变频器调速技术与应用 项目9 变频器在光伏发电厂并网逆变技术应用- 电子教案

××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节9.1.电力调峰技术与储能系统课次/周授课方法讲授+案例分析+图表解读教具PPT、电网智能管理路线图、储能技术分类表、储能电池柜实物图教学内容1.分布式电源并网带来的挑战；2.电网智能管理系统与储能调峰技术；3.储能技术分类（机械、化学、热、电化学、电气）；4.抽水储能、压缩空气储能、电化学储能原理；5.储能电池柜结构参数内部控制系统。教学目标知识目标：掌握分布式电源并网的影响，理解储能调峰技术原理，熟记五大储能技术分类，掌握储能电池柜结构与管理。能力目标：能分析电网调峰需求，区分不同储能技术特点，看懂储能电池柜参数与控制框图。重点、难点重点：储能调峰技术、储能技术分类、储能电池柜结构与管理；难点：电网智能管理逻辑、电化学储能优势与局限性。复习提问1.变频器工业领域的主要应用是什么？2.可再生能源发电有哪些特点？作业1.简述分布式电源并网对电网的影响。2.对比抽水储能与电化学储能的优缺点。3.说明储能电池柜内部控制系统的组成与功能。授课时长2学时课后小结本节课学习电力调峰技术与储能系统。分布式电源的波动性给电网平衡带来挑战，储能调峰技术应运而生。储能方式分为机械、化学、热、电化学、电气五大类，其中电化学储能（锂离子电池）因体积小、效率高成为电网调峰的主要设备。储能电池柜集成了电池管理系统（BMS）、智能空调、消防系统和智能管理系统，实现了智能化、集成化管理，是现代电网不可或缺的组成部分。教案附页注释【知识学习】一、课堂导入近年来，风力发电、光伏发电等分布式电源发展迅速，但由于其发电的波动性和不确定性，给电网的能源调度和平衡带来了巨大影响。为了解决这一问题，“储能调峰”技术应运而生。本节课将从电网调峰需求入手，学习各类储能技术及其应用。二、知识学习9.1.1电力调峰技术的兴起1.分布式电源入网（1）分布电源近年来，风力发电、太阳能光热发电、光伏发电发展迅速，发电量越来越大，分布在全国各地。这些分布在全国各地的电源称为“分布式电源”。这些分布式电源并不都是就地应用，而是并入国家电网。大量分布式电源接入配电网，因其波动性和不确定性给电网的能源调度和平衡带来了巨大影响。为了解决这一问题，“储能调峰”技术应运而生。（2）分布式储能随着储能技术的进步和成本降低以及需求侧的演化发展，分布式储能是未来电网发展的必然趋势。分布式储能安装地点灵活，与集中式储能比较，减少了集中储能电站的线路损耗和投资压力，但相对于大电网的传统运行模式，目前的分布式储能接入及出力具有分散布局、可控性差等特点。从电网调度角度而言，目前缺乏有效的调度手段，如任其自发运行，相当于接入一大批随机性的扰动电源，它们的无序运行无助于电网频率、电压和电能质量的改善，也造成了储能资源的较大浪费。（3）分布式储能电源的管理在配电网中合理地规划分布式储能，并调控其与分布式电源和负荷协同运行，不但可以通过削峰填谷起到降低配电网容量的作用，还可以弥补分布式出力随机性对电网安全和经济运行的负面影响。分布式储能和分布式电源捆绑应用，解决分布式电源的“不确定性”，为电网电能的“调度”奠定了基础。2.智能调度和控制系统的应用分散电源通过储能调峰，可以得到稳定的上网电源，但是众多的分散电源上网供电，给统计管理带来了麻烦。现在电能进入市场化管理，用电和发电是定点定量定时供需。解决管理问题尤为突出。现在进入智能时代，电网智能管理是解决问题的最好方法。图9-1是电网智能管理路线图，通信网线连接到每个“逆变器”，根据电网的平衡状态实时控制“逆变器”的上网功率流量；每个发电站都备有“储能设备”，保证发电厂24小时正常发电。图9-1智能调度管理路线图3.