1、赵 为 2009.10,大型光伏电站中逆变器和控制 设备的技术发展方向,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构和发展方向3 逆变器的转换效率4 逆变器的保护功能5 逆变器并网电流谐波6 电磁兼容技术7 最大功率点跟踪(MPPT)8 电网锁相技术9 孤岛效应检测技术10 光伏电站的群控、监控及调度技术11 大规模应用的技术发展方向,目 录,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构和发展方向3 逆变器的转换效率4 逆变器的保护功能5 逆变器并网电流谐波6 电磁兼容技术7 最大功率点跟踪(MPPT)8 电网锁相技术9 孤岛效应检测技术10 光伏电站的群控、监控及调度技术11 大规模
2、应用的技术发展方向,目 录,太阳电池 交直流电缆 阵列汇流箱 太阳电池阵列支架（固定或自动跟踪） 交、直流配电系统 大型并网逆变器 电网接入系统（升压变压器、交流断路器、计量、无功补偿、继电保护等） 监测、计量、数采设备、防雷系统（气象监测、数据采集及传输等）,1 大型光伏电站组成,光伏电站的每一组成部分都需要精心设计；系统性能优劣的关键指标是生命周期内总的发电量；逆变器是其中进行能量转换的关键设备，其效率指标等电气性能参数，将直接影响到系统的发电量。,1 大型光伏电站组成,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构和发展方向3 逆变器的转换效率4 逆变器的保护功能5 逆变器并网电流谐波
3、6 电磁兼容技术7 最大功率点跟踪(MPPT)8 电网锁相技术9 孤岛效应检测技术10 光伏电站的群控、监控及调度技术11 大规模应用的技术发展方向,目 录,采用工频变压器隔离的大功率三相并网逆变器,1 常见大功率并网逆变器的拓扑结构,无变压器隔离的大功率三相并网逆变器 （输出电压可以从270V400V）,1 常见大功率并网逆变器的拓扑结构,两台低压输出逆变器接中压变压器整体解决方案,1 常见大功率并网逆变器的拓扑结构,多个功率模块并联,1 常见大功率并网逆变器的拓扑结构,三电平及多电平方案,2 逆变器拓扑发展方向,多重叠加技术 10MW 系统,2 逆变器拓扑发展方向,共用变压器解决方案,优化
4、直流母线电压、升压变压器配置和变比，避免重复升压，提高系统效率 优先考虑当地用电负荷，避免过多电能的远距离传送难点是光伏系统的发电量计量必须在低压侧。,2 逆变器拓扑发展方向,轻型直流输电,2 逆变器拓扑发展方向,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构和发展方向3 逆变器的转换效率4 逆变器的保护功能5 逆变器并网电流谐波6 电磁兼容技术7 最大功率点跟踪(MPPT)8 电网锁相技术9 孤岛效应检测技术10 光伏电站的群控、监控及调度技术11 大规模应用的技术发展方向,目 录,转换效率是光伏并网逆变器中最重要的技术指标之一：光伏并网逆变器中常用的效率概念：最大效率 max ： 逆变器
5、所能达到的最大效率 欧洲效率 euro ： 按照在不同功率点的效率根据加权公式计算 加州效率cec ： 考虑直流电压对效率的影响，再次平均 MPPT效率mppt：反应逆变器最大功率点跟踪的精度目前，先进水平： max 98% euro97.5% (不含变压器)max 96.5% euro96% (含变压器),1 转换效率的概念,如何提高效率：拓扑结构 （boost ，单级， 三电平）器件： 功率器件，变压器，电抗主功率器件开关频率控制算法，调制方式，死区其他细节： 辅助开关电源，风扇，散热器等,2 提高效率的方法,SG100K3的效率：,最大效率 max ： 97.0% 欧洲效率 euro ：
6、 96.4%,SG500KTL的效率：,最大效率 max ： 98.7% 欧洲效率 euro ： 98.5%,最大效率 max ： 97.1% 欧洲效率 euro ： 96.5%,SG250K3的效率：,3 Sungrow产品效率,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构和发展方向3 逆变器的转换效率4 逆变器的保护功能5 逆变器并网电流谐波6 电磁兼容技术7 最大功率点跟踪(MPPT)8 电网锁相技术9 孤岛效应检测技术10 光伏电站的群控、监控及调度技术11 大规模应用的技术发展方向,目 录,保护类型：电网电压过欠压电网电压过欠频交流输出短路保护孤岛效应保护逆变器过热保护直流极性反
