关于光伏并网逆变器的专利技术综述分析以及S系统相关分析指令

技术综述部门：XXXX科室：XXXX姓名：XXXX摘要：光伏并网逆变器是光伏发电系统的核心，其性能决定着光伏系统的寿命和效率，因此较其他工业用逆变器具有更高的要求，日益获得了各国研究人员的普遍关注。其正朝着高功率密度、高效率、低成本、高可靠性和高稳定性等方向发展。本文主要针对光伏并网逆变器的技术发展路线，通过检索、统计、分析了该领域的专利申请，统计了重要申请人、国内外专利申请量等信息，同时对热点问题进行了归纳和总结。关键词：光伏并网逆变器；专利；MPPT；稳定性引言传统的发电方式，例如煤炭、火力等一次性能源都是不可再生的，并且是当今雾霾天气形成的重要因素之一。此外，传统大电网还暴露了生产成本高、运行难度大等诸多弊端，难以适应现代社会对电网多样化的需求。在上述严峻的现实背景下，国内外许多学者开始研究基于太阳能的分布式发电技术。其中光伏逆变器是光伏发电系统的核心，其正朝着高功率密度、高效率、低成本、高可靠性等方向发展。常规的光伏并网逆变器主要由前级DC-DC电路和后级逆变电路组成，其中前级DC-DC电路一般采用Boost电路，其起到升压和最大功率跟踪（MPPT，Maximum Power Point Tracking）的作用；后级逆变电路将直流电转变为交流电进行并网。对于任何系统而言，稳定性是第一位，不稳定的系统，一切都是无稽之谈。光伏逆变器通过电力电子转换电路连接到公共耦合点(Point of Common Coupling, PCC)，即使在各个子单元都单独稳定的前提下，子单元之间的谐波交互作用也会导致系统产生振荡，致使电网系统不能正常运行。其中，华为公司型号为SUN2000 的光伏逆变器以及阳光电源SG500KTL光伏逆变器都曾出现过高频谐振问题，因此对光伏逆变器稳定性的研究必不可少。对于稳定的系统，高效率是关键，与其他新能源相比，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，可利用化最大，是最理想的可再生能源。但太阳能电池的输出功率受光照强度、环境温度、光伏板上沉积物影响较大。所以，研究改善太阳能光伏发电技术、提高光伏发电效率即最大功率点追踪具有重要的意义。本文在德温特世界专利索引数据库 (DWPI) 中进行检索，检索范围为 2018 年6 月 30日之前公开的全球专利文献，共有2968篇。主要从涉及光伏并网逆变器的专利申请量、国内外申请人和关键技术等方面进行分析，同时梳理其中关键技术的重点专利申请，为以后的审查工作奠定基础。一、专利申请状况分析1.1 申请量及专利公开地区分析图1给出了光伏逆变器技术全球专利申请量的发展趋势，光伏逆变器技术的第一项专利出现在1999年,公开号为:JPA，随后2000-2002年均无专利申请，2003-2007年专利申请仍较少，专利量均为12个以内， 2008年之后专利量开始小幅度上升，尤其是2012年专利量首次突破300个，并于2014年达到高点。2017年出现一定的下滑。由于我国补贴政策的激励作用，2009年之后，我国光伏逆变器技术的专利量开始大幅度增加，光伏并网发电系统顺利完成了消化、吸收过程，转而进入研发创新阶段。图1光伏并网逆变器技术全球专利的公开地区分布情况如图2所示，其中，专利公开量最多的国家是中国，其次是德国，美国的公开量次之。近些年，在国家政策引导下，我国光伏并网逆变器需求量大幅增加，各国光伏逆变器制造商为抢占中国市场，积极在中国进行专利布局，使得中国成为光伏并网逆变器公开量最多的国家。德国的光伏发电发展早，并且光伏逆变器先进，因而其专利公开量仅次于中国。图21.2 重点专利申请人分析图3反映全球重要申请人的申请量，表1对这些重要申请人的申请量进行排名，从光伏并网逆变器技术全球专利前八位申请人的排名情况来看，阳光电源、国家电网和艾思玛位居前三位，三家企业的专利数量均超过100件，占全球专利总量的很大比例，足见这三家公司技术的发达。