储能调峰调频技术的发展电网智能控制拉动了储能调峰调频技术的发展，储能调峰调频技术不仅可以提高电力系统的供能效率，还能够促进可再生能源的发展和应用。许多国家和地区已经开始制定相应的能源市场和环境政策，支持储能调峰调频技术的推广。未来，在“可再生能源”普及和电力系统负荷需求增加的背景下，储能调峰调频技术将会得到更广泛的应用（图9-2为现场储能电池）。中国的调峰技术已经走出了国门。图9-2储能电池9.1.2储能技术1.储能分类储能方式有多种，表9-1是储能分类，根据不同的用途进行开发应用。三、（1）抽水储能这是一种古老的储能方式，在三相交流电网出现时就有了。当电网的电能需要储存时通过高扬程水泵将水泵升到高处，当用电量大时通过水轮机驱动发电机发电补网。储能效率高，技术成熟，但条件要求苛刻，必须要有一定高度和容量的蓄水池。只能因地制宜。（2）压缩空气储能将电网多余的电能通过空气压缩机将气体压缩为高压气体，储存在“山洞”或储气“仓”中，需要补网发电时由汽轮机将高压气体转化为机械能，驱动发电机发电。技术很成熟，转化效率高，但条件要求苛刻，必须要有能储存高压气体的“大容量保温高压容器”，最好就是“山洞”。（3）热储能太阳光热发电采用的是熔盐为热介质，核能发电采用的是钾钠金属为热介质，技术已经成熟；现在有采用“热石”储能，将玄武岩加工为豌豆大小的石子，作为储能“介质”，由流动的高温水加热储能。比熔盐成本低、没有腐蚀性，已经到实用阶段。（4）电化学类储能电化学可充放电电池体积小，容量大，寿命长，效率高。现在用量最大的就是锂离子充电电池，其充放电效率达到90%，是现在电网调峰的主要储能设备。储能电池体积可大可小，安装位置不限，缺点就是气温低于零下容量会下降。2.储能电池与管理风力发电和太阳能光伏发电直接输出的是电能，采用电池储能直接储存效率高、设备成本低。图9-3是比亚迪储能电池柜外形图，型号为CP36-B2800-A-R1M01。该柜长11m，重31T，在一个100MW的中型光伏发电厂需要几十组电池柜。图9-3比亚迪储能电池柜该储能柜参数见表9-2，电池电压为638.4~820.8V，可为电网提供380V的交流电压。电池柜的内部控制见图9-4所示。图中电池的温度采用智能空调进行控制，当环境温度低时，空调加热，环境温度高时空调降温。空调为智能变频空调，由“BMC”电池管理系统进行控制；柜中设置“消防系统”，当电池柜出现事故时，由“单元管理器”及时消除。“智能管理系统”是电池柜的总控制器，设有“以太网”通信接口，由电网的“调度中心”进行控制。图9-4电池柜控制框图三课堂互动1.思考：为什么需要“储能调峰”技术？2.提问：锂离子电池作为储能设备的主要优缺点是什么？四、能力培养1.能分析分布式电源并网对电网的影响；2.能区分五大类储能技术的特点；3.能看懂储能电池柜的参数表和控制框图。五、课堂总结储能技术是解决可再生能源发电不确定性的关键。电化学储能凭借其灵活性和高效率，成为当前电网调峰的主流选择。储能电池柜的智能化管理，使其能够与电网调度中心协同工作，保障电网稳定运行。

××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节9.2光伏太阳能发电技术课次/周授课方法讲授+原理分析+图示讲解教具PPT、PN结原理图、光伏电池发电原理图、MPPT跟踪曲线图教学内容1.半导体的光伏特性（PN结原理）；2.光伏电池发电原理；3.并网逆变器核心功能（逆变、MPPT、并网）；4.最大功率点跟踪（MPPT）策略；5.逆变器智能温控技术与绝缘监测功能。教学目标知识目标：掌握PN结原理与光伏电池发电原理，理解并网逆变器核心功能，掌握MPPT策略、智能温控与绝缘监测原理。能力目标：能分析光伏电池I-U、P-U曲线，理解MPPT跟踪过程，了解逆变器辅助功能。