大型光伏电站中逆变器和控制设备的技术发展方向

赵为2009.10,大型光伏电站中逆变器和控制设备的技术发展方向,1大型光伏电站的系统构成2逆变器常见拓扑结构和发展方向3逆变器的转换效率4逆变器的保护功能5逆变器并网电流谐波6电磁兼容技术7最大功率点跟踪(MPPT)8电网锁相技术9孤岛效应检测技术10光伏电站的群控、监控及调度技术11大规模应用的技术发展方向,目录,1大型光伏电站的系统构成2逆变器常见拓扑结构和发展方向3逆变器的转换效率4逆变器的保护功能5逆变器并网电流谐波6电磁兼容技术7最大功率点跟踪(MPPT)8电网锁相技术9孤岛效应检测技术10光伏电站的群控、监控及调度技术11大规模应用的技术发展方向,目录,太阳电池交直流电缆阵列汇流箱太阳电池阵列支架（固定或自动跟踪）交、直流配电系统大型并网逆变器电网接入系统（升压变压器、交流断路器、计量、无功补偿、继电保护等）监测、计量、数采设备、防雷系统（气象监测、数据采集及传输等）,1大型光伏电站组成,光伏电站的每一组成部分都需要精心设计；系统性能优劣的关键指标是生命周期内总的发电量；逆变器是其中进行能量转换的关键设备，其效率指标等电气性能参数，将直接影响到系统的发电量。,1大型光伏电站组成,1大型光伏电站的系统构成2逆变器常见拓扑结构和发展方向3逆变器的转换效率4逆变器的保护功能5逆变器并网电流谐波6电磁兼容技术7最大功率点跟踪(MPPT)8电网锁相技术9孤岛效应检测技术10光伏电站的群控、监控及调度技术11大规模应用的技术发展方向,目录,采用工频变压器隔离的大功率三相并网逆变器,1常见大功率并网逆变器的拓扑结构,无变压器隔离的大功率三相并网逆变器（输出电压可以从270V400V）,1常见大功率并网逆变器的拓扑结构,两台低压输出逆变器接中压变压器整体解决方案,1常见大功率并网逆变器的拓扑结构,多个功率模块并联,1常见大功率并网逆变器的拓扑结构,三电平及多电平方案,2逆变器拓扑发展方向,多重叠加技术10MW系统,2逆变器拓扑发展方向,共用变压器解决方案,优化直流母线电压、升压变压器配置和变比，避免重复升压，提高系统效率优先考虑当地用电负荷，避免过多电能的远距离传送难点是光伏系统的发电量计量必须在低压侧。,2逆变器拓扑发展方向,轻型直流输电,2逆变器拓扑发展方向,1大型光伏电站的系统构成2逆变器常见拓扑结构和发展方向3逆变器的转换效率4逆变器的保护功能5逆变器并网电流谐波6电磁兼容技术7最大功率点跟踪(MPPT)8电网锁相技术9孤岛效应检测技术10光伏电站的群控、监控及调度技术11大规模应用的技术发展方向,目录,转换效率是光伏并网逆变器中最重要的技术指标之一：光伏并网逆变器中常用的效率概念：最大效率max：逆变器所能达到的最大效率欧洲效率euro：按照在不同功率点的效率根据加权公式计算加州效率cec：考虑直流电压对效率的影响，再次平均MPPT效率mppt：反应逆变器最大功率点跟踪的精度目前，先进水平：max98%euro97.5%(不含变压器)max96.5%euro96%(含变压器),1转换效率的概念,如何提高效率：拓扑结构（boost，单级，三电平）器件：功率器件，变压器，电抗主功率器件开关频率控制算法，调制方式，死区其他细节：辅助开关电源，风扇，散热器等,2提高效率的方法,SG100K3的效率：,最大效率max：97.0%欧洲效率euro：96.4%,SG500KTL的效率：,最大效率max：98.7%欧洲效率euro：98.5%,最大效率max：97.1%欧洲效率euro：96.5%,SG250K3的效率：,3Sungrow产品效率,1大型光伏电站的系统构成2逆变器常见拓扑结构和发展方向3逆变器的转换效率4逆变器的保护功能5逆变器并网电流谐波6电磁兼容技术7最大功率点跟踪(MPPT)8电网锁相技术9孤岛效应检测技术10光伏电站的群控、监控及调度技术11大规模应用的技术发展方向,目录,保护类型：电网电压过欠压电网电压过欠频交流输出短路保护孤岛效应保护逆变器过热保护直流极性反接保护直流过压保护逆变器过载保护逆变器对地漏电保护逆变器内部自检保护（防雷器损坏，接触器故障，变压器过热，A/D通道损坏，IGBT损坏等等）,1.逆变器基本保护功能,保护类型：低电压穿越（LVRT）输出直流分量超标保护输出电流谐波超标保护三相电网不平衡保护,2.逆变器增强的保护功能,在电网电压出现异常跌落时，常常需要并网逆变器此时不能立即脱网，而是需要继续工作，起到支撑电网的作用。当并网点电压在图中电压轮廓线及以上区域内时，逆变器需要保持并网运行。轮廓线以下，逆变器停止向电网送电。,LVRT需要考虑：LVRT与反孤岛效应保护的矛盾，如何协调；,3.低电压穿越（LVRT）,参考试验波形,3.低电压穿越（LVRT）,防逆流保护主要应用于低压侧并网发电系统。如果要求不能向中压电网反向送电，则需要智能的防逆流保护系统,4.