7、接保护直流过压保护逆变器过载保护逆变器对地漏电保护逆变器内部自检保护（防雷器损坏，接触器故障，变压器过热，A/D通道损坏，IGBT损坏等等）,1. 逆变器基本保护功能,保护类型：低电压穿越 （LVRT）输出直流分量超标保护输出电流谐波超标保护三相电网不平衡保护,2. 逆变器增强的保护功能,在电网电压出现异常跌落时，常常需要并网逆变器此时不能立即脱网，而是需要继续工作，起到支撑电网的作用。当并网点电压在图中电压轮廓线及以上区域内时，逆变器需要保持并网运行。轮廓线以下，逆变器停止向电网送电。,LVRT需要考虑：LVRT与反孤岛效应保护的矛盾，如何协调；,3. 低电压穿越 （LVRT）,参考试验波形
8、,3. 低电压穿越 （LVRT）,防逆流保护主要应用于低压侧并网发电系统。如果要求不能向中压电网反向送电，则需要智能的防逆流保护系统,4.特殊保护功能：防逆流保护,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构和发展方向3 逆变器的转换效率4 逆变器的保护功能5 逆变器并网电流谐波6 电磁兼容技术7 最大功率点跟踪（MPPT）8 电网锁相技术9 孤岛效应检测技术10 光伏电站的群控、监控及调度技术11 大规模应用的技术发展方向,目 录,1 并网电流谐波要求,国网公司对于光伏电站并网电流的谐波要求,1 并网电流谐波要求,鉴衡认证对于光伏并网逆变器并网电流的谐波要求,总谐波5%,SG100K3:
9、 3% 在额定负载时 SG250K3: 3% 在额定负载时 SG500KTL: 3% 在额定负载时,2 并网电流谐波的抑制,并网电流谐波抑制方法： 拓扑结构选择： L-C ，L-C-L 电感和电容参数的设计 控制算法，PWM驱动方式 采样精度 运算精度 目前国际标准要求5%，但许多用户要求3%,3 新的研究方向,如何更好抑制低功率时的电流谐波？ 如何抑制多台逆变器同时并网时电流谐波的叠加问题？ 如何在电网电压谐波大时，仍旧保证低电流谐波？ 在弱网环境下，如何保证电流谐波？,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构和发展方向3 逆变器的转换效率4 逆变器的保护功能5 逆变器并网电流谐波6
10、 电磁兼容技术7 最大功率点跟踪(MPPT)8 电网锁相技术9 孤岛效应检测技术10 光伏电站的群控、监控及调度技术11 大规模应用的技术发展方向,目 录,1. 电磁干扰的要求,电网对逆变器产生的干扰：电压涨跌，频率漂移，不平衡，电气噪声，浪涌等。要求逆变器不能损坏。逆变器对于电网产生的干扰： 电流谐波，电压波动、电压闪变、无功功率、电网阻抗、干扰叠加等。必须符合相关标准。逆变器对于其他电器的干扰： 传导干扰，空间辐射干扰等。必须符合相关标准。,电磁干扰对策： 隔离变压器 EMI滤波器 控制算法 拓扑结构,2. 电磁干扰的对策,目前没有颁布明确的光伏电站防雷设计标准 可以参考的标准： 建筑物防
11、雷设计规范GB50057-1994(2000) IEC 60364-7-712-2002 IEC 62305 1-5 IEC 61557-4-2007 GB/T 21431-2008 建筑物防雷装置检测技术规范 SJ/T 11127-1997 光伏（PV）发电系统过电压保护导则,2. 系统的防雷和接地,交流侧的防雷和普通交流配电防雷要求等同,2. 系统的防雷和接地,大型开阔地区光伏电站避雷器安装布置图示例,注： 来源于德国DEHN公司网站资料,2. 系统的防雷和接地,建筑屋顶光伏阵列避雷器安装布置图示例,注： 来源于德国DEHN公司网站资料,可参考原则： 支架等电位连接太阳电池边框接地接地电阻
12、的设计 （直流和交流）4欧姆接闪器的设计和布置（滚球法等）低压电网和高压电网防雷和接地参考成熟设计,2. 系统的防雷和接地,注：该资料来源于phoenix公司网站,小功率系统直流和交流防雷，采用凯文接线,3. 感应雷的防止,大型光伏阵列的防雷,3. 感应雷的防止,注：该资料来源于phoenix公司网站,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构和发展方向3 逆变器的转换效率4 逆变器的保护功能5 逆变器并网电流谐波6 电磁兼容技术7 最大功率点跟踪（MPPT）8 电网锁相技术9 孤岛效应检测技术10 光伏电站的群控、监控及调度技术11 大规模应用的技术发展方向,目 录,光伏电池在不同的日
