逆變技術(shù)在光伏電站中應(yīng)用

1、逆變技術(shù)在光伏電站中的應(yīng)用介紹內(nèi)容1光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)3 光伏電站設(shè)計(jì)及建設(shè)4光伏電站的監(jiān)控 光伏逆變器原理及相關(guān)設(shè)計(jì)2目錄2一、光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及特點(diǎn) 太陽能發(fā)電的優(yōu)勢取之不盡，用之不竭對(duì)環(huán)境無污染，零排放隨處可得，就近供電，不需輸送無機(jī)械傳動(dòng)部件，不存在機(jī)械磨損，維護(hù)簡單，運(yùn)行可靠太陽能光伏發(fā)電的缺點(diǎn)能量密度低間歇性受氣候環(huán)境因素影響大3光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類并網(wǎng)系統(tǒng)將光伏電能轉(zhuǎn)化成交流電能送上電網(wǎng)獨(dú)立系統(tǒng)（離網(wǎng)系統(tǒng)）光伏電能通過控制器儲(chǔ)存在蓄電池中，給交流/直流負(fù)載提供穩(wěn)定交流/直流電壓源混合系統(tǒng)（雙模式系統(tǒng)）既能并網(wǎng)、又能獨(dú)立運(yùn)行的光伏系統(tǒng)45介紹內(nèi)容1光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)3

2、光伏電站設(shè)計(jì)及建設(shè)4光伏電站的監(jiān)控 光伏逆變器原理及相關(guān)設(shè)計(jì)2目錄研究目標(biāo)與技術(shù)路線26介紹內(nèi)容 光伏逆變器原理及相關(guān)設(shè)計(jì)2研究目標(biāo)與技術(shù)路線2 光伏逆變器工作原理、控制原理、保護(hù)功能 光伏逆變器的相關(guān)設(shè)計(jì)7一光伏逆變器原理光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器逆變器的作用直流電能（太陽能電池或蓄電池） 交流電能（電網(wǎng)或負(fù)載）逆變器的功能并網(wǎng)系統(tǒng)（電流控制）： 太陽能 穩(wěn)定的交流功率(電流)電網(wǎng)獨(dú)立系統(tǒng)（電壓控制）： 太陽能(蓄電池)穩(wěn)定的交流/直流電壓 負(fù)載8光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的要求合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，具備各種保護(hù)功能；較寬的直流輸入電壓適應(yīng)范圍；較少的電能變換中間環(huán)節(jié)，以節(jié)約成本、提高效率

3、；高效率；高可靠性，無人值守和維護(hù)；輸出電壓、電流滿足電能質(zhì)量要求，諧波含量小，功率因數(shù)高；具有一定的過載能力。9目前市場上的逆變器技術(shù)大至分為以下七種拓?fù)洌?）先升壓 再逆變圖1-1圖1-1前級(jí)為單boost升壓電路，后級(jí)為全橋逆變結(jié)構(gòu)。由于升壓部分受升壓倍數(shù)和功率限制，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變電路特別適合小型、單相并網(wǎng)逆變器，而且適合直流電壓較低系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：效率較高，可高達(dá)98%，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕缺點(diǎn)：由于輸入輸出不隔離，對(duì)系統(tǒng)的絕緣、系統(tǒng)接地及人員安全造成不利增加對(duì)輸出直流分量的檢測，防止直流分量注入電網(wǎng)另外，前級(jí)有的為雙boost升壓電路10雙Boost電路圖1-2圖1-2拓?fù)浔硎?/p>

4、的是雙Boost電路，采用這種拓?fù)涞淖儞Q器主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）與傳統(tǒng)的升壓變換器相比，電感減小一半；（2）開關(guān)管的電流等級(jí)減小一半；（3）明顯降低了輸入電流的諧波；（4）有效解決了二極管反向恢復(fù)電流的沖擊問題；（5）簡化了輸出的直流濾波電路，提高了直流輸出質(zhì)量。112）直接逆變輸出圖1-3圖1-3表示的拓?fù)淝凹?jí)去除了boost升壓電路優(yōu)點(diǎn)：與第一種拓?fù)湎啾?，結(jié)構(gòu)更加簡單，成本更低，體積更小，質(zhì)量更輕，效率更高甚至高達(dá)99%，因?yàn)檫@種逆變器輸入直流電壓較高。直流電壓較高決定了通態(tài)損耗較低，而且無變壓器；缺點(diǎn)：與第一種拓?fù)湎啾缺仨氁休^高的串聯(lián)電壓，從而限制了逆變器輸入電壓范圍。 另外要求逆變器