特殊保护功能：防逆流保护,1大型光伏电站的系统构成2逆变器常见拓扑结构和发展方向3逆变器的转换效率4逆变器的保护功能5逆变器并网电流谐波6电磁兼容技术7最大功率点跟踪（MPPT）8电网锁相技术9孤岛效应检测技术10光伏电站的群控、监控及调度技术11大规模应用的技术发展方向,目录,1并网电流谐波要求,国网公司对于光伏电站并网电流的谐波要求,1并网电流谐波要求,鉴衡认证对于光伏并网逆变器并网电流的谐波要求,总谐波5%,SG100K3:3%在额定负载时SG250K3:3%在额定负载时SG500KTL:3%在额定负载时,2并网电流谐波的抑制,并网电流谐波抑制方法：拓扑结构选择：L-C，L-C-L电感和电容参数的设计控制算法，PWM驱动方式采样精度运算精度目前国际标准要求5%，但许多用户要求3%,3新的研究方向,如何更好抑制低功率时的电流谐波？如何抑制多台逆变器同时并网时电流谐波的叠加问题？如何在电网电压谐波大时，仍旧保证低电流谐波？在弱网环境下，如何保证电流谐波？,1大型光伏电站的系统构成2逆变器常见拓扑结构和发展方向3逆变器的转换效率4逆变器的保护功能5逆变器并网电流谐波6电磁兼容技术7最大功率点跟踪(MPPT)8电网锁相技术9孤岛效应检测技术10光伏电站的群控、监控及调度技术11大规模应用的技术发展方向,目录,1.电磁干扰的要求,电网对逆变器产生的干扰：电压涨跌，频率漂移，不平衡，电气噪声，浪涌等。要求逆变器不能损坏。逆变器对于电网产生的干扰：电流谐波，电压波动、电压闪变、无功功率、电网阻抗、干扰叠加等。必须符合相关标准。逆变器对于其他电器的干扰：传导干扰，空间辐射干扰等。必须符合相关标准。,电磁干扰对策：隔离变压器EMI滤波器控制算法拓扑结构,2.电磁干扰的对策,目前没有颁布明确的光伏电站防雷设计标准可以参考的标准：建筑物防雷设计规范GB50057-1994(2000)IEC60364-7-712-2002IEC623051-5IEC61557-4-2007GB/T21431-2008建筑物防雷装置检测技术规范SJ/T11127-1997光伏（PV）发电系统过电压保护导则,2.系统的防雷和接地,交流侧的防雷和普通交流配电防雷要求等同,2.系统的防雷和接地,大型开阔地区光伏电站避雷器安装布置图示例,注：来源于德国DEHN公司网站资料,2.系统的防雷和接地,建筑屋顶光伏阵列避雷器安装布置图示例,注：来源于德国DEHN公司网站资料,可参考原则：支架等电位连接太阳电池边框接地接地电阻的设计（直流和交流）4欧姆接闪器的设计和布置（滚球法等）低压电网和高压电网防雷和接地参考成熟设计,2.系统的防雷和接地,注：该资料来源于phoenix公司网站,小功率系统直流和交流防雷，采用凯文接线,3.感应雷的防止,大型光伏阵列的防雷,3.感应雷的防止,注：该资料来源于phoenix公司网站,1大型光伏电站的系统构成2逆变器常见拓扑结构和发展方向3逆变器的转换效率4逆变器的保护功能5逆变器并网电流谐波6电磁兼容技术7最大功率点跟踪（MPPT）8电网锁相技术9孤岛效应检测技术10光伏电站的群控、监控及调度技术11大规模应用的技术发展方向,目录,光伏电池在不同的日照和温度条件下，具有不同的MPP,太阳电池阵列的P-V特性,不同温度下的P-V特性曲线,不同日照量下的I-V和P-V特性曲线,1.光伏电池特性介绍,光伏系统中MPPT跟踪算法要求：,快速性准确性稳定性特别是在弱光和多云的天气下，MPPT算法的优劣十分重要,2MPPT技术要求,常用MPPT算法:,干扰观测法（爬山法）P可以最多接入16路；每个组串正负极提供直流保险丝保护；提供直流高耐压防雷保护,正常电网时的限功率运行电网检修时的停机（计划性）电网故障时的急停（随机性）弱网时的调度策略无功功率补偿,4调度技术,根据远程调度指令，自动控制有功功率输出，保证逆变器最大输出有功功率不超过电网调度部门的给定值。,正常电网时的限功率运行,4调度技术,光伏并网逆变器应该能够根据调度指令或者根据电网设定的算法自动在一定范围内进行无功功率补偿。,无功功率补偿,4调度技术,1大型光伏电站的系统构成2逆变器常见拓扑结构和发展方向3逆变器的转换效率4逆变器的保护功能5逆变器并网电流谐波6电磁兼容技术7最大功率点跟踪方式8电网锁相技术9孤岛效应检测技术10光伏电站的群控、监控及调度技术11大规模应用的技术发展方向,目录,逆变器将来的发展方向：MTFF（meantimetofirstfailure）首次故障时间目前为5年左右，需要延长至十年。对于将来光伏并网逆变器要求：高效率，高可靠性，长寿命，更低成本使用膜电容，电解电容的寿命有限新的控制算法，更快，更强的数字信号处理器（如DSP或ARM）更大功率，更低损耗的电力电子器件，如目前1200V3600AIGBT单管下一代电力电子器件：IGCT器件，SIC器件，PEBB（电力电子积木）IEGT：电子注入增强栅晶体管,逆变器将来的发展方向：,多用途逆变技术夜间无功补偿功能（SVG）电网失电后的应急供电功能（EPS）动态电压支