13、照和温度条件下，具有不同的MPP,太阳电池阵列的P-V特性,不同温度下的P-V特性曲线,不同日照量下的I-V和P-V特性曲线,1. 光伏电池特性介绍,光伏系统中MPPT跟踪算法要求：,快速性准确性稳定性特别是在弱光和多云的天气下，MPPT算法的优劣十分重要,2 MPPT技术要求,常用MPPT算法:,干扰观测法 （爬山法） P&O增量电导法 （di/dVI/V）其他一些方法： 模糊控制，神经网络，自适应算法等,MPPT核心控制思想是通过直流电压的扰动，判断直流功率的变化，从而搜索到最大功率点。,3 MPPT技术实现,试验和测试手段：在正常工作条件下测试MPPT算法将十分耗时，同时很难比对。最佳的
14、方法是使用光伏阵列模拟器对于太阳能阵列模拟器要求：能够方便设定光伏阵列的串并联数 可真实模拟单晶硅，多晶硅和非晶硅的U-I曲线最好具有短路特性。即真正为电流源特性功率容量需要达到100KW左右。,4 MPPT试验和测试手段技术要求,MPPT优劣的测试标准：EN50530-2008 Overall efficiency of photovoltaic inverters,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构和发展方向3 逆变器的转换效率4 逆变器的保护功能5 逆变器并网电流谐波6 电磁兼容技术7 最大功率点跟踪方式8 电网锁相技术9 孤岛效应检测技术10 光伏电站的群控、监控及调度技
15、术11 大规模应用的技术发展方向,目 录,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构3 逆变器的转换效率4 逆变器可靠性（保护配置方式和种类）5 逆变器输出电流谐波6 逆变器新的技术要求及实现7 电磁兼容技术（电磁干扰，防雷，接地，浪涌,漏电等）8 最大功率点跟踪方式9 电网锁相技术10 孤岛效应检测技术11 光伏电站的配电、群控、监控及调度技术12 大规模应用的技术发展方向,内 容,常用方法：,使用DSP芯片的CAPTURE口进行捕获。软件中侦测到电网频率和相位。调整并网电流的频率和相位，从而使得并网电流和电网电压同频，相位差180。锁相时间很短，可以在20ms内完成,使用电压比较器和
16、施密特触发器进行整形，得到和电网电压完全同频同相的方波。,电网锁相技术,发展方向： 使用更精确、更快速的数字锁相电路 如何克服在大功率并网时，电网电压采样电路的波动影响,电网锁相技术,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构和发展方向3 逆变器的转换效率4 逆变器的保护功能5 逆变器并网电流谐波6 电磁兼容技术7 最大功率点跟踪方式8 电网锁相技术9 孤岛效应检测技术10 光伏电站的群控、监控及调度技术11 大规模应用的技术发展方向,目 录,所谓孤岛效应是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛的现象。,孤岛效应
17、的定义：,孤岛效应发生的机理,光伏并网发电系统的功率流图,1 孤岛效应的原理,被动检测： 电网电压的幅值、频率、相位和谐波。当电网失电时，会在电网电压的幅值、频率、相位和谐波等参数上，产生跳变信号，通过检测跳变信号来判断电网是否失电。,2 孤岛效应检测技术,主动式检测：指在并网点处向电网注入很小的干扰信号，通过检测反馈信号来判断电网是否失电，其中一种方法就是通过在并网电流中注入很小的失真电流。通过测量逆变器输出的电流的相位和频率，采用正反馈的方案，加大注入量。从而在电网失电时，能够很快地检测出异常值。,逆变器中同时具有两种软件解决方案,ENS模块,德国VDE0126-1-1 要求并网逆变器系统
18、中必须有独立的检测电网断电的模块。一般常用的方法是主动测量电网的阻抗。当电网的阻抗发生突变或变得比较大时，则认为发生了孤岛。当然，电压和频率的变化和超出范围也是重要依据。具有独立性，使用功率范围更宽,3 孤岛效应其他检测方案,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构和发展方向3 逆变器的转换效率4 逆变器的保护功能5 逆变器并网电流谐波6 电磁兼容技术7 最大功率点跟踪方式8 电网锁相技术9 孤岛效应检测技术10 光伏电站的群控、监控及调度技术11 大规模应用的技术发展方向,目 录,1 群控技术,小型电站，逆变器自己运算解决大型电站，加装日照控制、群体控制解决共用直流母线增加硬件成本，
