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光伏逆變器 ▏原理和選型技巧

目前,常見的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)方案,根據(jù)太陽能電池方陣的工作電壓可以分為低壓并網(wǎng)系統(tǒng)和高壓并網(wǎng)系統(tǒng)。低壓并網(wǎng)系統(tǒng)常由3~5塊光伏電池組件串聯(lián)組成,直流電壓小于120V。


這種方式的優(yōu)點(diǎn)是每一串光伏電池組件串聯(lián)較少,對(duì)太陽陰影的耐受性比較強(qiáng);缺點(diǎn)是直流側(cè)電流較大,在設(shè)計(jì)中需要選用大截面的直流電纜。高壓并網(wǎng)系統(tǒng)常用于太陽能電池方陣的額定功率較大的系統(tǒng),組件串聯(lián)的數(shù)量較多,直流電壓比較高,該方式的缺點(diǎn)是對(duì)太陽陰影的耐受性比較?。粌?yōu)點(diǎn)是高電壓,低電流,使用的電纜的線徑較小,和逆變器的匹配更佳,使得逆變器的轉(zhuǎn)換效率更高,目前大型的光伏發(fā)電系統(tǒng)多采用高壓系統(tǒng)。


目前,太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量可以從幾千瓦到幾百千瓦,甚至上兆瓦,由于國內(nèi)的光伏發(fā)電與建筑結(jié)合的形式各種各樣,設(shè)備的選型需根據(jù)太陽能電池方陣安裝的實(shí)際情況(如組件規(guī)格、安裝朝向等)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器設(shè)置方式分為:集中式、主從式、分布式和組串式。



1集中式 



集中式并網(wǎng)方式適合于安裝朝向相同且規(guī)格相同的太陽能電池方陣,在電氣設(shè)計(jì)時(shí),采用單臺(tái)逆變器實(shí)現(xiàn)集中并網(wǎng)發(fā)電方案如圖1所示。


 


對(duì)于大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng),如果太陽能電池方陣安裝的朝向、傾角和陰影等情況基本相同,通常采用大型的集中式三相逆變器。


該方式的主要優(yōu)點(diǎn)是:整體結(jié)構(gòu)中使用光伏并網(wǎng)逆變器較少,安裝施工較簡單;使用的集中式逆變器功率大,效率較高,通常大型集中式逆變器的效率比分布式逆變器要高大約2%左右,對(duì)于9.3MWp光伏發(fā)達(dá)系統(tǒng)而言,因?yàn)槭褂玫哪孀兤髋_(tái)數(shù)較少,初始成本比較低;并網(wǎng)接入點(diǎn)較少,輸出電能質(zhì)量較高。該方式的主要缺點(diǎn)是一旦并網(wǎng)逆變器故障,將造成大面積的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)停用。


 


集中逆變一般用于大型光伏發(fā)電站(>10kW)的系統(tǒng)中,很多并行的光伏電池組串被連到同一臺(tái)集中逆變器的直流輸入端,一般功率大的使用三相IGBT功率模塊,功率較小的使用場效應(yīng)晶體管,同時(shí)使用DSP來改善所產(chǎn)出電能的質(zhì)量,使它非常接近于正弦波電流。


最大特點(diǎn)是系統(tǒng)的功率高,成本低。但受光伏電池組串匹配和部分遮影的影響,導(dǎo)致整個(gè)光伏系統(tǒng)的效率不高。同時(shí)整個(gè)光伏系統(tǒng)的發(fā)電可靠性受某一光伏電池單元組工作狀態(tài)不良的影響。最新的研究方向是運(yùn)用空間矢量的調(diào)制控制,以及開發(fā)新的逆變器的拓?fù)溥B接,以獲得部分負(fù)載情況下的高的效率。


 在SolarMax(索瑞·麥克)集中逆變器上,可以附加一個(gè)光伏電池陣列的接口箱,對(duì)每一串的光伏電池組串進(jìn)行監(jiān)控,如其中有一組光伏電池組串工作不正常,系統(tǒng)將會(huì)把這一信息傳到遠(yuǎn)程控制器上,同時(shí)可以通過遠(yuǎn)程控制將這一串光伏電池停止工作,從而不會(huì)因?yàn)橐淮夥姵卮墓收隙档秃陀绊懻麄€(gè)光伏系統(tǒng)的工作和能量產(chǎn)出。



2主從式



對(duì)于大型的光伏發(fā)電系統(tǒng)可采用主從結(jié)構(gòu),主從結(jié)構(gòu)其實(shí)也是集中式的一種,該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是采用2~3個(gè)集中式逆變器,總功率被幾個(gè)逆變器均分。在輻射較低的時(shí)候,只有一個(gè)逆變器工作,以提高逆變器在太陽能電池方陣輸出低功率時(shí)候的工作效率;在太陽輻射升高,太陽能電池方陣輸出功率增加到超過一臺(tái)逆變器的容量時(shí),另一臺(tái)逆變器自動(dòng)投入運(yùn)行。


