逆變技術在光伏電站中應用

1、逆變技術在光伏電站中的應用介紹內容1光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及特點3 光伏電站設計及建設4光伏電站的監(jiān)控 光伏逆變器原理及相關設計2目錄2一、光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及特點 太陽能發(fā)電的優(yōu)勢取之不盡，用之不竭對環(huán)境無污染，零排放隨處可得，就近供電，不需輸送無機械傳動部件，不存在機械磨損，維護簡單，運行可靠太陽能光伏發(fā)電的缺點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)將光伏電能轉化成交流電能送上電網(wǎng)獨立系統(tǒng)（離網(wǎng)系統(tǒng)）光伏電能通過控制器儲存在蓄電池中，給交流/直流負載提供穩(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)、又能獨立運行的光伏系統(tǒng)45介紹內容1光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及特點3

2、光伏電站設計及建設4光伏電站的監(jiān)控 光伏逆變器原理及相關設計2目錄研究目標與技術路線26介紹內容 光伏逆變器原理及相關設計2研究目標與技術路線2 光伏逆變器工作原理、控制原理、保護功能 光伏逆變器的相關設計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 負載8光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的要求合理的電路結構，嚴格的元器件篩選，具備各種保護功能；較寬的直流輸入電壓適應范圍；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；輸出電壓、電流滿足電能質量要求，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大至分為以下七種拓撲：1）先升壓 再逆變圖1-1圖1-1前級為單boost升壓電路，后級為全橋逆變結構。由于升壓部分受升壓倍數(shù)和功率限制，此拓撲結構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：效率較高，可高達98%，成本低，結構簡單，體積小，質量輕缺點：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，前級有的為雙boost升壓電路10雙Boost電路圖1-2圖1-2拓撲表示

4、的是雙Boost電路，采用這種拓撲的變換器主要有以下優(yōu)點：（1）與傳統(tǒng)的升壓變換器相比，電感減小一半；（2）開關管的電流等級減小一半；（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，提高了直流輸出質量。112）直接逆變輸出圖1-3圖1-3表示的拓撲前級去除了boost升壓電路優(yōu)點：與第一種拓撲相比，結構更加簡單，成本更低，體積更小，質量更輕，效率更高甚至高達99%，因為這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：與第一種拓撲相比必須要有較高的串聯(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)123）帶高頻變壓器隔離 先逆變升壓整流再逆變輸出圖1-4拓撲結構先逆變升壓整流，在較高直流下再逆變輸出優(yōu)點：具有較高的效率 可達96%，體積小，質量輕，成本較低，不影響系統(tǒng)接地缺點：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）先逆變再升壓隔離輸出圖1-5圖1-5表示的拓撲在并網(wǎng)逆變器中使用較廣優(yōu)點：不影響系統(tǒng)接地、系統(tǒng)絕緣、不需要交流輸出側的直流分量檢測與控制缺點：由于在相對較低直流電壓下逆變，開關損耗以及通態(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表示的拓撲在大型并網(wǎng)系統(tǒng)中有較多應用 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：可大大提高并網(wǎng)效率和節(jié)約成本 同時便于用于當?shù)剡x擇適合電網(wǎng)要求的變壓器。15優(yōu)點：由于具有多個DC-DC電路即具有不同的MPPT 輸入回路，適合多個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%。十分適合應用于光伏建筑項目缺

7、點：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16 7）主從逆變單元結構的逆變系統(tǒng)優(yōu)點：提高系統(tǒng)運行效率，空載損耗較小。根據(jù)光照強弱，群控器自動逐臺投切，控制投入運行電源的數(shù)量，使每臺電源在較高的負載率下運行，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（某部分）投入運行，系統(tǒng)的單臺可進行輪休(循環(huán)工作) 。缺點：該系統(tǒng)通過直流母線將整個方陣并在一起，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可能不大，隨著使用時間的延長

8、，差異會越來越大。這種損失在大型太陽能光伏電站，特別是在BIPV項目中可能達到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（逆變系統(tǒng)保護 + 并網(wǎng)保護）18主電路拓撲自帶變壓器型：不帶變壓器型：19控制策略交流電流控制直流電壓控制最大功率點跟蹤(MPPT)控制要求：快速、準確和穩(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。 最大功率點跟蹤的過程實質上是一個尋優(yōu)過程，即通過追蹤光伏電池端最高電壓電流值，來確定最大功率點輸出。22逆變系統(tǒng)保護內容過電流保護過載保護 過熱保護 直流/交流過電壓保護直流/交流欠電壓保護電網(wǎng)過欠頻防雷保護

9、對地絕緣保護極性反接保護過溫保護低電壓穿越防逆流保護孤島運行檢測被動式檢測： 相位跳躍檢測法等主動式檢測： 主動頻率偏移法等232425500kW逆變器底座安裝尺寸圖2627282930Page 31系統(tǒng)設計與仿真驗證系統(tǒng)仿真模型建立基于先進的MATLAB與Saber軟件的仿真模型系統(tǒng)參數(shù)設計與驗證方便地實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設計與驗證 系統(tǒng)控制策略驗證驗證系統(tǒng)控制策略指導系統(tǒng)設計31縮短開發(fā)周期，提高響應速度提供最佳工程方案系統(tǒng)半實物仿真：系統(tǒng)設計與仿真驗證32應力分布三維建模階段模態(tài)位移分析機械結構設計結構設計33Page 34性能試驗34Page 352022/8/10逆變器效率 歐洲效率（加權