5、功率相對(duì)較大。容易引入直流分量 要增加對(duì)輸出直流分量的檢測，防止直流分量注入電網(wǎng)123）帶高頻變壓器隔離 先逆變升壓整流再逆變輸出圖1-4拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)先逆變升壓整流，在較高直流下再逆變輸出優(yōu)點(diǎn)：具有較高的效率 可達(dá)96%，體積小，質(zhì)量輕，成本較低，不影響系統(tǒng)接地缺點(diǎn)：輸出要加直流分量檢測，控制直流分量以避免注入電網(wǎng)，由于受高頻變壓器磁芯等影響只能用于小型逆變器的使用圖1-4134）先逆變?cè)偕龎焊綦x輸出圖1-5圖1-5表示的拓?fù)湓诓⒕W(wǎng)逆變器中使用較廣優(yōu)點(diǎn)：不影響系統(tǒng)接地、系統(tǒng)絕緣、不需要交流輸出側(cè)的直流分量檢測與控制缺點(diǎn)：由于在相對(duì)較低直流電壓下逆變，開關(guān)損耗以及通態(tài)損耗較高，加之工頻變壓器的損耗使

6、得逆變器整體效率較低，最高約為96%145）直接逆變輸出 經(jīng)電力變壓器升壓饋入高壓電網(wǎng)圖-1-6圖1-6表示的拓?fù)湓诖笮筒⒕W(wǎng)系統(tǒng)中有較多應(yīng)用 如：大型并網(wǎng)逆變器直流輸入為440V 900V 4400.612 270V 電力變壓器匝比可做成270V/10KV等優(yōu)點(diǎn)：可大大提高并網(wǎng)效率和節(jié)約成本 同時(shí)便于用于當(dāng)?shù)剡x擇適合電網(wǎng)要求的變壓器。15優(yōu)點(diǎn)：由于具有多個(gè)DC-DC電路即具有不同的MPPT 輸入回路，適合多個(gè)不同傾斜面方陣或不同組件接入， 克服了由于太陽電池組件參數(shù)的離散性或太陽輻射條件的差異會(huì)造成太陽電池組件并聯(lián)情況下能量損失，可以增加系統(tǒng)的發(fā)電量在3%-10%。十分適合應(yīng)用于光伏建筑項(xiàng)目缺

7、點(diǎn)：由于輸入輸出不隔離，對(duì)系統(tǒng)的絕緣、系統(tǒng)接地及人員安全造成不利增加對(duì)輸出直流分量的檢測，防止直流分量注入電網(wǎng)6）多路MPPT輸入逆變器16 7）主從逆變單元結(jié)構(gòu)的逆變系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，空載損耗較小。根據(jù)光照強(qiáng)弱，群控器自動(dòng)逐臺(tái)投切，控制投入運(yùn)行電源的數(shù)量，使每臺(tái)電源在較高的負(fù)載率下運(yùn)行，有效提高系統(tǒng)的效率。提高系統(tǒng)的壽命可根據(jù)光照情況，合理選擇某臺(tái)（某部分）投入運(yùn)行，系統(tǒng)的單臺(tái)可進(jìn)行輪休(循環(huán)工作) 。缺點(diǎn)：該系統(tǒng)通過直流母線將整個(gè)方陣并在一起，太陽電池組件參數(shù)的離散性或太陽輻射條件的差異會(huì)造成方陣在并聯(lián)情況下能量的損失。這種差異在太陽能光伏電站剛建好時(shí)可能不大，隨著使用時(shí)間的延長

8、，差異會(huì)越來越大。這種損失在大型太陽能光伏電站，特別是在BIPV項(xiàng)目中可能達(dá)到5%左右。17并網(wǎng)逆變器的主要組成部分主電路控制軟件系統(tǒng)保護(hù)（逆變系統(tǒng)保護(hù) + 并網(wǎng)保護(hù)）18主電路拓?fù)渥詭ё儔浩餍停翰粠ё儔浩餍停?9控制策略交流電流控制直流電壓控制最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制要求：快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定20光伏并網(wǎng)逆變器控制框圖21MPPT控制策略 光伏電池輸出特性隨溫度、光照條件變化而變化。 最大功率點(diǎn)跟蹤的過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過程，即通過追蹤光伏電池端最高電壓電流值，來確定最大功率點(diǎn)輸出。22逆變系統(tǒng)保護(hù)內(nèi)容過電流保護(hù)過載保護(hù) 過熱保護(hù) 直流/交流過電壓保護(hù)直流/交流欠電壓保護(hù)電網(wǎng)過欠頻防雷保護(hù)

