光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變及低壓側(cè)電網(wǎng)接入技術(shù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變及低壓側(cè)電網(wǎng)接入技術(shù)第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日目錄

一、目前市場上光伏逆變器的技術(shù)狀況二、孤島效應(yīng)及MPPT三、并網(wǎng)逆變器可靠性設(shè)計(jì)和技術(shù)指標(biāo)四、光伏發(fā)電系統(tǒng)低壓側(cè)并網(wǎng)概念五、光伏發(fā)電系統(tǒng)低壓側(cè)并網(wǎng)特點(diǎn)六、光伏發(fā)電系統(tǒng)低壓側(cè)并網(wǎng)方案七、冠亞電源公司及產(chǎn)品介紹第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日一、目前市場上光伏逆變器的技術(shù)狀況第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日光伏并網(wǎng)逆變器將光伏電池發(fā)出的直流電變換為與電網(wǎng)同步的交流電并饋送電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器是連接光伏方陣和電網(wǎng)的關(guān)鍵部件，它完成控制光伏方陣最大功率點(diǎn)運(yùn)行和向電網(wǎng)注入正弦電流兩大主要任務(wù)光伏方陣逆變器計(jì)量裝置匯流裝置第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日從專業(yè)的角度看逆變器需要滿足以下要求：合理的電路結(jié)構(gòu)嚴(yán)格篩選的元器件具備輸入直流極性反接、交流輸出短路、過熱過載等各種保護(hù)功能具有可靠的孤島檢測和很高的MPPT精度控制具有較寬的直流輸入電壓適應(yīng)范圍。由于光伏方陣的端壓以及最大功率點(diǎn)隨日照強(qiáng)度溫度等因素而變化，因此逆變器必須能在較寬的直流輸入電壓范圍內(nèi)正常工作，且保證交流輸出電壓的穩(wěn)定盡量減少中間環(huán)節(jié)(如蓄電池等)的使用，以節(jié)約成本、提高效率成本低效率高壽命長安全性第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日目前市場上的逆變器技術(shù)大至分為以下七種拓?fù)洌海?）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，對系統(tǒng)的絕緣、系統(tǒng)接地及人員安全造成不利增加對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升壓電路第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日雙Boost電路圖1-2圖1-2拓?fù)浔硎镜氖请pBoost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。第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日（2）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。另外要求逆變器功率相對較大。容易引入直流分量,要增加對輸出直流分量的檢測，防止直流分量注入電網(wǎng)第八頁，共五十一頁，2022年，8月28日（3）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1-4第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日（4）先逆變再升壓隔離輸出圖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得逆變器整體效率較低，最高約為96%第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日（5）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～900V440×0.612≈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。第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日優(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)目缺點(diǎn)：由于輸入輸出不隔離，對系統(tǒng)的絕緣、系統(tǒng)接地及人員安全造成不利增加對輸出直流分量的檢測，防止直流分量注入電網(wǎng)（6）多路MPPT輸入逆變器第十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日（7）主從逆變單元結(jié)構(gòu)的逆變系統(tǒng)第十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日優(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，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。第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日逆變器的輸入和輸出之間采用電氣隔離裝置（隔離變壓器）作用：1、人員安全隱患：方陣一端不能夠做接地保護(hù)，操作安全隱患很大；

2、設(shè)備安全隱患：

直流電可能竄入交流電網(wǎng)，交流電也可能竄入方陣；

3、方陣的對地電容無法釋放，存在隱患。一個(gè)讓人來使用的工業(yè)產(chǎn)品，從來都不是效率第一，而應(yīng)該是安全第一。

在當(dāng)前器件材料沒有重大突破情況下，當(dāng)標(biāo)示的光伏并網(wǎng)逆變電源效率高達(dá)97%~98%時(shí)，一定是以下兩種情況：

