逆变技术在光伏电站中应用

1、逆变技术在光伏电站中的应用介绍内容1光伏发电系统的组成及特点3 光伏电站设计及建设4光伏电站的监控 光伏逆变器原理及相关设计2目录2一、光伏发电系统的组成及特点 太阳能发电的优势取之不尽，用之不竭对环境无污染，零排放随处可得，就近供电，不需输送无机械传动部件，不存在机械磨损，维护简单，运行可靠太阳能光伏发电的缺点能量密度低间歇性受气候环境因素影响大3光伏发电系统的分类并网系统将光伏电能转化成交流电能送上电网独立系统（离网系统）光伏电能通过控制器储存在蓄电池中，给交流/直流负载提供稳定交流/直流电压源混合系统（双模式系统）既能并网、又能独立运行的光伏系统45介绍内容1光伏发电系统的组成及特点3

2、光伏电站设计及建设4光伏电站的监控 光伏逆变器原理及相关设计2目录研究目标与技术路线26介绍内容 光伏逆变器原理及相关设计2研究目标与技术路线2 光伏逆变器工作原理、控制原理、保护功能 光伏逆变器的相关设计7一光伏逆变器原理光伏发电系统中的逆变器逆变器的作用直流电能（太阳能电池或蓄电池） 交流电能（电网或负载）逆变器的功能并网系统（电流控制）： 太阳能 稳定的交流功率(电流)电网独立系统（电压控制）： 太阳能(蓄电池)稳定的交流/直流电压 负载8光伏发电系统对逆变器的要求合理的电路结构，严格的元器件筛选，具备各种保护功能；较宽的直流输入电压适应范围；较少的电能变换中间环节，以节约成本、提高效率

3、；高效率；高可靠性，无人值守和维护；输出电压、电流满足电能质量要求，谐波含量小，功率因数高；具有一定的过载能力。9目前市场上的逆变器技术大至分为以下七种拓扑：1）先升压 再逆变图1-1图1-1前级为单boost升压电路，后级为全桥逆变结构。由于升压部分受升压倍数和功率限制，此拓扑结构逆变电路特别适合小型、单相并网逆变器，而且适合直流电压较低系统优点：效率较高，可高达98%，成本低，结构简单，体积小，质量轻缺点：由于输入输出不隔离，对系统的绝缘、系统接地及人员安全造成不利增加对输出直流分量的检测，防止直流分量注入电网另外，前级有的为双boost升压电路10双Boost电路图1-2图1-2拓扑表示

4、的是双Boost电路，采用这种拓扑的变换器主要有以下优点：（1）与传统的升压变换器相比，电感减小一半；（2）开关管的电流等级减小一半；（3）明显降低了输入电流的谐波；（4）有效解决了二极管反向恢复电流的冲击问题；（5）简化了输出的直流滤波电路，提高了直流输出质量。112）直接逆变输出图1-3图1-3表示的拓扑前级去除了boost升压电路优点：与第一种拓扑相比，结构更加简单，成本更低，体积更小，质量更轻，效率更高甚至高达99%，因为这种逆变器输入直流电压较高。直流电压较高决定了通态损耗较低，而且无变压器；缺点：与第一种拓扑相比必须要有较高的串联电压，从而限制了逆变器输入电压范围。 另外要求逆变器

5、功率相对较大。容易引入直流分量 要增加对输出直流分量的检测，防止直流分量注入电网123）带高频变压器隔离 先逆变升压整流再逆变输出图1-4拓扑结构先逆变升压整流，在较高直流下再逆变输出优点：具有较高的效率 可达96%，体积小，质量轻，成本较低，不影响系统接地缺点：输出要加直流分量检测，控制直流分量以避免注入电网，由于受高频变压器磁芯等影响只能用于小型逆变器的使用图1-4134）先逆变再升压隔离输出图1-5图1-5表示的拓扑在并网逆变器中使用较广优点：不影响系统接地、系统绝缘、不需要交流输出侧的直流分量检测与控制缺点：由于在相对较低直流电压下逆变，开关损耗以及通态损耗较高，加之工频变压器的损耗使

6、得逆变器整体效率较低，最高约为96%145）直接逆变输出 经电力变压器升压馈入高压电网图-1-6图1-6表示的拓扑在大型并网系统中有较多应用 如：大型并网逆变器直流输入为440V 900V 4400.612 270V 电力变压器匝比可做成270V/10KV等优点：可大大提高并网效率和节约成本 同时便于用于当地选择适合电网要求的变压器。15优点：由于具有多个DC-DC电路即具有不同的MPPT 输入回路，适合多个不同倾斜面方阵或不同组件接入， 克服了由于太阳电池组件参数的离散性或太阳辐射条件的差异会造成太阳电池组件并联情况下能量损失，可以增加系统的发电量在3%-10%。十分适合应用于光伏建筑项目缺

7、点：由于输入输出不隔离，对系统的绝缘、系统接地及人员安全造成不利增加对输出直流分量的检测，防止直流分量注入电网6）多路MPPT输入逆变器16 7）主从逆变单元结构的逆变系统优点：提高系统运行效率，空载损耗较小。根据光照强弱，群控器自动逐台投切，控制投入运行电源的数量，使每台电源在较高的负载率下运行，有效提高系统的效率。提高系统的寿命可根据光照情况，合理选择某台（某部分）投入运行，系统的单台可进行轮休(循环工作) 。缺点：该系统通过直流母线将整个方阵并在一起，太阳电池组件参数的离散性或太阳辐射条件的差异会造成方阵在并联情况下能量的损失。这种差异在太阳能光伏电站刚建好时可能不大，随着使用时间的延长