排名第四的是韩国LS产电，其专利主要集中光伏并网发电系统的直流断路器和大容量接触器的设计和研发。此外，前八位申请人中还有五个中国申请人，分别是阳光电源、国家电网、三晶电气、中国电力科学研究院和特变电工，说明中国的光伏并网逆变器技术具有较强的实力。 图3 排名申请人国家申请量比例1阳光电源中国1525.10%2国家电网中国1093.80%3艾思玛德国1033.50%4LS产电韩国441.50%5中国电力科学研究院中国391.30%6Sunpower美国321%7特变电工中国270.90%8三晶电气中国270.90%表1二、相关技术研究现状2.1 稳定性研究光伏逆变器中的高频谐振一般由变换器之间快速的电压电流环谐波交互作用、LC 或LCL 滤波器、或者传输线路寄生参数引起的，振荡频率一般在600-2000Hz 之间。提高提高光伏并网逆变器高频稳定性的方案的核心是修正“源”或者“载”阻抗，从而实现微电网子单元之间动态匹配。常见的微电网稳定性方案可分为无源阻尼、有源阻尼和增添辅助控制器三种。1）为了避免LC滤波器谐振产生的振荡，对LC滤波器进行改进。其中，专利CNU和CNA分别公开了改进LC滤波器形式，如图4和图5所示： 图4 图52）为了降低输出高频谐波，专利CNU公开了在电容上串联电阻，增大阻尼，减少振荡，如下图6所示： 图63) 为了消除光伏并网逆变器产生的高频谐波，专利CNA利用谐振阻抗控制器修正逆变器等效阻抗，从而实现逆变器与电网侧阻抗匹配。如图7所示：图74) 专利CNA根据不同的电路参数随时调整控制器参数，改变“源”端阻抗，使得整体系统具有很强的鲁棒性。如图8所示：图85)为了吸收大功率光伏逆变器产生的高频谐波，专利CNA采用小功率变流器吸收高频谐波。如图9所示：图9通过上面分析可以看出，目前提高光伏逆变器稳定性的方法主要包括三类：无源阻尼、有源阻尼和辅助变流器，其中无源阻尼主要集中在改进滤波器和串并联电阻；有源阻尼主要集中在修正逆变器侧阻抗和修正网侧阻抗；辅助变流器主要集中在增添辅助变流器，用来吸收谐波。便于查看，将稳定性的方法进行绘制，如下图10所示：图102.2 MPPT研究一定的日照强度和温度下，太阳能电池可以在不同的输出电压下工作，但是只有在某一输出电压值时，其输出功率才能达到最大值，这一点的功率称之为最大功率点（MPPT，Maximum Power Point Tracking）。由图11可知当光伏电池的工作电压小于最大功率点电压max时，光伏电池的输出功率随端电压上升而增加；当电池的工作电压大于最大功率点电压max时，电池的输出功率随端电压上升而减小。MPPT的实现实质上是一个自寻优过程，即通过控制太阳能电池端的电压来控制最大功率的输出。图11本文对几种常用的MPPT方法进行了概括性总结，并分析了各自的优缺点，希望能对太阳能光伏发电系统最大功率控制提供参考。1）恒定电压控制法参见专利CNA，恒压跟踪法是较早产生的一种最大功率跟踪控制方法。因为光伏电池在不同的光照下的最大功率点总是近似在某一恒定的电压值max附近，根据这个特点，利用DC/DC转换电路把最大功率跟踪控制简化为稳压控制，只需调整光伏电池的端电压与Umax相等就能使输出功率达到最大值。该方法的优点：控制简单，易实现，可靠性高，具有良好的稳定性，可以方便地通过硬件实现。控制方法的缺点：控制精度差，温度变化时功率点发生变化，易产生功率损失。随着光伏系统控制技术的智能化，该方法逐渐被新方法所替代。2）扰动观测法参见专利CNA，扰动观察法是先检测光伏电池的输出电压Vn、电流In，并计算输出功率Pn，在此基础上，给该电压一个扰动，再检测输出功率Pn，如果PnPn，则保持原来的扰动方向，反之则进行反方向扰动。此法优点：控制回路简单，测量参数少，跟踪算法简明，对传感器精密度要求不高；易于硬件实现。缺点：在最大功率点附近产生震荡，容易造成部分功率损失；在光照变化较快的环境中，该算法可能失效，导致误判。