重点、难点重点：光伏电池发电原理、MPPT策略；难点：PN结光伏效应、MPPT跟踪算法原理。复习提问1.电化学储能的主要设备是什么？2.逆变器的基本功能是什么？作业1.简述光伏电池的发电原理。2.解释什么是最大功率点跟踪（MPPT）。3.说明逆变器智能温控技术的工作原理。授课时长2学时课后小结本节课学习光伏发电原理与并网逆变器核心技术。光伏发电基于半导体的光伏效应，通过PN结将光能转化为电能。并网逆变器是光伏系统的核心，其不仅要实现DC/AC逆变，还要具备最大功率点跟踪（MPPT）功能，以最大限度地将光能转化为电能。此外，逆变器还集成了智能温控、绝缘监测等辅助功能，保障设备安全稳定运行。教案附页注释【知识学习】一、课堂导入光伏发电是利用半导体材料的光伏效应，将太阳光能直接转化为电能的一种技术。而并网逆变器则是将光伏电池产生的直流电转换为符合电网要求的交流电，并实现并网的关键设备。本节课将深入学习光伏发电的微观原理和并网逆变器的核心技术。二、知识学习9.2.1半导体的光伏特性1.PN结原理PN结是制造光伏电池的基础材料，因为PN具有单向导电性、热电特性、光伏特性等，广泛应用于计算机芯片、光伏电池、各种传感器等等，离了半导体PN结芯片，电子技术归零。（1）单晶硅半导体是指原子结构为四价元素的一类材料，如硅、锗等。这些材料的单晶体是共价键结构，即每个原子最外层的4个电子与相邻的4个原子共用，绕着原子核公转。相当于每个原子最外层有8个电子，根据原子理论，最外层有8个电子公转的原子最稳定，电子不会丢失或增加，即导电能力很差。图9-5（a）所示是单晶硅共价键示意图，即原子核最外层的4个电子即绕着自己的原子核转动，还绕着相邻的4个原子转动，称为单晶硅或本征半导体。（a）（b）（c）图9-5单晶硅共价键结构（a）共价键（b）N型半导体（c）p型半导体（2）N型和P型半导体①N型半导体。人为在单晶硅中掺入五价元素磷（见图b，五价元素就是核外有5个电子公转的元素，五价元素还有很多），在共价键结构中多出1个电子，这个电子受原子核的束缚力很小，当受到外界能量的干扰，很容易形成自由电子跑掉。这种由电子导电的半导体称N型半导体。②P型半导体。人为在单晶硅中掺入三价元素硼（见图c），在共价键结构中少了1个电子形成空穴，这个空穴对电子很有吸引力，当受到外界能量的干扰，自由电子被吸引而和空穴复合。以空穴导电的半导体称为P型半导体。半导体材料通过掺杂后，因为多出了电子或空穴，当在外电场的作用下就会出现导电现象。（3）PN结当将P型和N型材料对接在一起，就出现一个PN结。图9-6是将P、N材料对接在一起，在对接界面上出现载流子扩散现象。扩散就是载流子从浓度高的地方向浓度低的地方移动的现象。N区的电子扩散到P区和空穴复合，使原子带“-”电；P区的空穴扩散到N区和电子复合，使原子带“+”电，在PN材料的结合处周围形成了空间带电区，称为“PN结”。由于在PN结两端出现了电子堆积，从而形成了内电场，内电场达到一定的值，就阻止了扩散的继续进行。见图9-7（a）所示。硅材料PN结内电场为0.5V，“锗”材料PN结内电场为0.2V。图9-6半导体扩散（a）（b）图9-7PN结特性（a）PN结加正向电压导通（b）PN结加反向电压截止2.“PN结”特性（1）“PN结”具有单向导电性当PN结加上外电场，具有单向导电的特性。如图9-7(a)所示，给PN结加P端为正、N端为负的外电压，称为正向电压（也称正向偏置），扩散到P区的电子和扩散到N区的空穴将被外电场所吸收，PN结变窄，扩散又能继续进行，PN结处于正向导电状态。当给PN结加上P端为负，N端为正的反向电压（也称反向偏值），如图9-7(b)所示，PN结加宽，扩散运动更难以进行，PN结处于截止状态。由此可见，PN结具有单向导电的特性。由1个PN结制造的电子器件称为“二极管”，用箭头符号“”表示。