9、對(duì)地絕緣保護(hù)極性反接保護(hù)過溫保護(hù)低電壓穿越防逆流保護(hù)孤島運(yùn)行檢測被動(dòng)式檢測： 相位跳躍檢測法等主動(dòng)式檢測： 主動(dòng)頻率偏移法等232425500kW逆變器底座安裝尺寸圖2627282930Page 31系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證系統(tǒng)仿真模型建立基于先進(jìn)的MATLAB與Saber軟件的仿真模型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 系統(tǒng)控制策略驗(yàn)證驗(yàn)證系統(tǒng)控制策略指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)31縮短開發(fā)周期，提高響應(yīng)速度提供最佳工程方案系統(tǒng)半實(shí)物仿真：系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證32應(yīng)力分布三維建模階段模態(tài)位移分析機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)33Page 34性能試驗(yàn)34Page 352022/8/10逆變器效率 歐洲效率（加權(quán)

10、效率）最大效率98.6% 歐洲效率 98.2% 10%額定功率效率90% 500K對(duì)應(yīng)：35逆變器功率因素500K對(duì)應(yīng)：輸出功率/額定功率%功率因素36介紹內(nèi)容3 光伏電站設(shè)計(jì)及建設(shè)1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)4光伏電站的監(jiān)控 光伏逆變器原理及相關(guān)設(shè)計(jì)2目錄37大型并網(wǎng)光伏電站配置拓?fù)鋱D38大型電站設(shè)備配置組成太陽能方陣防雷匯流箱直流配電柜高低配柜變壓器(室內(nèi)或室外)并網(wǎng)及數(shù)據(jù)顯示和通信逆變器39并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟前期準(zhǔn)備技術(shù)方案確定設(shè)備選型工程設(shè)計(jì)特殊設(shè)計(jì)在考察的基礎(chǔ)上進(jìn)行可行性設(shè)計(jì)與研究、項(xiàng)目申報(bào)組件、逆變器、監(jiān)控、其它輔助設(shè)備、運(yùn)行方式確認(rèn)土建施工、抗風(fēng)能力、防雷接地、電網(wǎng)電氣接

11、入系統(tǒng)占地計(jì)算、場地、基礎(chǔ)、機(jī)房、圍欄、自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)40光伏電站典型1MW子系統(tǒng)說明特點(diǎn)說明 ：電站采用“集中設(shè)計(jì)、集中控制、單點(diǎn)并網(wǎng)”的總體技術(shù)方案在電氣線路上，并網(wǎng)系統(tǒng)分為多個(gè)獨(dú)立的1MWp分系統(tǒng) 每個(gè)1MWp分系統(tǒng)包括2個(gè)500kWp子系統(tǒng)、1臺(tái)1000kVA的升壓變壓器每個(gè)子系統(tǒng)由光伏方陣、防雷匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器組成，輸出為三相交流電光伏電站站用電：站用電源由10kV配電裝置引接（前端可加雙電源切換裝置），容量定為500kVA，站用電用于供給本站內(nèi)各處照明、暖通、檢修等負(fù)荷411MW子系統(tǒng)國內(nèi)外大、中型電站最為主流、最為典型的應(yīng)用系統(tǒng)單元在國內(nèi)外運(yùn)行最多、最安全穩(wěn)定的是1M

12、W子系統(tǒng)，具有成熟的配套元件產(chǎn)品及成熟的電氣保護(hù)線路，例如，市場設(shè)備廠家，專門提供1MW光伏專用升壓變系統(tǒng)及開關(guān)保護(hù)設(shè)備，此1MW結(jié)構(gòu)采用雙分裂雙繞組變壓器。對(duì)于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，影響系統(tǒng)的發(fā)電量是多方面的，而最直接的影響就是逆變器的效率和升壓變壓器的效率，所以為了提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，每個(gè) 1MW 并網(wǎng)子站采用 2臺(tái)單機(jī) 500KW 高效無變壓器型大功率并網(wǎng)逆變器，配置 1 臺(tái) （35）KV 雙分裂升壓變壓器，通過一次升壓方案完成 10（35）KV 上網(wǎng)發(fā)電。42太陽電池方陣間距計(jì)算計(jì)算當(dāng)太陽電池子陣前后安裝時(shí)的最小間距D一般確定原則：冬至當(dāng)天早9：00至下午3：00 太陽電池方陣不應(yīng)被遮擋4

13、3按照國家標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算間距： 當(dāng)光伏電站功率較大，需要前后排布太陽電池方陣，或當(dāng)太陽電池方陣附近有高達(dá)建筑物或樹木的情況下，需要計(jì)算方陣自身、建筑物或樹木的陰影，以確定方陣間的距離或太陽電池方陣與建筑物的距離。一般確定原則：冬至當(dāng)天早9：00至下午3：00 太陽電池方陣不應(yīng)被遮擋。計(jì)算公式如下：太陽高度角的公式：sin = sin sin+cos cos cos太陽方位角的公式：sin = cos sin/cos式中：為當(dāng)?shù)鼐暥?；為太陽赤緯，冬至日的太陽赤緯為度；為時(shí)角，上午9:00的時(shí)角為45度。D = cosL，L = H/tan， = arcsin (sin sin+cos cos co

