太陽能光伏并網(wǎng)逆變器選型研究

國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 盧天琪

太陽能光伏并網(wǎng)逆變器選型研究

國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 盧天琪

光伏并網(wǎng)逆變器的選型在太陽能光伏系統(tǒng)研設(shè)計中具有至關(guān)重要的作用，直接關(guān)系到太陽能光伏系統(tǒng)的太陽能能利用率和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)能否正常運行。本文結(jié)合作者實際工作經(jīng)歷，詳細論述選擇光伏并網(wǎng)逆變器應(yīng)考慮的幾個重要因素，并通過實際工程舉例說明。

逆變器；效率；孤島

0 引言

我國目前的能源將近70%由煤炭供給，這種過度依賴化石燃料的能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)造成了很大的環(huán)境、經(jīng)濟和社會負面影響。大量的煤炭開采、運輸和燃燒，對我國的環(huán)境已經(jīng)造成了極大的破壞。初步估算煤炭發(fā)電造成的污染的經(jīng)濟損失以及由此引致的環(huán)境污染治理成本高達1,606億元。大力開發(fā)利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源是保證我國能源供應(yīng)安全和可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。光伏并網(wǎng)發(fā)電作為其進入電力規(guī)模應(yīng)用的必然結(jié)果，將會是未來最大的光伏發(fā)電市場。太陽能電池板陣列和逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中兩個最重要的部件。太陽能電池板陣列將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能，輸出直流電。但民用電力以交流供電為主，因此由太陽能電池板輸出的直流電必須通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電后方可并入電網(wǎng)。由此可見，逆變器在太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。

1 光伏并網(wǎng)逆變器工作原理

1.1 逆變器的概述

通常，把將交流電能變換成直流電能的過程稱為整流，把完成整流功能的電路稱為整流電路，把實現(xiàn)整流過程的裝置稱為整流設(shè)備或整流器。與之相對應(yīng)，把將直流電能變換成交流電能的過程稱為逆變，把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變設(shè)備或逆變器。

1.2 并網(wǎng)光伏逆變器

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)。通過光伏組件將接收來的太陽輻射能量經(jīng)過高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)過逆變器逆變后轉(zhuǎn)換后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流。逆變裝置的核心，是逆變開關(guān)電路，簡稱為逆變電路。該電路通過電力電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，來完成逆變的功能。

2 光伏并網(wǎng)逆變器選型應(yīng)考慮的因素

2.1 額定輸出功率

額定輸出功率表示光伏逆變器向負載供電的能力。額定輸出功率高的光伏逆變器可以帶更多的用電負載。選用光伏逆變器時應(yīng)首先考慮具有足夠的額定功率，以滿足最大負荷下設(shè)備對電功率的要求，以及系統(tǒng)的擴容及一些臨時負載的接入。當(dāng)用電設(shè)備以純電阻性負載為生或功率因數(shù)大于0.9時，一般選取光伏逆變器的額定輸出功率比用電設(shè)備總功率大10%-15%。

2.2 輸出電壓的調(diào)整性能

圖1 不同太陽光輻射強度下的太陽能電池輸出特性曲線

圖2 不同電池溫度下的太陽能電池輸出特性曲線

輸出電壓的調(diào)整性能表示光伏逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力。一般光伏逆變器產(chǎn)品都給出了當(dāng)直流輸入電壓在允許波動范圍變動時，該光伏逆變器輸出電壓的波動偏差的百分率，通常稱為電壓調(diào)整率。高性能的光伏逆變器應(yīng)同時給出當(dāng)負載由零向100%變化時，該光伏逆變器輸出電壓的偏差百分率，通常稱為負載調(diào)整率。性能優(yōu)良的光伏逆變器的電壓調(diào)整率應(yīng)小于等于±3%，負載調(diào)整率就小于等于±6%。

2.3 逆變效率

逆變器的效率是指在規(guī)定的工作條件下，其輸出功率與輸入功率之比，以百分?jǐn)?shù)表示，一般情況下，光伏逆變器的標(biāo)稱效率是指純阻負載，80%負載情況下的效率。由于光伏系統(tǒng)總體成本較高，因此應(yīng)該最大限度地提高光伏逆變器的效率，降低系統(tǒng)成本，提高光伏系統(tǒng)的性價比。目前主流逆變器標(biāo)稱效率在80%～95%之間，對小功率逆變器要求其效率不低于85%。在光伏系統(tǒng)實際設(shè)計過程中，不但要選擇高效率的逆變器，同時還應(yīng)通過系統(tǒng)合理配置，盡量使光伏系統(tǒng)負載工作在最佳效率點附近。