（2）“PN结”具有控制特性当制造中将几个PN结叠加在一起，通过控制PN结的极性、掺杂浓度，就可以制成控制器件，如晶闸管、IGBT、场效应管、晶体三级管、集成电路等。（3）“PN结”具有光伏特性如果用光对PN结照射，PN结中的载流子（电子或空穴）获得了能量，挣脱原子的束缚能力加强，就可以继续扩散，在PN结两端加上导线，就有电压为0.5V的电流输出。电流的大小和光照强度成正比。（4）“PN结”具有发光特性PN结采用发光材料作为掺杂，当给PN结加上电流时，“PN结”会发出不同颜色的光。发光二极管又称LED，发白光的LED适合做LED照明灯；发红、绿、蓝三基色的LED适合做彩色显示屏。手机、电脑、电视屏、大屏幕都是采用LED制作，光电和发光二极管用于光纤通信。9.2.2太阳能电池种类太阳能光伏电池有多种形式，但核心就是PN结，只有PN结才具有光伏效应。1.单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池就是用单晶硅通过掺杂形成PN结，当PN结受到阳光照射，出现发电效应。图9-8（a）是单晶硅太阳能电池板外形图；单晶硅太阳能电池是以纯度高达99.999%的单晶硅棒为原料（是制造半导体芯片的材料），采用复杂的半导体制造工艺制造的。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%。单晶硅电池一般采用钢化玻璃或防水树脂进行封装，因此坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的。因为所用单晶硅材料价格昂贵，制作成本很高，目前还不能普及使用。图（b）是光伏发电原理，将单晶硅通过掺杂，制造成PN结，每个PN结就是一个发电单元，一般发电电压0.5V，电流几十mA，通过PN结串联得到高电压；再并联得到大电流。由单晶硅制造的PN因为有害杂质少，发电效率高。（a）（b）图9-8单晶硅电池板（a）实际光伏板（b）光伏发电原理2.多晶硅太阳能电池多晶硅是生产单晶硅的原料，纯度还没有达到单晶硅的程度。采用“多晶硅”制造太阳能电池节省了单晶硅的提纯等生产成本。其制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，因为多晶硅纯度低，含有其它杂质，制成的PN结单向导电能力以及光照的效率都比单晶硅低，其光电转换效率约12%左右。从制作成本上比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量应用。但多晶硅太阳能电池的使用寿命要比单晶硅太阳能电池短，性价比也要低于单晶硅太阳能。3.非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。薄膜太阳能电池实质也是PN结导电原理，但所用材料和结构形式有所不同。薄膜太阳能电池可以使用价格低廉的陶瓷、石墨、金属片等不同材料当“基板”，在基板上制成可产生光电电流的“PN结”，其厚度仅需数μm，节省了大量的单晶硅材料。目前转换效率最高可以达13%（接近多晶硅太阳能电池）。薄膜型太阳能电池除了平面结构之外，也可以制成其它形状（见图9-9（a）），应用非常广泛。是今后太阳能电池的发展方向。“PN结”光伏发电是恒流特性，I-U特性线如图9-9（b）所示，在研究光伏发电时用途很大。（a）（b）图9-9非晶硅太阳能电池与I-U特性（a）非晶硅太阳能电池（b）“PN结”光伏发电特性线9.2.3光伏发电系统组态分析1.光伏发电时序特性光伏发电是野外工作，环境气候对发电产生影响。光伏发电是间歇性发电，白天发电，夜晚休息，晴天发电量大，阴天发电量弱。发出的电能和用电不相吻合。现在无论是工业用电还是民用电，要求稳定供电是基本要求。