14、s)44太陽電池方陣抗風(fēng)能力設(shè)計(jì)（依據(jù)：GB50009-2006 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范、GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范）1、需要計(jì)算受風(fēng)梁在受風(fēng)條件下的彎曲應(yīng)力和彎曲度；2、需要計(jì)算支撐臂在順風(fēng)條件下的壓曲強(qiáng)度和逆風(fēng)條件下的拉伸強(qiáng)度；3、需要計(jì)算在受風(fēng)條件下螺栓的剪切力（折斷力）的耐受強(qiáng)度。45屋頂光伏陣列運(yùn)行方式分析固定式：發(fā)電量低，成本低，安裝簡單方便，適用于大多數(shù)屋頂結(jié)構(gòu)形式，便于維護(hù)。自動(dòng)跟蹤式：發(fā)電量最高，成本也增加較多，需要一定的維護(hù)工作，只能安裝在有一定支承能力的平頂屋頂結(jié)構(gòu)上。幾種安裝運(yùn)行方式發(fā)電量對(duì)比圖：46光伏組串?dāng)?shù)設(shè)計(jì)取決于逆變器的直流輸入電壓范圍和最高允許電壓取決于

15、光伏組件的Vmp和Voc 取決于當(dāng)?shù)囟景滋熳畹蜏囟?溫度系數(shù)的比例關(guān)系) 根據(jù)電池板的規(guī)格：30Vmp一般設(shè)計(jì)在2021串聯(lián) 36Vmp一般設(shè)計(jì)在1618串聯(lián) 48Vmp一般設(shè)計(jì)在1214串聯(lián)47光伏電站的防雷和接地措施1：架設(shè)避雷針防止低空直擊雷措施2：太陽電池方陣支架可靠接地措施3：太陽電池方陣防雷匯流箱內(nèi)，加裝防雷器，機(jī)殼可靠接地措施4：機(jī)房設(shè)備需可靠接地措施5：控制室進(jìn)、出線處均增設(shè)防雷隔離箱，內(nèi)裝防雷器，防止感應(yīng)雷48防雷措施49防雷基本概念接閃器：直接截受雷擊的避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)等，架空安裝引下線（建筑）：連接接閃器和接地體的金屬導(dǎo)體。1、2、3類建筑的引下線均不得少于2根接

16、地體：埋入土壤中或混凝土基礎(chǔ)中作為散流作用的導(dǎo)體接地線：連接引下線和接地體的導(dǎo)體過電壓保護(hù)器：避雷器、放電間隙、壓敏電阻等防雷裝置：接閃器、接地體、接地線、引下線、過電壓保護(hù)器的總合接地：將接閃器、被保護(hù)裝置、設(shè)備或過電壓保護(hù)器用接地線與接地體連接，稱為接地接地包括：工作接地、保護(hù)接地和過電壓保護(hù)接地50設(shè)備接地和系統(tǒng)接地SJ/T 11127-1997 光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護(hù) - 導(dǎo)則51太陽電池方陣的線路防雷逆變器交流側(cè)和直流側(cè)的線路防雷52535455565758596061介紹內(nèi)容1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及特點(diǎn) 光伏逆變器原理及相關(guān)設(shè)計(jì)2目錄3 光伏電站設(shè)計(jì)及建設(shè)4光伏電站的監(jiān)控62光伏電站的監(jiān)控及調(diào)度技術(shù)IEEE1547規(guī)定，功率超過250kW的分布式電源必須安裝監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)視電站的接入狀態(tài)、有功、無功輸出和連接點(diǎn)的電壓大功率逆變器要求具有：接受遠(yuǎn)方調(diào)度指令進(jìn)行有功輸出調(diào)節(jié)、功率因素的調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)功能、低電壓穿越功能等63監(jiān)控系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件，構(gòu)建統(tǒng)一的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺(tái)，通過采集裝置采集電站內(nèi)所有發(fā)電設(shè)備的數(shù)據(jù)，包括以下設(shè)備：逆變器、匯流箱、直流柜，環(huán)境監(jiān)測儀。實(shí)現(xiàn)電站內(nèi)所連設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、管理和存貯。監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能：數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)監(jiān)視 通信機(jī)制 系統(tǒng)管理安全措施 數(shù)據(jù)庫功能 計(jì)算處理功能事件記錄及