太陽光的輻射強度隨天氣和一天中的不同時間而變化，太陽能電池陣列極少在穩(wěn)定的外部環(huán)境下運行，其輸出特性曲線也將不斷變化。如圖2和圖3所示。光伏逆變器負責(zé)管理整個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電力輸出，它必須對太陽能電池輸出曲線的變化進行動態(tài)響應(yīng)，運用最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)技術(shù)，實時調(diào)整太陽能電池的工作點,使之始終工作在最大功率點附近，這是太陽能電池持續(xù)實現(xiàn)最大的轉(zhuǎn)換效率從而提高系統(tǒng)整體效率的唯一途徑。MPPT效率的數(shù)學(xué)表達式為：

其中t)表示逆變器從太陽能電池獲得的實時功率表示太陽能電池理論上提供的實時的最大功率點功率。

2.4 防孤島效應(yīng)

2.4.1 孤島效應(yīng)定義

根據(jù)美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）提供的報告指出，孤島效應(yīng)就是當(dāng)電力公司的供電系統(tǒng)，因故障事故或停電維修等原因停止工作時，安裝在各個用戶端的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)而不能迅速將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，而形成的一個由光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向周圍負載供電的一種電力公司無法掌控的自給供電孤島現(xiàn)象。一般來說，孤島效應(yīng)可能對整個配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶端的設(shè)備造成不利的影響，因此在光伏逆變器選型上應(yīng)該選擇能及時檢測出孤島效應(yīng)得逆變器。

2.4.2 孤島效應(yīng)的檢測與控制

圖4 sunny Team 技術(shù)方案工作效率曲線圖

孤島效應(yīng)的檢測一般分成被動式與主動式。被動式檢測是利用電網(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)。主動檢測法則是通過電力逆變器定時產(chǎn)生干擾信號,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、主動頻率偏移法和滑模頻率偏移法等。所有并網(wǎng)逆變器必須具有過頻/欠頻(OFP/UFP)和過壓/欠壓(OVP/UVP)保護方法，以便當(dāng)電網(wǎng)電壓或頻率超出可接受的范圍時，防止逆變器為電網(wǎng)供電。逆變器的輸出功率為P +jQ，本地負載為Pld+jQld，其余功率由電網(wǎng)ΔP +jΔQ提供。電網(wǎng)斷開后，系統(tǒng)是否運轉(zhuǎn)由ΔP和ΔQ的值決定。當(dāng)電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時,以上方法無法檢測到孤島效應(yīng),即存在不可檢測區(qū)。不可檢測區(qū)(NDZ)的概念用于確定在給定ΔQ、ΔP值的條件下防孤島算法的有效性。孤島檢測的反應(yīng)時間取決于NDZ。ΔQ的NDZ值的計算公式如下：

為了解決這個問題,光伏并網(wǎng)的有功和無功綜合控制方法經(jīng)常被提出來，因此，在選擇逆變器型號時應(yīng)盡量選擇孤島效應(yīng)檢測與控制技術(shù)相對先進的逆變器，盡量躲開不可檢測區(qū)。

3 工程舉例

下面以2011年廣州亞運村體育館太陽能光伏并網(wǎng)工程為例進行具體介紹。本系統(tǒng)選擇德國3臺SMA SC100型集中型并網(wǎng)逆變器，由并網(wǎng)逆變器的技術(shù)參數(shù)知其最高輸入電壓為820V，輸入電壓范圍為450～820V，而組件的開路電壓為44.2V，峰值功率電壓為35.2V。

為了更大限度獲取太陽能，提高系統(tǒng)的整體發(fā)電效率，增強發(fā)電站的可靠性。在系統(tǒng)設(shè)計過程中增加了Sunny Team 的功能，它應(yīng)用于多臺逆變器的系統(tǒng)，并聯(lián)組內(nèi)的直流輸入端，在直流功率較低時，則可以控制其中的一臺逆變器處于激活狀態(tài)并承擔(dān)逆變工作，而其它逆變器則可以停止工作。這將大提高了在日照較弱的低功率輸入狀態(tài)下的系統(tǒng)效率。從圖4可以看出，光電站即便是在10%的額定功率下工作時，仍可以達到95%的高效率。

在防孤島效應(yīng)方面，當(dāng)電網(wǎng)斷電時，該系統(tǒng)無法獨立為電網(wǎng)供電，計算機控制系統(tǒng)能夠迅速地切斷與電網(wǎng)的聯(lián)系，使系統(tǒng)處于獨立地運行的狀態(tài)，并保證系統(tǒng)的安全。

4 結(jié)論

無論是從社會經(jīng)濟發(fā)展,還是從環(huán)境的角度來考慮,光伏發(fā)電技術(shù)的研究均具有重大現(xiàn)實意義,而逆變器在太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。本文從逆變器的額定輸出功率、輸出電壓、逆變器效率、放、防孤島效應(yīng)幾個方面論述，綜合多種因素考慮后確定出適合的光伏逆變器，已達到提高太陽能利用率，提高系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定性的目的。

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