图9-10是光伏发电厂24小时发电时序图，由图中可见，发电量和时间按正态分布，在中午发电量最大，每天发电时间在10个小时左右。由此可见，光伏发电是断续和变化的，自用可以，但不符合上网条件。图9-10光伏发电24h时序图2.光伏发电系统组态（1）太阳能电池板图9-11是光伏发电厂全景图，图中“太阳能电池板”按阵列分布，板中每个“光伏二极管”在光照时产生0.5V电压和十几mA电流的电能，将光伏板中大量的“光伏二极管”进行串联，得到高输出电压；再进行并联，得到大输出电流。通过数万块的“太阳能电池板”进行汇流，即得到发电量为10~100MW的发电厂。图9-11光伏发电厂全景图（2）光伏发电厂控制流程图图9-12是光伏发电厂控制流程图，图中，“太阳能电池板”发出的电能分为2路，1路进入“直流汇流箱”，另1路给“储能电池”充电。“储能电池”储存的电能在“太阳能电池板”发电量不足时进行补充，保持流入“直流汇流箱”中的电流恒定。图9-12光伏发电流程（3）直流汇流箱“太阳能电池板”发出的是直流电，电压等级为24V、48V、110V、220V或600V。每块光伏电池板有一个直流电流输出口，“直流回流箱”具有多个“输入口”，每个输入口连接1块光伏电池板，将多块光伏电池板的相同电压值的电流汇集在一起（见图9-13），由一个出口输出。回流箱也是保护箱，每路直流电都有熔断保护、防雷保护，直流断路器具有过电流断电保护等，将每块光伏电池板的故障在此被发现和被阻断。汇流箱的输入口最多十几路，太阳能电池板具有上万块，一个光伏发电厂需要大量的汇流箱汇流。汇流箱是光伏发电厂的基础部件。（4）直流配电柜图9-14（a）是直流配电柜外形图，是将多路“汇流箱”的输出电流汇集到“直流配电柜”，直流配电柜将汇集的电流进行分配、检测、保护、电能计量等，是多功能的配电柜。直流电流经配电柜分出1路供厂内负载应用，其它电流进入“并网逆变器”。图9-13汇流箱内部结构（a）（b）（c）图9-14直流配电柜和逆变柜（a）直流配电柜（b）并网逆变柜（c）交流配电柜（5）并网逆变柜图9-14（b）为并网逆变柜外形图。该柜为光伏发电的核心设备，通过逆变器完成将直流电逆变为三相交流电的变换。（6）交流配电柜交流配电柜是进行交流电分配的控制柜，将厂内用电和“上网电”分开，“上网电”由变压器升压后并入国家电网。3.光伏电网智能控制光伏发电厂应用了大量的控制设备，这些控制设备共同的目标就是：将“光伏电池”发出的不连续的电流变为稳定连续的电流。这就要求每个控制环节的设备都要在受控情况下工作，因此，在受控设备中要安装智能系统和检测传感器，通过网络通信进行全方位控制。前图9-12中的“储能电池柜”就是智能控制，充电电流和放电电流由通信控制；逆变器是智能电器，工作中由通信控制；各种电气柜也都是智能控制，通过通信进行访问查询，整个光伏发电厂的智能设备由主机进行监视和控制。发电厂的内部通信网络和国家电网的调度网络由以太网进行联机，根据国家电网的平衡要求对光伏电厂进行实时调度。3.总结光伏发电由于具有断续性和不确定性，不能满足上传到国家电网的条件。首先要解决不确定性问题，再解决断续问题。通过储能电池的充放电，可以解决不确定性问题，如果需要解决10h以上的断续问题，就得加大储能电池的容量。实际上在夜间电网的用电量下降，光伏发电可以退出。三、课堂互动1.思考：为什么光伏电池需要MPPT功能？2.提问：逆变器智能温控技术如何实现节能和降噪？四、能力培养1.能解释光伏电池的发电原理；2.能看懂光伏阵列的P-U曲线，并理解MPPT的作用；3.能说明逆变器智能温控和绝缘监测的重要性。五、课堂总结光伏发电的核心是PN结的光伏效应，而并网逆变器的核心是MPPT技术。通过MPPT，逆变器能最大化地利用太阳能，提高发电效率。同时，智能温控和绝缘监测等辅助功能，保障了逆变器自身的安全可靠运行，是光伏系统稳定并网的重要保障。