19、降低可靠性大面积组件并联带来的额外串并联损耗,光伏发电系统：如何解决在低日照时的效率问题？直流侧并联和群控，是解决该问题的一个途径。,群控的具体实现,1 群控技术,工作原理：在数据采集器的集中控制下，逆变器“轮流坐庄”，在低日照的情况下，轮流投运。可以有效提高低日照时的效率，同时大大延长了逆变器的使用寿命。并且可实现n+X的冗余。数据采集器提供友好的人机界面。用户可以直接通过液晶屏和按键实现运行模式设定、参数察看、发电量查询、故障查询、参数设定等功能。 该方案要求光伏阵列安装于同一倾斜面，并且要求每个子阵列具有相同的功率和电压的组件串并联。多个逆变器并联运行。,1 群控技术,2.10 群控、监
20、控及调度技术,2、并网逆变器轻载时的效率问题 按需要逆变器逐个并联投运 按光伏阵列并联支路分配逆变器,2 监控系统,监控系统的构成： 以数据采集器为核心多种通讯手段： RS485/RS232,USB,GPRS,Ethernet，蓝牙，Zigbee等,提供多种通讯接口。开放通讯协议，可方便地与目前电力系统中常用的变电站集中控制系统 或调度自动化系统接口（南瑞，许继，南自，北京四方等公司）可连续存储 50台设备 1个月的运行数据。支持群控算法,数据采集器：,2 监控系统,上位机监控软件,2 监控系统,电力系统专用光伏电站监控软件,2 监控系统,电力监控系统进行定制开发，符合电力系统监控规范和要求，
21、无缝接入现有电力监控系统，可以对发电系统及单台逆变器进行参数记录、数据分析、调度控制等。,光伏电站运行数据的网络实时查询系统,2 监控系统,基于C/S架构，可以实现光伏电站运行数据的Internet远程访问。用户可以在任意一台PC上访问某网址，就可以实时查询光伏电站的详细运行数据。同时，可以查询历史数据，故障数据。同时可以进行专业的电站运行数据分析。,3 带组串电流监控的汇流箱,实时监控每个光伏组串的电流状态； 直流电压可以达到1000V;可以最多接入16路；每个组串正负极提供直流保险丝保护；提供直流高耐压防雷保护,正常电网时的限功率运行电网检修时的停机（计划性）电网故障时的急停（随机性）弱网
22、时的调度策略无功功率补偿,4 调度技术,根据远程调度指令，自动控制有功功率输出，保证逆变器最大输出有功功率不超过电网调度部门的给定值。,正常电网时的限功率运行,4 调度技术,光伏并网逆变器应该能够根据调度指令或者根据电网设定的算法自动在一定范围内进行无功功率补偿。,无功功率补偿,4 调度技术,1 大型光伏电站的系统构成2 逆变器常见拓扑结构和发展方向3 逆变器的转换效率4 逆变器的保护功能5 逆变器并网电流谐波6 电磁兼容技术7 最大功率点跟踪方式8 电网锁相技术9 孤岛效应检测技术10 光伏电站的群控、监控及调度技术11 大规模应用的技术发展方向,目 录,逆变器将来的发展方向： MTFF （
23、mean time to first failure） 首次故障时间目前为5年左右，需要延长至十年。 对于将来光伏并网逆变器要求：高效率，高可靠性，长寿命，更低成本 使用膜电容，电解电容的寿命有限 新的控制算法，更快，更强的数字信号处理器 （如DSP或ARM） 更大功率，更低损耗的电力电子器件，如目前 1200V3600A IGBT单管下一代电力电子器件：IGCT 器件， SIC器件，PEBB（电力电子积木）IEGT：电子注入增强栅晶体管,逆变器将来的发展方向：,多用途逆变技术 夜间无功补偿功能（SVG） 电网失电后的应急供电功能（EPS） 动态电压支撑功能 （DVS） 智能电网的一部分 （Smart Grid）,风电和光伏发电的特点：波动性、不可控性 大型风场和荒漠电站：通常接入输电网，地点远离负荷中心，接入的区域电网结构比较薄弱，大量光伏和风力功率的注入会影响电网安全稳定运行，故对电网规划、运行带来新的挑战 小型分布式发电系统：传统配电网中潮流辐射式分布和传输，节点调压能力有限，故将影响配电网的潮流方向、电压特性以及电能质量等，为配电网设计和运行带来新的挑战,对于电网的挑战,请多指教！,