 


為了保證逆變器的運(yùn)行時(shí)間均等,主從逆變器可以自動(dòng)的輪換主從的配置。主從式并網(wǎng)發(fā)電原理如圖2所示。主從結(jié)構(gòu)的初始成本會(huì)比較高,但可提高光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器運(yùn)行時(shí)的效率,對(duì)于大型的光伏系統(tǒng),效率的提高能夠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。



3分布式



分布式并網(wǎng)發(fā)電方式適合于在安裝不同朝向或不同規(guī)格的太陽能電池方陣,在電氣設(shè)計(jì)時(shí),可將同一朝向且規(guī)格相同的太陽能電池方陣通過單臺(tái)逆變器集中并網(wǎng)發(fā)電,大型的分布式系統(tǒng)主要是針對(duì)太陽能電池方陣朝向、傾角和太陽陰影不盡相同的情況使用的。


 


分布式系統(tǒng)將相同朝向,傾角以及無陰影的光伏電池組件串成一串,由一串或者幾串構(gòu)成一個(gè)太陽能電池子方陣,安裝一臺(tái)并網(wǎng)逆變器與之匹配。分布式并網(wǎng)發(fā)電原理如圖3所示。這種情況下可以省略匯線盒,降低成本;還可以對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分片的維修,減少維修時(shí)的發(fā)電損失。


 


分布式并網(wǎng)發(fā)電的主要缺點(diǎn)是:對(duì)于大中型的上百千瓦甚至兆瓦級(jí)的光伏發(fā)電系統(tǒng),需要使用多臺(tái)并網(wǎng)逆變器,初始的逆變器成本可能會(huì)比較高;因?yàn)槭褂玫哪孀兤髋_(tái)數(shù)較多,逆變器的交流側(cè)和公用電網(wǎng)的接入點(diǎn)也較多,需要在光伏發(fā)電系統(tǒng)的交流側(cè)將逆變器的輸出并行連接,對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量有一定影響。



4組串式 



光伏并網(wǎng)組串逆變器是將每個(gè)光伏電池組件與一個(gè)逆變器相連,同時(shí)每個(gè)光伏電池組件有一個(gè)單獨(dú)的最大功率峰值跟蹤,這樣光伏電池組件與逆變器的配合更好。組串逆變器已成為現(xiàn)在國際市場上最流行的逆變器,組串逆變器是基于模塊化概念基礎(chǔ)上的,每個(gè)光伏組串(1kW~5kW)通過一個(gè)逆變器,在直流端具有最大功率峰值跟蹤,在交流端并聯(lián)并網(wǎng)。許多大型光伏閥電廠使用組串逆變器,優(yōu)點(diǎn)是不受光伏電池組串間差異和遮影的影響。


在組串間引入“主-從”概念,使得系統(tǒng)在單串電能不能使單個(gè)逆變器工作的情況下,將幾組光伏電池組串聯(lián)系在一起,讓其中一個(gè)或幾個(gè)工作,從而產(chǎn)出更多的電能。最新的概念為幾個(gè)逆變器相互組成一個(gè)“團(tuán)隊(duì)”來代替“主-從”概念,使得系統(tǒng)的可靠性又進(jìn)了一步。目前,無變壓器式組串逆變器已占了主導(dǎo)地位。


多組串逆變是取了集中逆變和組串逆變的優(yōu)點(diǎn),避免了其缺點(diǎn),可應(yīng)用于幾千瓦的光伏發(fā)電站。在多組串逆變器中,包含了不同的單獨(dú)功率峰值跟蹤DC/DC變換器,DC/DC變換器的輸出通過一個(gè)普通的逆變器轉(zhuǎn)換成交流電與電網(wǎng)并聯(lián)。由于是在交流處并聯(lián),這就增加了交流側(cè)的連線的復(fù)雜性,維護(hù)困難。


另需要解決的是怎樣更有效的與電網(wǎng)并網(wǎng),簡單的辦法是直接通過普通的交流開關(guān)進(jìn)行并網(wǎng),這樣就可以減少成本和設(shè)備的安裝,但往往各地的電網(wǎng)的安全標(biāo)準(zhǔn)也許不允許這樣做。另一和安全有關(guān)的因素是是否需要使用隔離變壓器(高頻或低頻),或允許使用無變壓器式的逆變器。


光伏組串的不同額定值(如:不同的額定功率、每組串不同的組件數(shù)、組件的不同的生產(chǎn)廠家等)、不同的尺寸或不同技術(shù)的光伏組件、不同方向的組串(如:東、南和西)、不同的傾角或遮影,都可以被連在一個(gè)共同的逆變器上,同時(shí)每一組串都工作在它們各自的最大功率峰值上。同時(shí),直流電纜的長度減少、將組串間的遮影影響和由于組串間的差異而引起的損失減到最小。

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