××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节任务光伏并网发电课次/周授课方法讲授+案例分析+总结归纳教具PPT、高压穿越特性曲线、孤岛效应示意图、项目总结图表教学内容1.光伏并网的特殊要求（高压穿越）；2.孤岛效应及其保护；3.并网逆变器的保护功能（过压、欠压、过频、欠频、孤岛、过载等）；4.项目总结（储能、逆变器、产业化）；5.变频器与逆变器的关系。教学目标知识目标：掌握高压穿越和孤岛效应概念，熟记逆变器保护功能，理解项目总结的核心要点。能力目标：能分析高压穿越和孤岛效应的危害，了解逆变器的全面保护机制，总结项目核心技术。重点、难点重点：孤岛效应保护、逆变器保护功能、项目总结；难点：高压穿越原理、孤岛效应检测原理。复习提问1.什么是最大功率点跟踪（MPPT）？2.逆变器绝缘监测目的是什么？作业1.简述孤岛效应的危害及保护方法。2.列出并网逆变器的主要保护功能。3.总结变频器与逆变器的异同点。授课时长2学时课后小结本节课完成项目学习与总结。光伏并网除了基本的电能转换，还需满足电网的特殊要求，如高压穿越和防孤岛效应。并网逆变器具备完善的保护功能，确保自身和电网的安全。项目总结指出，储能技术解决了光伏发电的存储难题，并网逆变器解决了电能的输出难题，二者共同推动了光伏发电的产业化。从本质上讲，逆变器就是一种特殊应用的变频器，掌握了变频器的核心技术，就能理解逆变器的工作原理。教案附页注释【知识学习】一、课堂导入光伏发电要成功并入电网，不仅要解决电能转换和效率问题，还必须满足电网对安全和稳定性的严格要求。本节课将学习光伏并网过程中的特殊技术要求、逆变器的保护功能，并对整个项目进行总结。二、知识学习9.3.1逆变器原理1.逆变单元工作原理图9-15是逆变单元原理图，图中“逆变电路”和变频器相同。也是通过PWM脉宽调制技术，将直流电逆变为三相正弦交流电并入国家电网。对并入国家电网的三相交流电有严格要求，相位要和电网同步，电压幅值要和电网电压相等。逆变器采用PID闭环控制，完成对电网的跟踪。（1）逆变电路图中“逆变电路”和变频器的逆变电路相同。是由VT1~VT6共6只IGBT组成的3个逆变“半桥”，每个“半桥”由上下2只IGBT组成，工作时互补导通。假如VT1导通，VT2截止，电流流进变压器；VT2导通，VT1截止，电流由变压器流进逆变器，相线上得到交流电。3个“半桥”的工作原理相同，即变压器上得到三相交流电。图中“电抗器”具有缓冲和滤波两方面的作用，没有电抗器，逆变器不能工作。（2）同步跟踪逆变器输出的三相交流电和电网上的三相交流电必须频率同步、相位同步。并且输出电压的幅值高于电网电压。①相位跟踪。在图9-15中，“电网相位”为跟踪控制的“目标信号”，“电流相位”为逆变器现场信号，二者的差值作为PID控制的误差信号，用于修正“PWM信号发生器”的“相位角△φ”，保证逆变器输出电流和电网电压同相位。②功率跟踪。“主控制板”将逆变器的额定输出功率作为“目标信号”，将逆变器的输出电流作为“现场信号”，二者的差值作为PID误差信号，控制PWM信号发生器的△U，即控制逆变器的输出功率P。③“泵升”电路。光伏阵列输出电压低于800V，通过VT和升压电抗器组成的“泵升”电路升压为800V，供逆变器工作。图9-15逆变系统原理图3.辅助电路辅助电路主要是将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。辅助电路还包含多种检测、显示电路。逆变器的显示功能主要包括：直流输入电压和电流的测量值，交流输出电压和电流的测量值，逆变器的工作状态（运行、故障、停机等）。4.保护电路逆变器的保护电路主要包括输入过压、欠压保护，输出过压、欠压保护，过载保护，过流和短路保护，接反保护，过热保护等。