光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類及其結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類及其結(jié)構(gòu)一．可調(diào)度式與不可調(diào)度式目前常見(jiàn)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)其系統(tǒng)功能可以分為兩類：一種為不含蓄電池的“不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”；另一種為系統(tǒng)包括蓄電池組作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的“可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”。兩者的系統(tǒng)配置示意圖如圖1和圖2所示?？烧{(diào)度式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)置有儲(chǔ)能裝置，兼有不間斷電源和有源濾波的功能，而且有益于電網(wǎng)調(diào)峰。但是，其儲(chǔ)能環(huán)節(jié)通常存在壽命短、造價(jià)高、體積笨重以及集成度低的缺點(diǎn)，因此，目前這種形式的應(yīng)用較少。可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與不可調(diào)度式相比，最大的不同是系統(tǒng)中配有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，通常采用鉛酸蓄電池組，其容量可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置。在功能上，可調(diào)度式系統(tǒng)有一定擴(kuò)展和提高，主要包括：（1）系統(tǒng)控制器中除了并網(wǎng)逆變器部分外，還包括蓄電池充放電控制器，根據(jù)系統(tǒng)功能要求進(jìn)行蓄電池組能量管理。（2）在交流電網(wǎng)斷電時(shí)，可調(diào)度式系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply,UPS）的功能，為本地重要交流負(fù)載供電。（3）較大容量的可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)還可以根據(jù)運(yùn)行需要控制并網(wǎng)輸出功率，實(shí)現(xiàn)一定的電網(wǎng)調(diào)峰功能。圖.1不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)配置示意圖雖然在功能上優(yōu)于不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，但由于增加了儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)存在著明顯的缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)是目前限制可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要原因，包括：（1）增加蓄電池組導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加。（2） 蓄電池的壽命較短，遠(yuǎn)低于系統(tǒng)其他部件壽命：目前免維護(hù)鉛酸蓄電池在合理使用下壽命通常為3到5年，而光伏陣列一般可以穩(wěn)定工作20年以上。（3）廢棄的鉛酸蓄電池必須進(jìn)行回收處理，否則將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。二．集中式發(fā)電與分布式發(fā)電根據(jù)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模和集中程度，可以將其分為集中式發(fā)電系統(tǒng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)。集中式發(fā)電系統(tǒng)可以看作一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電站，其峰值功率可以達(dá)到上兆瓦，輸出電壓等級(jí)也較高，可以直接連入中壓或高壓輸電網(wǎng)。例如上世紀(jì)90年代在西班牙托萊多建成的兆瓦級(jí)太陽(yáng)能電站，以及1999年在德國(guó)慕尼黑建成的與建筑集成的兆瓦級(jí)太陽(yáng)能電站。截止2005年，世界上最大的太陽(yáng)能電站是安裝在德國(guó)Espenhain的太陽(yáng)能電站，裝機(jī)容量5.5MWP，由約33,500個(gè)太陽(yáng)能電池組件組成，于2004年9月開(kāi)始正式運(yùn)行。