、冷却条件、敷设条件来确定的。由于太阳电池阵列输出的电流小于10A，所以选择横截面积为2.5mm2的光伏电缆。5、配电柜设计（1）直流配电柜图3-6 直流配电柜接线图表3-8 直流配电柜电气参数电气参数输入电压140V DC输入电流30A额定绝缘电压1000V输出电压140V DC输出路数6额定冲击耐受电压5kV母线分段能力(均值)10kA防雷参数标称放电电流20kA,8/20s保护水平(20kA,8/20s) 700V失效指示机械最大通流容量40kA,8/20s响应时间25ns连接要求汇流排紫铜输入导线截面积46mm2输出导线截面积46mm2输入导线截面积4mm2接地导线截面积10mm2机械性能外形尺寸300400150mm材料厚度2mm防护等级IP20环境温度-40+85相对湿度95%（25）（2）交流配电柜图3-7 交流配电柜接线图表3-9 交流配电柜电气参数电气参数输入电压220/380V AC输入电流30A额定绝缘电压1000V输出电压220/380V AC输出路数6额定冲击耐受电压5kV母线分段能力(均值)10kA防雷参数标称放电电流20kA,8/20s保护水平(20kA,8/20s) 700V失效指示机械最大通流容量40kA,8/20s响应时间25ns连接要求汇流排紫铜输出导线截面积10mm2输入导线截面积4mm2接地导线截面积16mm2机械性能外形尺寸300400150mm材料厚度2mm防护等级IP20环境温度-40+85相对湿度95%（25）6、通讯设备接线图3-8 微逆变器光伏发电系统接线图图中LCF为滤波器、ETU为电能监控终端，逆变器之间和逆变器与组件之间的连接线都使用逆变器配带的电缆，逆变器输出端到电网之间使用交流电缆。英伟力微逆变器的通讯方式为电力载波，数据采集器为英伟力逆变器配套的数据采集器。数据采集器采集各微逆变器的数据，然后通过网络将数据传送给数据获取和管理系统（Solar Energy Data Acquisition System）。因为数据采集器必须联网所以需要用网线将ETU与网络路由器连接。图3-9 传统逆变器光伏发电系统通讯接线图SMA逆变器的通讯连接如图所示，逆变器之间用普通网线连接，然后用信号线将逆变器与数据管理器连接，最后再用SMA逆变器配带的专用连接线将数据管理器与计算机连接。7、防雷接地根据 GB50057 -94 建筑防雷设计规范，太阳能光伏电站为三级防雷建筑物，接地系统的要求如下： 所有接地都要连接在一个接地体上，实现各金属物体之间等电位，防止互相之间发生闪络或击穿。具体的做法是：太阳电池组件和支架及设备的外壳直接接到等电位系统上，直流和交流电缆通过安装电涌保护器间接接到等电位系统上。为防止部分雷电流侵入建筑物，等电位连接应尽可能靠近系统的入口或建筑物的进线处。接地电阻满足其中的最小值，不允许设备串联后再接到接地干线上。光伏电池组件支架接地属于保护接地，接地电阻不能超过10。图3-10 太阳能光伏并网发电系统防雷接地示意图浪涌保护，通过在带电电缆上安装浪涌保护器实现，减少电涌和雷电过电压对设备造成损坏。太阳能光伏并网发电系统的雷电浪涌入侵途径， 除了太阳能电池方阵外， 还有配电线路、接地线等，所以太阳能光伏并网发电系统需要采取以下防护措施：（1）在逆变器的每路直流输入端装设浪涌保护装置。（2）在并网接入控制柜中安装浪涌保护器， 以防护沿连接电缆侵入的雷电波。为防止浪涌保护器失效时引起电路短路，必须在浪涌保护器前端串联一个断路器或熔断器,过电流保护器的额定电流不能大于浪涌保护器产品说明书推荐的过电流保护器的最大额定值。8、阴影设置（1）设置目的采集在有阴影和无阴影情况下微逆变器光伏发电系统、传统光伏发电系统的电气参数值，然后进行比较在不同系统中当组件有部分被遮挡时的功率损失比率，分析三种光伏发电系统在有阴影遮挡时的性能。（2）设置原理为了减少能量损失达到较高的转化效率，同一块光伏组件内的单体电池必须具有相似的输出特性。但实际上组件内的电池片可能出现电池裂纹或不匹配、内部连接失效、局部被遮光或弄脏等情况，导致一个或一组电池的特性与整体不协调。失谐电池可能会将其他电池产生的能量转化为热能，导致局部过热而毁坏组件，这种现象称为热斑效应。