9.3.2光伏逆变系统1.逆变系统框图图9-16是逆变系统框图，图中升压变压器是将逆变功率单元输出的三相交流电升到20~35kV。因为逆变器的输出电压和输出电流有限，需要几十组逆变器并联才能满足输出电流的要求，因此，升压变压器要有多个“一次绕组”。逆变器输出的是“PWM”脉宽调制波，会产生高次谐波，可以采用反向互补进行消除。图中主控制板是逆变器的控制核心，为逆变单元中的IGBT提供驱动信号，又将逆变器的电流、电压、温度等检测信号回传到主控制板。为了防止信号传递中受到电磁干扰，采用光纤传递。变压器的输出电流、输出电压检测信号均传到主控制板，由主控制板处理后在人机界面上显示。RS485、以太网通信接口是和外网通信联系的接口。国家电网的调度信号就通过以太网传输。并网控制柜是控制35kV高压投入到高压电网的投、切控制电路，柜内控制电器有隔离开关、避雷器、高压负荷断路器等高压设备。图9-16逆变系统框图2.逆变实体单元模块图9-17是逆变单元实体图，看到的“面”是“信号板”，由板中可见，上下有6组接口，这6组接口功能相同，是6只TGBT的驱动信号接口；左边有3组接口，是3相检测信号接口；右边有3组接口，是光纤接口。主控制板将控制信号通过光纤传递到“逆变单元”。光纤接口内有“光/电转换器”和“电/光转换器”，将“光信号”还原为“电信号”或者将“电信号”转换为“光信号”。主控制板对“逆变单元”的控制信号由“光/电转换器”还原为“电信号”；逆变单元”向主控制板发回的电压、电流、温度等检测电信号由“电/光转换器”转换为“光信号”由光纤传回。逆变单元实体图的“背面”，安装IGBT模块、散热器、电压、电流检测板等功率部件和检测板。逆变单元又称逆变功率模块，一般控制柜需要十几到二十几块逆变功率模块。是逆变柜中发热量最大和故障率最高的部件。图9-17逆变单元实体图9.3.3光伏发电并网逆变器应用逆变器就是变频器的逆变部分，工作原理和变频器相同。下面以国产3.125MW逆变器进行分析。1.逆变器系统结构图9-18是并网逆变器系统外形图。由3大部分组成，分别是逆变柜、升压变压器和并网控制柜。该逆变系统参数见表9-3。图9-18并网逆变系统2.人机界面HMI光伏逆变器人机界面是总控制源，光伏逆变器运行停机、参数设置、工作状态指示都由人机界面来完成。图9-19是HMI主界面，主界面说明见表9-4。图9-19HMI主界面2.开机/停机逆变器系统涉及到直流柜、交流柜、超高压交流柜及高压变压器；信号控制柜、智能控制柜等，这些控制柜哪一个没有到位，都不能开机。直流柜、交流柜、信号控制柜、智能控制柜等安装在“逆变柜”中。（1）直流柜图9-20是直流柜外形图，直流柜分（a）、（b）两组，每组中安装12个功率单元。图中QS25是交流维护开关，QS2是直流维护开关；QS1和QS3是负荷开关。开关功能见表9-5。（a）（b）图9-20直流柜（2）交流柜图9-21是交流柜，交流柜是24组功率单元的输出交流电流处理柜，柜中有24个“电抗器”，一端连接到“功率单元”输出端，另一端连接到“升压变压器”的一次绕组。图中QF1、QF2是交流断路器，起到接通/断开逆变器交流侧的作用。Fuse是防雷器“熔丝”，当电网遭到雷击，“熔丝”熔断保护。图9-21交流柜（3）智能配电柜智能配电柜（简称“配电柜”）如图9-22所示。图中A是多组微型断路器，QS4是旋转开关。开关作用为接通/断开信号电流。图9-22智能配电柜（4）开机前检查在完成维护或检修等工作后，需要对逆变器内设备执行开机操作。在开机操作执行前，要仔细核对下列项，确保无误。①所有连接都是根据产品手册和电路图进行的。并且没有遗漏。②逆变单元交流侧防雷器熔丝已安装（要认真核对）。