圖.3位于德國(guó)Espenhain的5.5MWP太陽(yáng)能電站單個(gè)分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)容量較小，一般在幾個(gè)千瓦以下，目前在美國(guó)、歐洲和日本得到廣泛應(yīng)用的戶用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)（太陽(yáng)能屋頂系統(tǒng)）都可以歸入此類。20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)先后制定和出臺(tái)了包括國(guó)家光伏發(fā)展計(jì)劃、百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃、光伏先鋒計(jì)劃在內(nèi)的眾多光伏發(fā)展計(jì)劃。其中比較著名的是1997年提出的“百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”。它規(guī)劃到2010年為100萬(wàn)個(gè)美國(guó)家庭安裝太陽(yáng)能屋頂，每個(gè)光伏屋頂將有3kWP-5kWP的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。在日本，截止2004財(cái)年底安裝太陽(yáng)能屋頂?shù)淖≌呀?jīng)達(dá)到20萬(wàn)戶，其中僅2004財(cái)年內(nèi)就安裝了超過(guò)5萬(wàn)套戶用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的早期應(yīng)用階段，其并網(wǎng)發(fā)電的主要形式是集中式發(fā)電。即通過(guò)數(shù)量很多的太陽(yáng)能電池串聯(lián)、并聯(lián)后，達(dá)到較高的電壓和功率等級(jí)，然后使用一個(gè)較大容量的并網(wǎng)逆變器將電能輸送到電網(wǎng)。這種方法帶來(lái)一些弊端：（1） 需要耐直流高壓的電纜連接光伏陣列和并網(wǎng)逆變器。（2）各組串聯(lián)的太陽(yáng)能電池的特性差異影響集中式太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤的效果。（3）太陽(yáng)能陣列上串聯(lián)二極管所帶來(lái)的損耗。例如，當(dāng)串聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件中某一組件被陰影覆蓋，這一組件不但不能輸出功率，還會(huì)成為回路的負(fù)載，影響效率的同時(shí)還會(huì)引起太陽(yáng)能電池的局部過(guò)熱。工作中的太陽(yáng)能電池，某一組件被陰影完全覆蓋會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部溫度高于環(huán)境溫度70°C以上，而其他正常工作的組件溫度僅高于環(huán)境溫度22°C左右（環(huán)境溫度為12°C時(shí)），過(guò)熱會(huì)嚴(yán)重影響太陽(yáng)能電池的壽命。同樣，并聯(lián)的太陽(yáng)能電池陣列中，某一被陰影覆蓋的太陽(yáng)能電池組件也會(huì)影響太陽(yáng)能電池陣列的整體效率。雖然它本身仍在輸出電能，但是整個(gè)并聯(lián)輸出的直流電壓會(huì)被拉低很多。為了解決直接串并聯(lián)組成光伏陣列引起的匹配問(wèn)題，研究人員提出了一種方案，該方案中，每個(gè)太陽(yáng)能電池組件都由一個(gè)能量控制電路(GenerationControlCircuit,GCC)來(lái)控制，這種控制方法減小了發(fā)生局部過(guò)熱的可能。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的另一種代表性技術(shù)方案是“串聯(lián)型逆變器”(String-Inverter)。即逆變器的輸入端為一組串聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件，從而可以達(dá)到較高輸入電壓。但是，串聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件內(nèi)部的局部過(guò)熱現(xiàn)象仍可能存在。好處是減小了并聯(lián)情況下二極管上的壓降損耗。模塊化是上述問(wèn)題的一個(gè)較好的解決方法。將逆變電路與太陽(yáng)能電池組件集成到一起。這樣可以完全消除光伏陣列與并網(wǎng)逆變器之間可能的不匹配。由于每個(gè)太陽(yáng)能電池組件都搭配了自己的逆變電路，局部過(guò)熱問(wèn)題得到了很好的解決，從而可以達(dá)到相對(duì)較高的效率。基于該方案的模塊化結(jié)構(gòu)，如果集成逆變電路的太陽(yáng)能電池組件能夠?qū)崿F(xiàn)“即插即用”和熱插拔功能，那么系統(tǒng)的擴(kuò)展和局部調(diào)整將會(huì)十分安全簡(jiǎn)便，這也給光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用帶來(lái)了方便。