輸入與輸出沒有電氣隔離裝置；

在計(jì)算效率時(shí)，把輸出到電網(wǎng)的無功功率也計(jì)入分析，從而得到的數(shù)值很高。

第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、孤島效應(yīng)及MPPT第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日孤島效應(yīng)及其危害孤島效應(yīng)是指光伏并網(wǎng)逆變器構(gòu)成的局部電網(wǎng)從主電網(wǎng)脫離出來，并且在此局部電網(wǎng)中光伏并網(wǎng)逆變器持續(xù)給負(fù)載供電的一種電氣現(xiàn)象。第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日孤島效應(yīng)現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的后果：1）孤島中的電壓和頻率無法控制，可能會(huì)用電設(shè)備造成損壞；2）孤島中的線路仍然帶電，會(huì)對維修人員造成人身危險(xiǎn)；3）當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)有可能造成非同相合閘，導(dǎo)致線路再次跳閘，對光伏并網(wǎng)逆變器和其他用電設(shè)備造成損壞；4）孤島效應(yīng)時(shí)，若負(fù)載容量與光伏并網(wǎng)器容量不匹配，會(huì)造成對逆變器的損壞。從用電安全與電能質(zhì)量考慮，孤島效應(yīng)是不允許出現(xiàn)的；孤島發(fā)生時(shí)必須快速、準(zhǔn)確地切除并網(wǎng)逆變器，由此引出了對于孤島效應(yīng)進(jìn)行檢測控制的研究。第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日孤島效應(yīng)的檢測一般分成被動(dòng)式與主動(dòng)式。1）被動(dòng)式檢測是利用電網(wǎng)監(jiān)測狀態(tài)(如電壓、頻率、相位等)作為判斷電網(wǎng)是否故障的依據(jù)。如果電網(wǎng)中負(fù)載正好與逆變器輸出匹配，被動(dòng)法將無法檢測到孤島的發(fā)生。2）主動(dòng)檢測法則是通過電力逆變器定時(shí)產(chǎn)生干擾信號(hào)，以觀察電網(wǎng)是否受到影響作為判斷依據(jù)，如脈沖電流注入法、輸出功率變化檢測法、主動(dòng)頻率偏移法和滑模頻率偏移法等。3）它們在實(shí)際并網(wǎng)逆變器中都有所應(yīng)用，但也存在著各自的不足。當(dāng)電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時(shí)，頻率偏移法無法檢測到孤島效應(yīng)，即存在“檢測盲區(qū)。4）電網(wǎng)阻抗檢測法，當(dāng)電網(wǎng)的阻抗發(fā)生突變或變得比較大時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生了孤島。但要結(jié)合被動(dòng)式和主動(dòng)式檢測。5）研究多逆變器的并網(wǎng)通信、協(xié)同控制已成為其孤島效應(yīng)檢測與控制的研究趨勢。第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日圖2-2MPPT尋優(yōu)曲線由于光伏方陣的最大功率點(diǎn)是一個(gè)變量，因而采用自尋優(yōu)算法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。這種算法對方陣當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測，得到當(dāng)前方陣的輸出功率，再與已被存儲(chǔ)的前一時(shí)刻方陣功率相比較，舍小取大，不斷檢測，比較，尋優(yōu)，如圖2-2所示。第二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日圖2-1硅電池伏安特性曲線圖最大功率跟蹤點(diǎn)（MPPT）第二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日

光伏方陣是有多個(gè)太陽能電池組合而成，硅太陽電池方陣具有圖2-1所示的伏安特性?？墒枪夥疥嚲哂蓄愃朴凇半娏髟础碧匦浴Ｔ诓煌娜丈鋸?qiáng)度下，它與負(fù)載特性L的交點(diǎn)，如a、b、c、d、e等為當(dāng)前的工作點(diǎn)。然而這些工作點(diǎn)并不正好落在方陣可能提供的最大功率點(diǎn)上，如a′、b′、c′、d′、e′上，這就不能充分利用在當(dāng)前日射下方陣所能提供的最大功率。

如果我們采用控制的方法，使光伏方陣一直工作在最大功率點(diǎn)上，這時(shí)光伏方陣能量利用率將最大。研究表明影響最大功率點(diǎn)的主要因素除材料工藝外，還有環(huán)境溫度，以常規(guī)單晶硅太陽能電池為例，當(dāng)環(huán)境溫度每升高1攝氏度時(shí)，其開路電壓下降率約為0.35%～0.45%。第二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日基于導(dǎo)納最優(yōu)法的MPPT系統(tǒng)由于光伏電池在不同的工作條件下其輸出電能具有不同的伏安特性，呈非線性特征，因而需要對光伏電池的輸出最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，使其輸出電能始終工作在最大功率上，以最大限度地利用太陽能，這對光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定高效工作起到至關(guān)重要的作用。MPPT（MaxPowerPointerTracking）是當(dāng)前采用較為廣泛的一種光伏陣列功率點(diǎn)控制方式。這種方式實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流，來跟蹤最大功率點(diǎn)。由于太陽能光伏組件U-I強(qiáng)烈的非線性和受溫度的影響很大，這樣就使得實(shí)現(xiàn)MPPT變得非常復(fù)雜，而目前日本、美國和歐洲主要采用電導(dǎo)增量法(IncrementalConductanceAlgorithms)，國內(nèi)主要采用的是擾動(dòng)觀察法P&O（Perturb&ObserveAlgorithms）、模糊邏輯控制和最優(yōu)梯度法，但是上述方法在控制精度、穩(wěn)定性和運(yùn)算難度方面均有不足，在實(shí)際運(yùn)用中，要么對硬件要求高，要么出現(xiàn)程序失序現(xiàn)象，不能保證MPPT系統(tǒng)的正常運(yùn)行。第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日

我們結(jié)合電導(dǎo)增量法，和模糊控制法的優(yōu)點(diǎn)，自主研發(fā)了導(dǎo)納最優(yōu)法，建立模糊化的傳遞函數(shù)和反模糊化判決。通過光伏陣列P-U曲線求出光伏方陣Pmax，快速跟隨電壓電平變化，不要求很復(fù)雜化的算法，能夠快速追蹤太陽能電池最大功率，并可以很好地適應(yīng)各種場合對光伏系統(tǒng)MPPT控制的要求，試驗(yàn)證明此方法，較電導(dǎo)增量法具有更好的兼容不同系統(tǒng)和快速等效果。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)與測試，顯示其實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性能非常好，而且跟蹤穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，跟蹤精度高達(dá)99%。