③设备内部的保护罩已安装牢固（保护罩有两方面作用，一是防止触电，二是防止设备损坏）④紧急停机按钮处于松开状态⑤使用合适的测量仪器，检查光伏组件是否存在接地故障（可以采用低压摇表测量）。⑥使用万用表检测交、直流侧电压是否满足逆变器启动条件，且无过压危险。⑦使用万用表测量直流侧电压，检查极性是否正确。在满足上述条件下，方可执行开机操作。9.3.4光伏逆变器参数设置1.光伏逆变器和变频器负载的区别光伏逆变器和变频器从逆变原理和控制原理都是一样的，只是负载不同。光伏逆变器的负载是三相电网，三相电网可等效为内阻为0Ω的电动机，如图9-23所示。我们以电动机负载作比较，分析参数设置。电动机需要设置的参数是额定电压、额定电流、额定功率等，电网的设置参数是额定功率。变频器在位能负载上应用，电动机会出现倒发电，要设置制动电阻；光伏逆变器在工作中，有时电网会突然上升，会出现电流倒灌，称为“高电压穿越”，要进行参数设置。电动机绕组短路、负载重，变频器要进行过电流保护；光伏逆变器当遇到电网“失压”情况，类似于电动机绕组短路，称为“低电压穿越”，光伏逆变器要进行参数设置。图9-23电网等效电路2.逆变器有功功率设置（1）有功功率电网就是逆变器的负载，在下述情况下，需要对逆变器的有功功率输出进行限制：①存在威胁系统安全运行的潜在危险；②逆变器并入的电网支路存在过载风险；③影响稳态电网或动态电网稳定性的风险因素；④频率上升进而威胁到系统稳定性；⑤电网自身维护、修善等工作的需要。（2）设置方法通过人机界面对逆变器的有功功率输出进行调节。操作步骤为：①在导航栏，点击“设备监控”；②在设备列表栏，选择设备；③点击“运行参数”，进入参数设置页面。④找到“限制功率（%）”参数项，输入设置值。⑤在界面右上角，点击“设置”。3.“低电压穿越”和“高压穿越”参数设置（1）低电压穿越《

GB19964-2012光伏发电站接入电力系统技术规定》中规定：大中型光伏电站应具备一定的低电压穿越能力。低电压穿越能力定义：当电力系统发生不同类型故障或扰动引起光伏电站并网点的电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，光伏电站能够保证不脱网连续运行的能力。当电网电压跌落为零，逆变器相当于输出短路，理论上输出电流为无穷大，逆变模块IGBT会瞬间损坏，故此要求逆变器关断时间越短越好。但突然关断逆变器是做不到的，要求应能不脱网连续运行0.15s。UT为并网点电压，Upu为并网点额定电压，图9-24是大型光伏电站低电压耐受能力特性线，图中T1，T2，U1和U2均为可设参数，设置方法也是点击“运行参数”，进入“参数设置”页面，找到“低电压穿越参数”项，进行参数设置。从逆变器安全的角度着想，电网电压出现“穿越”，“T值”设置时间越短，逆变器越安全。但是“T值”设置时间短，遇到穿越就跳闸，影响正常工作。图9-24光伏电站低电压耐受能力特性线（2）“高电压穿越”参数设置《

GB19964-2012光伏发电站接入电力系统技术规定》中规定：光伏发电站在一定的并网点电压范围内应能按规定运行。与高电压穿越相关的具体要求见表9-6。图9-25是高压穿越应对特性线，由图中可见，当电网电压UT达到了1.3Upu，逆变器属于电流倒灌状态，必须马上从电网中切出，否则会损坏逆变管。当电网电压UT达到了1.2Upu,10s后逆变器从电网中切出。图9-25高压穿越应对特性线3.最大功率点跟踪策略作为光伏并网发电系统中的核心设备，逆变器必须能够寻求到光伏电池的最佳工作状态，以最大限度地将光能转化为电能。这个最佳工作点就是光伏阵列“I-U曲线”上的“膝点”或“P-U曲线”上的峰值点，见图9-26所示。快速地追踪到光伏阵列的最大功率点，保证随时从光伏阵列获取最大的可用能量加以转换，提高系统发电总量。图9-26P-U跟踪曲线4.智能温控技术IGBT是半导体器件