三．根據(jù)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器的基本功能是相同的，即當(dāng)光伏陣列輸出在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，能始終以盡可能高的效率將其輸出的低壓直流電轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)匹配的交流電流送入電網(wǎng)。光伏陣列輸出的大范圍變動(dòng)，主要原因是白天太陽(yáng)輻照度的變化，范圍在200W/m2到1000W/m2之間。大部分并網(wǎng)逆變器都采用了全橋結(jié)構(gòu)的主回路拓?fù)?。換相方式主要有兩種，分別是采用以電網(wǎng)2倍頻率切換的并網(wǎng)換相(grid-commutated)方法和使用高頻逆變電路的自換相(self-commutated)方法，如圖4所示。T,T.T電流型井網(wǎng)換相逆變器T、」K7Cb)T,T.T電流型井網(wǎng)換相逆變器T、」K7Cb)電壓型自換相逆變器GRID圖.4并網(wǎng)逆變器的兩種換相方式并網(wǎng)換相需要在逆變?nèi)珮蛑半娏鞑ㄐ我呀?jīng)整形成正弦半波；自換相方式則一般采用PWM調(diào)制或Bang-Bang控制。并網(wǎng)換相的優(yōu)點(diǎn)是逆變環(huán)節(jié)幾乎不產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。但是，由于前一級(jí)直流變換器需要能輸出正弦半波波形的電流，因此也可以看作將逆變環(huán)節(jié)的開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到了直流變換環(huán)節(jié)。含變壓器的并網(wǎng)逆變器又分為工頻變壓器和高頻變壓器兩類。工頻變壓器的缺點(diǎn)比較明顯，笨重、價(jià)格高、繞制麻煩?，F(xiàn)在使用較多的是高頻變壓器，最新的設(shè)計(jì)已經(jīng)能將高頻變壓器磁芯和繞組集成在印制電路板上，甚至可以不用磁性元件。并網(wǎng)逆變器拓?fù)湓O(shè)計(jì)除了要方便實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤外，還必須考慮以下其他問(wèn)題：（1）成本低。（2）效率高。（3）壽命達(dá)到25年左右（太陽(yáng)能電池組件的一般平均壽命）。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以大致分為以下幾種：式并網(wǎng)逆變器拓?fù)淇紤]光伏陣列輸出電壓較低的情況，單級(jí)式并網(wǎng)逆變器必須能在一個(gè)功率變換環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)升壓、最大功率點(diǎn)跟蹤、DC/AC逆變以及光伏陣列和電網(wǎng)之間的電隔離。因此這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須包括有變壓器。圖5給出了一種單級(jí)式并網(wǎng)逆變器的實(shí)現(xiàn)方式，稱為“雙向回掃逆變器”（Bi-DirectionalFly-Backinverter,BDFB）。由于主回路具有雙向電流導(dǎo)通能力，該逆變器可以保持輸出電流的連續(xù)狀態(tài)。圖.5單級(jí)并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：Bi-DirectionalFly-Backinverter這種拓?fù)涞娜秉c(diǎn)在于,電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí),相比兩級(jí)和多級(jí)拓?fù)?光伏陣列輸出直流母線電容上的100Hz紋波電壓較大，而減小這些紋波就需要更大的母線電容容值。還有一類單級(jí)并網(wǎng)逆變器拓?fù)洌捎萌珮蚰孀兒笸ㄟ^(guò)工頻變壓器直接接電網(wǎng)。由于使用了工頻變壓器，而且太陽(yáng)能電池母線和電網(wǎng)之間沒(méi)有能量解耦環(huán)節(jié)，一般認(rèn)為這種拓?fù)涞男瘦^低。可能的解決方案是串聯(lián)多個(gè)太陽(yáng)能電池組件以達(dá)到足夠的直流輸出電壓，通過(guò)全橋逆變和濾波后直接連接到電網(wǎng)，如圖6所示:圖.6無(wú)工頻變壓器的單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)鋬杉?jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)涫遣捎幂^多的主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果逆變器是自換相的，通過(guò)在DC/DC變換后高壓直流母線上并聯(lián)一個(gè)電容，可以很好的實(shí)現(xiàn)能量解耦。