光伏电站中逆变器和控制设备技术发展方向概论

1、2011.7. Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltdl Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd太阳电池太阳电池交直流电缆交直流电缆阵列汇流箱阵列汇流箱太阳电池阵列支架（固定或自动跟太阳电池阵列支架（固定或自动跟踪）踪）交、直流配电系统交、直流配电系统大型并网逆变器大型并网逆变器电网接入系统（升压变压器、交流电

2、网接入系统（升压变压器、交流断路器、计量、无功补偿、继电保护断路器、计量、无功补偿、继电保护等）等）监测、计量、数采设备、防雷系统监测、计量、数采设备、防雷系统（气象监测、数据采集及传输等）（气象监测、数据采集及传输等） Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd 光伏电站的每一组成部分都需要精心设计；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系统性能优劣的关键指标是生命周期内总的发电量；量； 逆变器是其中进行能量转换的关键设备，其效率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

3、到系统的发电量。指标等电气性能参数，将直接影响到系统的发电量。 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd多个功率模块并联多个功率模块并联 Shanghai ShangHong Ene

4、rgy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd共用变压器解决方案共用变压器解决方案 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd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。难点是光伏系统的发电量计量必须在低压侧。 Shanghai Shan

5、gHong Energy Technology Co., Ltd轻型直流输电轻型直流输电 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd1 1 转换效率的概念转换效率的概念转换效率是光伏并网逆变器中最重要的技术指标之一：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：光伏并网逆变器中常用的效率概念：l最大效率最大效率 max ： 逆变器所能达到的最大效率逆变器所能达到的最大效率l欧洲效率欧洲效率 euro ： 按照在不同功率点的

6、效率根据加权公式按照在不同功率点的效率根据加权公式计算计算l加州效率加州效率cec ： 考虑直流电压对效率的影响，再次平考虑直流电压对效率的影响，再次平均均lMPPT效率效率mppt：反应逆变器最大功率点跟踪的精度：反应逆变器最大功率点跟踪的精度l目前，先进水平：目前，先进水平： max 98% euro97.5% (不含变压器不含变压器) max 96.5% euro96% (含变压器含变压器) Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd如何提高效率：如何提高效率： 拓扑结构拓扑结构 （boost ，单级，单级， 三电平）三电平） 器件：器件：

7、 功率器件，变压器，电抗功率器件，变压器，电抗 主功率器件开关频率主功率器件开关频率 控制算法，调制方式，死区控制算法，调制方式，死区 其他细节：其他细节： 辅助开关电源，风扇，散热器等辅助开关电源，风扇，散热器等2 2 提高效率的方法提高效率的方法 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd1. 1. 逆变器基本保护功能逆变器基本保护功能 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd2. 2. 逆变器增强的保

8、护功能逆变器增强的保护功能 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd3. 3. 低电压穿越低电压穿越 （LVRTLVRT） Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd参考试验波形参考试验波形3. 3. 低电压穿越低电压穿越 （LVRTLVRT） Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd4.4. Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Techno

9、logy Co., Ltd1 1 并网电流谐波要求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国网公司对于光伏电站并网电流的谐波要求 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd1 1 并网电流谐波要求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总谐波5% Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd2 2 并网电流谐波的抑制并网电流谐波的抑制并网电流谐波抑制方法：并网电流谐波抑制方法：1.拓扑结构选择：拓扑结构选择： L-C

10、，L-C-L2.电感和电容参数的设计电感和电容参数的设计3.控制算法，控制算法，PWM驱动方式驱动方式4.采样精度采样精度5.运算精度运算精度6.目前国际标准要求目前国际标准要求5%，但许多用户要求，但许多用户要求3% Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd3 3 新的研究方向新的研究方向1.如何更好抑制低功率时的电流谐波？如何更好抑制低功率时的电流谐波？2.如何抑制多台逆变器同时并网时电流谐波的叠加问如何抑制多台逆变器同时并网时电流谐波的叠加问题？题？3.如何在电网电压谐波大时，仍旧保证低电流谐波？如何在电网电压谐波大时，仍旧保证低电流谐波