3）电导增量法参见专利CNA，电导增量法是目前实现MPPT最常用的算法之一，也是一种以扰动太阳能电池的输出电压来进行太阳能电池最大功率点追踪的一种策略。由太阳能光伏电池的输出功率特性曲线可知，在最大功率点处其斜率为。算法优点：控制精度高，当光照强度等环境变化时，其输出端电压能以平稳的方式追踪其变化，同时也可保证最大功率输出，减少能量损耗。然而，该方法计算复杂，对硬件特别是传感器的精度及系统整体响应速度要求高，成本自然也就比较高，当受到噪声测量误差和数字控制量化误差的影响时，该方法也无法避免最大功率点附近的振荡。4）模糊控制法参见专利CNA，模糊控制法是一类人工智能算法。针对太阳能光伏发电系统的非线性特性，使用模糊控制算法可以获得比较理想的效果。在光伏发电系统中使用模糊控制法实现MPPT控制，一般可通过DSP执行，其主控内容包括以下几个方面：确定模糊控制器的输入、输出变量；归纳总结模糊控制器的控制规则；确定模糊化和反模糊化的方法；选择论域并确定有关参数。该控制方法相比其他传统控制方法，跟踪速度快、灵活、全面、兼容性好。但其模糊化、反模糊化和模糊推理规则的确定比较困难，实施起来有一定难度。通过上面分析可以看出，太阳能光伏发电系统MPPT控制算法有多种形式，各有优缺点，目前控制算法主要有恒压跟踪法、电导增量法、扰动观察法、模糊控制法和神经网络法、蚁群控制等新型控制方法。恒压跟踪法简单且容易实现，但跟踪效果比较差，现在已很少使用。电导增量法和扰动观察法同为MPPT经典算法，但电导增量法对硬件要求较高，需要高精度的KSI转换器；扰动观察法抗干扰能力较差，容易发生误判现象。两种算法跟踪步长设置大小都会影响系统的稳态和动态性能，且较难找到平衡点，故这些不足都限制了两种算法的应用。模糊控制法是一种依赖专家的经验和知识来进行逻辑推理，不依赖数学模型，能够模仿人思维方式的控制算法。神经网络算法具有很强的自学习能力，具备黑箱建模学习模式的特点，但从其输入输出得出的关系无法用人们易于接受的方式表达出来，是一种模拟人脑的思维和组织结构而形成的数学模型。如果将模糊控制法与神经网络算法相结合，扬长避短，必将取得更好的控制效果，而且这也将会是太阳能光伏发电系统MPPT控制未来方法的发展方向。三、国内重要申请人：阳光电源股份有限公司是一家专注于太阳能、风能等可再生能源电源产品研发、生产、销售和服务的国家重点高新技术企业。在光伏并网逆变器领域，申请量全球最多，下面对其几个核心专利进行分析：专利CNA的专利申请公开一种组串式光伏逆变器的控制方法，通过在光伏组串和光伏逆变器的MPPT装置之前增设开关装置，根据当前状态信息和预设规则，确定运行的MPPT装置，仅仅启动所确定的MPPT装置，从而降低了能耗，提高了组串式光伏逆变器的整体工作效率；专利CNA的专利申请公开了具有一种多个MPPT单元的光伏逆变器，通过1个MPPT单元控制所有处于通讯范围内的MPPT 单元保持载波同步，当因通讯线路故障导致部分MPPT单元脱离控制时，脱离控制的MPPT单元仍可形成一个独立的载波同步系统，从而降低了同一MPPT单元内出现高频环流的风险，并降低了多逆变单元交流侧并联运行时的LCL谐振风险；专利CNA的专利申请公开了一种共模回路、三相逆变器及其光伏发电系统，通过在共模回路中增加阻尼电阻后，能够有效衰减共模电压，提高了抑制效果，改善了共模回路的谐振现象。四、总结本文通过专利申请着重分析了现有的光伏并网逆变器技术发展情况，能够使审查员快速了解光伏并网逆变器技术当前的发展现状，同时介绍了一些重要申请人的重点专利，从而能够快速获得现有技术，理解发明，有针对型的对相关专利进行检索审查。 附页DWPI? /ti photovoltaic 2w inverter 确定范围 DWPI? .er m1 清零DWPI? .mem m1 /pn rk 1 存储DWPI? .fi sipoabs 转库SIPOABS? *m1 /pn 跨库检索SIPOAB