主回路兩級(jí)一般包括軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換環(huán)節(jié)和自換相或電網(wǎng)換相的DC/AC逆變環(huán)節(jié)，如圖7所示。DC/DC變換齡 逆變電酹圖.7兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖圖8給出了一種兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器，其拓?fù)渑c圖7基本相同，不同處在于逆變橋除了4個(gè)開(kāi)關(guān)管外，還增加了兩個(gè)二極管，串聯(lián)在橋臂中。這種拓?fù)溆袃蓚€(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，夜間光伏陣列沒(méi)有輸出時(shí)，電網(wǎng)的交流電壓不能通過(guò)逆變?nèi)珮蛏系姆床⒙?lián)二極管整流到直流母線電容上，消除了夜間并網(wǎng)逆變器的待機(jī)損耗；第二，逆變?nèi)珮騼蓚€(gè)橋臂工作在不同頻率，其中左橋臂為20kHz-80kHz，起正弦波調(diào)制作用，右橋臂為2倍電網(wǎng)頻率，即100Hz，起換相作用，這樣可以把開(kāi)關(guān)損耗降低一半。Hi聯(lián)諧眾變換曆 井網(wǎng)逆變牖圖.8一種改進(jìn)的兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)涠嗉?jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)涠嗉?jí)拓?fù)湓O(shè)計(jì)會(huì)增加并網(wǎng)逆變器的復(fù)雜程度和成本，但這也給同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能帶來(lái)可能，包括：逆變橋低開(kāi)關(guān)頻率（100Hz）；DC/DC變換器正弦半波輸出;光伏陣列與電網(wǎng)之間的能量解耦。因此多級(jí)拓?fù)湓O(shè)計(jì)可以在降低損耗的同時(shí)達(dá)到很好的最大功率點(diǎn)跟蹤特性。一種多級(jí)拓?fù)涞牟⒕W(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示：A陣列(ilillljMPPTLU眩波器A陣列(ilillljMPPTLU眩波器BUCKtLKH串聯(lián)諧抵曼換器井網(wǎng)逆雯器圖.9種多級(jí)拓?fù)涞墓夥⒕W(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)原理圖該光伏并網(wǎng)逆變器有以下一些特點(diǎn)：（1）功率點(diǎn)跟蹤由輔助電路實(shí)現(xiàn)，通過(guò)切換開(kāi)關(guān)每2s接通輔助電路200us。（2）BUCK電路輸出已經(jīng)整形成為正弦半波。（3）半橋升壓電路為固定占空比（略小于50%）驅(qū)動(dòng)，無(wú)需外加控制。（4）工作頻率為100Hz，只起換相作用。它的缺點(diǎn)也比較明顯，由于采用的是簡(jiǎn)化的最大功率點(diǎn)跟蹤，不是真正的閉環(huán)控制，因此溫度變化范圍大時(shí)最大功率點(diǎn)跟蹤效果相對(duì)較差，影響效率。如圖10所示一種多級(jí)式拓?fù)涞牟⒕W(wǎng)逆變器。第一級(jí)的BOOST電路起升壓作用。它將太陽(yáng)能電池輸出電壓升高到200V左右，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。BOOST電路中電感上還有一個(gè)繞組為輔助電源電路（AuxiliaryPowerupplyUnit，APSU）供電。第二級(jí)推挽電路控制輸出電流波形為正弦半波，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和光伏的電隔離。最后一級(jí)為100Hz逆變器，起換相作用。由于升壓比相對(duì)較大，三個(gè)變換環(huán)節(jié)中第一環(huán)節(jié)的BOOST電路是整個(gè)逆變器中損耗最大的部分。以上幾種并網(wǎng)逆變器都實(shí)現(xiàn)了相同的功能，即提高光伏陣列輸出電壓并逆變到電網(wǎng)。逆變電路為半橋或全橋結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)頻率從100Hz到幾十kHz,其中逆變電路開(kāi)關(guān)頻率為100Hz的情況是前一級(jí)輸出電流為正弦半波，逆變電路只需實(shí)現(xiàn)換相功能；逆變電路開(kāi)關(guān)頻率為高頻（幾十kHz左右）時(shí)，前一級(jí)變換只需實(shí)現(xiàn)直流升壓和最大功率點(diǎn)跟蹤功能，這樣也減小了對(duì)直流母線濾波電容的容值要求。而且，直流