11、？4.在弱网环境下，如何保证电流谐波？在弱网环境下，如何保证电流谐波？ Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd建筑物防雷设计规范GB50057-1994(2000)IEC 60364-7-712-2002IEC 62305 1-5IEC 61557-4-2007GB/T

12、21431-2008 建筑物防雷装置检测技术规范SJ/T 11127-1997 光伏（PV）发电系统过电压保护导则 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai Sha

13、ngHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd光伏电池在不同的日照和温度条件下，具有不同的光伏电池在不同的日照和温度条件下，具有不同的MPP 电流功率00.511.522.533.5051015202540102030405060不同温度下的不同温度下的P-VP-V特性曲线特性曲线 太阳电池阵列的太阳电池阵列的P-VP-V特性特性 不同日照量下的不同日照量下的I-VI-V和和P-VP-V特性曲线特性曲线 Shanghai ShangHong Energy Technology Co.

14、, Ltd光伏系统中光伏系统中MPPT跟踪算法要求：跟踪算法要求： 快速性快速性 准确性准确性 稳定性稳定性特别是在弱光和多云的天气下，特别是在弱光和多云的天气下，MPPT算法的优劣十分重要算法的优劣十分重要2 MPPT2 MPPT技术要求技术要求 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd常用常用MPPT算法算法: 干扰观测法干扰观测法 （爬山法）（爬山法） P&O 增量电导法增量电导法 （di/dVI/V） 其他一些方法：其他一些方法： 模糊控制，神经网络，自适应算法等模糊控制，神经网络，自适应算法等MPPTMPPT核心控制思想是通过

15、直流电压的扰动，判断直核心控制思想是通过直流电压的扰动，判断直流功率的变化，从而搜索到最大功率点。流功率的变化，从而搜索到最大功率点。3 MPPT3 MPPT技术实现技术实现 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd试验和测试手段：试验和测试手段： 在正常工作条件下测试在正常工作条件下测试MPPT算法将十分耗时，同时很难比对。算法将十分耗时，同时很难比对。 最佳的方法是使用光伏阵列模拟器最佳的方法是使用光伏阵列模拟器 对于太阳能阵列模拟器要求：对于太阳能阵列模拟器要求： 能够方便设定光伏阵列的串并联数能够方便设定光伏阵列的串并联数可真实模拟单晶

16、硅，多晶硅和非晶硅的可真实模拟单晶硅，多晶硅和非晶硅的U-I曲线曲线 最好具有短路特性。即真正为电流源特性最好具有短路特性。即真正为电流源特性 功率容量需要达到功率容量需要达到100KW左右。左右。4 MPPT4 MPPT试验和测试手段技术要求试验和测试手段技术要求MPPT优劣的测试标准：优劣的测试标准：EN50530-2008 Overall efficiency of photovoltaic invertersOverall efficiency of photovoltaic inverters Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd

17、 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd常用方法：常用方法： 使用使用DSPDSP芯片的芯片的CAPTURECAPTURE口进行捕获。口进行捕获。 软件中侦测到电网频率和相位。调整并网电流的频软件中侦测到电网频率和相位。调整并网电流的频率和相位，从而使得并网电流和电网电压同频，相位率和相位，从而使得并网电流和电网电压同频，相位差差180180。 锁相时间很短，可以在锁相时间很短，可以在20ms20ms内完成内完成 使用电压比较器和施密特触发器进行整形，

18、得到和使用电压比较器和施密特触发器进行整形，得到和电网电压完全同频同相的方波。电网电压完全同频同相的方波。电网电网锁相技术锁相技术 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd发展方向：发展方向：1.1.使用更精确、更快速的数字锁相电路使用更精确、更快速的数字锁相电路2.2.如何克服在大功率并网时，电网电压采样如何克服在大功率并网时，电网电压采样电路的波动影响电路的波动影响电网电网锁相技术锁相技术 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Tech