如果组件之间并联连接，若有一个组件被遮挡，它的输出电压就会降低，其他组件的电压比它高而使其他组件向它送电而消耗能量并导致组件发热;如果组件之间串联，若有一个组件被遮挡，此时它被反向偏置，相当于一个电阻则不但会损失该组件所输出的电能，阻碍其他正常组件发电，还损耗功率，产生“热斑”现象，若电池片的温度超过一定极限将会使太阳电池组件上的焊点融化并毁坏栅线，从而导致整个组件损坏。因此，太阳电池方阵安装时都要考虑阴影的影响，并加配保护装置以减少热斑的影响。为减少热斑危害，最常见的就是给太阳电池片并联旁路二极管，在必要时便可使电流从旁路二极管中流过，起保护太阳电池组件的作用。在正常情况下旁路二极管反向截止，在部分太阳电池被阴影或灰尘影响导致部分电池片电压降低时，旁路二极管支路会正向导通。如果每个太阳能电池都并联上一个旁路二极管，一方面增加成本，另一方面也影响组件正常工作。为了保证组件的安全，一般是每几块或十几块最多不超过18块电池片并联一个二极管。当有阴影遮挡时，组件的峰值功率会大大减少，而且损失比率会因不同的系统配置方式而有差异，从理论上分析，如果各个组件之间相互独立可以减少功率损失。 图3-11 京瓷KD202GH-2PU-KH组件的内部电路结构图上图是此次实验使用的太阳电池组件内部电路结构图，它共有54块太阳电池片，每十八块电池片并联一个旁路二极管。（3）安全性分析如果部分电池片完全遮挡，虽然有旁路二极管保护，但被遮电池片仍可能有反向电流通过，导致温度过高而损坏。为确保实验的安全性，我们特别做了一个实验。图3-12 遮挡片的摆放我们在组件的下沿摆放透光率约为0的遮挡片，从左到右依次，每放一块遮挡片测量组件的I-V曲线3次。得到如下图所示的I-V曲线图。图3-13 遮挡时的组件I-V曲线图图中“”曲线表示无遮挡时的I-V曲线，图中“”曲线表示有一块遮挡片遮挡时的I-V曲线，图中“”曲线表示有两块遮挡片遮挡时的I-V曲线，图中“”曲线表示有三块遮挡片遮挡时的I-V曲线，图中“”曲线表示有四块遮挡片遮挡时的I-V曲线，图中“”曲线表示有五块遮挡片遮挡时的I-V曲线，图中“”曲线表示有六块遮挡片遮挡时的I-V曲线。从上图可知，当组件中有1、2、5、6块电池片被完全遮挡时，峰值功率几乎为零，太阳电池组件的能量无法输出，只能转化为热，使组件的温度升高，有可能损坏组件。因此我们改变遮挡材料，使用遮挡率约为30%的材料再进行实验。图3-14 遮挡片摆放及次序图中数字为摆放遮挡片的次序。此时组件的I-V曲线和功率曲线图如下：图3-15 遮挡时的组件I-V曲线图图3-16 遮挡时的组件功率曲线图从上图可知，当有六块遮挡片时，组件仍有少部分能量输出。但遮挡了不到三天后发现有一块电池片出现EVA与电池片脱离的现象。图3-17 组件出现“热斑效应”此现象说明遮挡方式对组件有损害，需要改变遮挡方式。图3-18 遮挡片的摆放实践证明，用此方式遮挡太阳电池组件可减小遮挡对太阳电池组件的损害。（4）遮挡材料：使用透光率约为30%的茶色有机玻璃作为遮挡片。图3-19 遮挡材料（5）遮挡比例每个系统遮挡1块组件，被遮挡的每块组件中有6块（占组件面积的10%左右）电池片完全被遮挡。（6）遮挡时间遮挡时间为两天，两天后改成遮挡其他组件或同一组件的其他电池片。第四章 实验平台建设和经济分析4.1实验平台建设4.1.1光伏发电系统建设本光伏发电系统容量为6.06kWp，共有30块功率为202Wp的太阳电池组件，共分为6个子系统，每个子系统的容量为1.01kWp。其中 1号和6号系统使用微逆变器，因此称为微逆变器光伏发电系统；2号和5号使用了电源优化器，电源优化器是一种直流转换器件，它能改变光伏组件的输出电压和电流，从而使同一组串内各组件的输出匹配，但它没有逆变功能因此仍然需要使用传统逆变器，我把这种光伏发电系统称为电源优化器光伏发电系统；3号和4号使用组串型光伏逆变器，称为传统光伏发电系统。为比较它们在阴影遮挡时的发电效率和分析阴影遮挡对光伏发电系统的影响，我们为1号、2号、3号子系统设置阴影，4号、5号、6号子系统不设置阴影。1、光伏支架安装图4-1 光伏支架2、光伏组件安装图4-2 光伏阵列照片图4-3 光伏组件连接如上图所示，光伏电缆