10、效率）最大效率98.6% 歐洲效率 98.2% 10%額定功率效率90% 500K對應：35逆變器功率因素500K對應：輸出功率/額定功率%功率因素36介紹內容3 光伏電站設計及建設1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及特點4光伏電站的監(jiān)控 光伏逆變器原理及相關設計2目錄37大型并網(wǎng)光伏電站配置拓撲圖38大型電站設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)的設計步驟前期準備技術方案確定設備選型工程設計特殊設計在考察的基礎上進行可行性設計與研究、項目申報組件、逆變器、監(jiān)控、其它輔助設備、運行方式確認土建施工、抗風能力、防雷接地、電網(wǎng)電氣接

11、入系統(tǒng)占地計算、場地、基礎、機房、圍欄、自動跟蹤系統(tǒng)40光伏電站典型1MW子系統(tǒng)說明特點說明 ：電站采用“集中設計、集中控制、單點并網(wǎng)”的總體技術方案在電氣線路上，并網(wǎng)系統(tǒng)分為多個獨立的1MWp分系統(tǒng) 每個1MWp分系統(tǒng)包括2個500kWp子系統(tǒng)、1臺1000kVA的升壓變壓器每個子系統(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各處照明、暖通、檢修等負荷411MW子系統(tǒng)國內外大、中型電站最為主流、最為典型的應用系統(tǒng)單元在國內外運行最多、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線路，例如，市場設備廠家，專門提供1MW光伏專用升壓變系統(tǒng)及開關保護設備，此1MW結構采用雙分裂雙繞組變壓器。對于光伏并網(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 1MW 并網(wǎng)子站采用 2臺單機 500KW 高效無變壓器型大功率并網(wǎng)逆變器，配置 1 臺 （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算計算當太陽電池子陣前后安裝時的最小間距D一般確定原則：冬至當天早9：00至下午3：00 太陽電池方陣不應被遮擋4

13、3按照國家標準公式計算間距： 當光伏電站功率較大，需要前后排布太陽電池方陣，或當太陽電池方陣附近有高達建筑物或樹木的情況下，需要計算方陣自身、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：冬至當天早9：00至下午3：00 太陽電池方陣不應被遮擋。計算公式如下：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?shù)鼐暥?；為太陽赤緯，冬至日的太陽赤緯為度；為時角，上午9:00的時角為45度。D = cosL，L = H/tan， = arcsin (sin sin+cos cos co

14、s)44太陽電池方陣抗風能力設計（依據(jù)：GB50009-2006 建筑結構荷載規(guī)范、GB50017-2003鋼結構設計規(guī)范）1、需要計算受風梁在受風條件下的彎曲應力和彎曲度；2、需要計算支撐臂在順風條件下的壓曲強度和逆風條件下的拉伸強度；3、需要計算在受風條件下螺栓的剪切力（折斷力）的耐受強度。45屋頂光伏陣列運行方式分析固定式：發(fā)電量低，成本低，安裝簡單方便，適用于大多數(shù)屋頂結構形式，便于維護。自動跟蹤式：發(fā)電量最高，成本也增加較多，需要一定的維護工作，只能安裝在有一定支承能力的平頂屋頂結構上。幾種安裝運行方式發(fā)電量對比圖：46光伏組串數(shù)設計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?shù)囟景滋熳畹蜏囟?溫度系數(shù)的比例關系) 根據(jù)電池板的規(guī)格：30Vmp一般設計在2021串聯(lián) 36Vmp一般設計在1618串聯(lián) 48Vmp一般設計在1214串聯(lián)47光伏電站的防雷和接地措施1：架設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，加裝防雷器，機殼可靠接地措施4：機房設備需可靠接地措施5：控制室進、出線處均增設防雷隔離箱，內裝防雷器，防止感應雷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中作為散流作用的導體接地線：連接引下線和接地體的導體過電壓保護器：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、過電壓保護器的總合接地：將接閃器、被保護裝置、設備或過電壓保護器用接地線與接地體連接，稱為接地接地包括：工作接地、保護接地和過電壓保護接地50設備接地和系統(tǒng)接地SJ/T 11127-1997 光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護 - 導則51太陽電池方陣的線路防雷逆變器交流側和直流側的線路防雷52535455565758596061介紹內容1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及特點 光伏逆變器原理及相關設計2目錄3 光伏電站設計及建設4光伏電站的監(jiān)控62光伏電站的監(jiān)控及調度技術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、無功輸出和連接點的電壓大功率逆變器要求具有：接受遠方調度指令進行有功輸出調節(jié)、功率因素的調節(jié)、遠程開關機功能、低電壓穿越功能等63監(jiān)控系統(tǒng)采用實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件，構建統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺，通過采集裝置采集電站內所有發(fā)電設備的數(shù)據(jù)，包括以下設備：逆變器、匯流箱、直流柜，環(huán)境監(jiān)測儀。實現(xiàn)電站內所連設備數(shù)據(jù)的實時監(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 通信機制 系統(tǒng)管理安全措施 數(shù)據(jù)庫功能 計算處理功能事件記錄及