在大型光伏電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中應(yīng)采用分布式MPPT技術(shù)第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日三、并網(wǎng)逆變器可靠性設(shè)計(jì)和技術(shù)指標(biāo)第二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日1、并網(wǎng)逆變器原理（500KW為例）第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日2、可靠性設(shè)計(jì)1)元器件1.1IGBT模塊具有較低的開關(guān)損耗和通態(tài)損耗，其飽和壓降要低德國infineon（英飛凌）、西門康和日本三菱第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日1.2接觸器由于光伏并網(wǎng)逆變器隨太陽起落每天至少開通關(guān)斷一次，所以對接觸器開關(guān)次數(shù)有較高要求，而且還需要接觸器具有滅弧功能，防止開起關(guān)斷時(shí)起電弧，影響壽命和安全性。采用品牌接觸器。第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日1.3空開由于大功率光伏并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓較高，而且電流較大，在合閘和分?jǐn)鄷r(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，直流系列空氣開關(guān)應(yīng)具有較高的耐壓和滅弧功能。第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日1.4電抗器電抗器主要起濾波和與電網(wǎng)匹配作用，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮漏抗繞阻電容，峰值磁通密度，直流繞阻電阻，高頻交流電阻，交流與直流銅損、鐵損和溫升，可有效抑制直流分量和電流諧波。第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日1.5母線電容光伏并網(wǎng)逆變器壽命和可靠性很大一方面在于電解電容，應(yīng)采用品牌電容，且具有充放電次數(shù)高，工作壽命可達(dá)10萬小時(shí)以上。第三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日1.6散熱風(fēng)機(jī)逆變器在工作過程中功率IGBT會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗和通態(tài)損耗，最終以熱能傳輸?shù)缴崞?，不能及時(shí)散熱對逆變器的壽命和效率危害較大（高溫產(chǎn)生元器件老化加快，且功率器件是負(fù)溫度特性，PN結(jié)溫度越高飽和壓降越大，產(chǎn)生的損耗功率越大），所以及時(shí)可靠散熱非常重要。滾筒風(fēng)機(jī)具有風(fēng)量大、壽命長、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日1.7防雷器防雷器可有效防止雷電及線路產(chǎn)生的浪涌，確保設(shè)備不受損壞?？蔁岵灏问椒览灼骷稍诓粩嚯?、不影響設(shè)備正常運(yùn)行的情況下進(jìn)行檢修和更換。第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日1.8DSP芯片采用32為數(shù)字信號(hào)處理器作為控制CPU(DSP數(shù)字技術(shù))，運(yùn)用SPWM調(diào)制策略，經(jīng)過優(yōu)化的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)保證設(shè)備的高效輸出最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）效率>99.99%。第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日四、光伏發(fā)電系統(tǒng)低壓側(cè)并網(wǎng)概念第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日1、光伏發(fā)電系統(tǒng)直接接入400V及以下電網(wǎng)2、即發(fā)即用直接和低壓側(cè)電網(wǎng)及負(fù)載發(fā)生聯(lián)系3、節(jié)約了中高壓配電成本及中高壓電力變壓器成本4、和中高壓系統(tǒng)相比，節(jié)省了升壓變壓器損耗及遠(yuǎn)程距離傳輸損耗5、利用現(xiàn)有配電變壓器，分?jǐn)偭俗儔浩鲹p耗6、可節(jié)省光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工時(shí)間7、可分為逆流系統(tǒng)和不可逆流系統(tǒng)第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日五、光伏發(fā)電系統(tǒng)低壓側(cè)并網(wǎng)特點(diǎn)及要求第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日由于低壓側(cè)并網(wǎng)（或用戶側(cè)并網(wǎng)），所以設(shè)計(jì)運(yùn)用低壓側(cè)并網(wǎng)接入的光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)充分考慮人的安全、分布式負(fù)載的安全、電網(wǎng)的安全、低壓配電系統(tǒng)的安全、光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全。第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日傳導(dǎo)干擾，輻射干擾：電網(wǎng)對逆變器產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾：反灌雜音、電壓閃變，電氣噪聲，浪涌電壓、高頻分量等。要求逆變器高性能正常工作。逆變器對于電網(wǎng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾：電流諧波，電壓閃變、直流分量、高頻分量、無功功率等。要求逆變器具有嚴(yán)格的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，必須達(dá)到權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測和認(rèn)證。逆變器對于空間的輻射干擾：要求逆變器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、PCB板及屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嚴(yán)密，必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。1）電磁兼容第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日2）絕緣和隔離盡可能選擇有輸出隔離變壓器的逆變設(shè)備直流、交流側(cè)配有分?jǐn)嚅_關(guān)具有較高絕緣電壓和絕緣電阻第四