19、nology Co., Ltdl所谓孤岛效应是指所谓孤岛效应是指当电网的部分线路当电网的部分线路因故障或维修而停因故障或维修而停电时，停电线路由电时，停电线路由所连的并网发电装所连的并网发电装置继续供电，并连置继续供电，并连同周围负载构成一同周围负载构成一个自给供电的孤岛个自给供电的孤岛的现象。的现象。孤岛效应的定义：孤岛效应的定义：孤岛效应发生的机理孤岛效应发生的机理光伏并网发电系统的功率流图光伏并网发电系统的功率流图 1 1 孤岛效应的原理孤岛效应的原理 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd 被动检测：被动检测： 电网电压的幅值、频率、

20、相位和谐波。电网电压的幅值、频率、相位和谐波。当电当电网失电时，会在电网电压的幅值、频率、相位和谐波等参网失电时，会在电网电压的幅值、频率、相位和谐波等参数上，产生跳变信号，通过检测跳变信号来判断电网是否数上，产生跳变信号，通过检测跳变信号来判断电网是否失电。失电。2 2 孤岛效应检测技术孤岛效应检测技术主动式检测：指在并网点处向电网注入很小的干扰信号，主动式检测：指在并网点处向电网注入很小的干扰信号，通过检测反馈信号来判断电网是否失电，其中一种方法就通过检测反馈信号来判断电网是否失电，其中一种方法就是通过在并网电流中注入很小的失真电流。通过测量逆变是通过在并网电流中注入很小的失真电流。通过测

21、量逆变器输出的电流的相位和频率，采用正反馈的方案，加大注器输出的电流的相位和频率，采用正反馈的方案，加大注入量。从而在电网失电时，能够很快地检测出异常值。入量。从而在电网失电时，能够很快地检测出异常值。逆变器中同时具有两种软件解决方案逆变器中同时具有两种软件解决方案 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., LtdENS模块模块 德国德国VDE0126-1-1 要求并网逆变器系统中必须有独立的检测电网要求并网逆变器系统中必须有独立的检测电网断电的模块。断电的模块。 一般常用的方法是主动测量电网的阻抗。一般常用的方法是主动测量电网的阻抗。 当电网的阻抗发

22、生突变或变得比较大时，则认为发生了孤岛。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。 当然，电压和频率的变化和超出范围也是重要依据。当然，电压和频率的变化和超出范围也是重要依据。 具有独立性，使用功率范围更宽具有独立性，使用功率范围更宽3 3 孤岛效应其他检测方案孤岛效应其他检测方案 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd1 1 小型电站，逆变器自己运算解决小型电站，逆变器自己运算解决 大型电站，加装日照控制、群体控制解决大型电站，加装日照控

23、制、群体控制解决 共用直流母线增加硬件成本，降低可靠性共用直流母线增加硬件成本，降低可靠性 大面积组件并联带来的额外串并联损耗大面积组件并联带来的额外串并联损耗光伏发电系统：如何解决在低日照时的效率问题？光伏发电系统：如何解决在低日照时的效率问题？直流侧并联和群控，是解决该问题的一个途径直流侧并联和群控，是解决该问题的一个途径。 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd群控的具体实现群控的具体实现1 1 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd1 1 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd2.10 2.10 2 2、并网逆变器轻载时的效率问题、并网逆变器轻载时的效率问题 按需要逆变器逐个并联投运按需要逆变器逐个并联投运 按光伏阵列并联支路分配逆变器按光伏阵列并联支路分配逆变器 Shanghai ShangHong Energy Technology Co., Ltd2 2 监控系统的构成：监控系统的构成： 以数据采集器为核心以数据采集器为核心