8、，差异会越来越大。这种损失在大型太阳能光伏电站，特别是在BIPV项目中可能达到5%左右。17并网逆变器的主要组成部分主电路控制软件系统保护（逆变系统保护 + 并网保护）18主电路拓扑自带变压器型：不带变压器型：19控制策略交流电流控制直流电压控制最大功率点跟踪(MPPT)控制要求：快速、准确和稳定20光伏并网逆变器控制框图21MPPT控制策略 光伏电池输出特性随温度、光照条件变化而变化。 最大功率点跟踪的过程实质上是一个寻优过程，即通过追踪光伏电池端最高电压电流值，来确定最大功率点输出。22逆变系统保护内容过电流保护过载保护 过热保护 直流/交流过电压保护直流/交流欠电压保护电网过欠频防雷保护

9、对地绝缘保护极性反接保护过温保护低电压穿越防逆流保护孤岛运行检测被动式检测： 相位跳跃检测法等主动式检测： 主动频率偏移法等232425500kW逆变器底座安装尺寸图2627282930Page 31系统设计与仿真验证系统仿真模型建立基于先进的MATLAB与Saber软件的仿真模型系统参数设计与验证方便地实现系统参数的设计与验证 系统控制策略验证验证系统控制策略指导系统设计31缩短开发周期，提高响应速度提供最佳工程方案系统半实物仿真：系统设计与仿真验证32应力分布三维建模阶段模态位移分析机械结构设计结构设计33Page 34性能试验34Page 352022/8/10逆变器效率 欧洲效率（加权

10、效率）最大效率98.6% 欧洲效率 98.2% 10%额定功率效率90% 500K对应：35逆变器功率因素500K对应：输出功率/额定功率%功率因素36介绍内容3 光伏电站设计及建设1 光伏发电系统的组成及特点4光伏电站的监控 光伏逆变器原理及相关设计2目录37大型并网光伏电站配置拓扑图38大型电站设备配置组成太阳能方阵防雷汇流箱直流配电柜高低配柜变压器(室内或室外)并网及数据显示和通信逆变器39并网光伏发电系统的设计步骤前期准备技术方案确定设备选型工程设计特殊设计在考察的基础上进行可行性设计与研究、项目申报组件、逆变器、监控、其它辅助设备、运行方式确认土建施工、抗风能力、防雷接地、电网电气接

11、入系统占地计算、场地、基础、机房、围栏、自动跟踪系统40光伏电站典型1MW子系统说明特点说明 ：电站采用“集中设计、集中控制、单点并网”的总体技术方案在电气线路上，并网系统分为多个独立的1MWp分系统 每个1MWp分系统包括2个500kWp子系统、1台1000kVA的升压变压器每个子系统由光伏方阵、防雷汇流箱、直流配电柜、并网逆变器组成，输出为三相交流电光伏电站站用电：站用电源由10kV配电装置引接（前端可加双电源切换装置），容量定为500kVA，站用电用于供给本站内各处照明、暖通、检修等负荷411MW子系统国内外大、中型电站最为主流、最为典型的应用系统单元在国内外运行最多、最安全稳定的是1M

12、W子系统，具有成熟的配套元件产品及成熟的电气保护线路，例如，市场设备厂家，专门提供1MW光伏专用升压变系统及开关保护设备，此1MW结构采用双分裂双绕组变压器。对于光伏并网发电系统，影响系统的发电量是多方面的，而最直接的影响就是逆变器的效率和升压变压器的效率，所以为了提高系统的发电效率，每个 1MW 并网子站采用 2台单机 500KW 高效无变压器型大功率并网逆变器，配置 1 台 （35）KV 双分裂升压变压器，通过一次升压方案完成 10（35）KV 上网发电。42太阳电池方阵间距计算计算当太阳电池子阵前后安装时的最小间距D一般确定原则：冬至当天早9：00至下午3：00 太阳电池方阵不应被遮挡4

13、3按照国家标准公式计算间距： 当光伏电站功率较大，需要前后排布太阳电池方阵，或当太阳电池方阵附近有高达建筑物或树木的情况下，需要计算方阵自身、建筑物或树木的阴影，以确定方阵间的距离或太阳电池方阵与建筑物的距离。一般确定原则：冬至当天早9：00至下午3：00 太阳电池方阵不应被遮挡。计算公式如下：太阳高度角的公式：sin = sin sin+cos cos cos太阳方位角的公式：sin = cos sin/cos式中：为当地纬度；为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为度；为时角，上午9:00的时角为45度。D = cosL，L = H/tan， = arcsin (sin sin+cos cos co

14、s)44太阳电池方阵抗风能力设计（依据：GB50009-2006 建筑结构荷载规范、GB50017-2003钢结构设计规范）1、需要计算受风梁在受风条件下的弯曲应力和弯曲度；2、需要计算支撑臂在顺风条件下的压曲强度和逆风条件下的拉伸强度；3、需要计算在受风条件下螺栓的剪切力（折断力）的耐受强度。45屋顶光伏阵列运行方式分析固定式：发电量低，成本低，安装简单方便，适用于大多数屋顶结构形式，便于维护。自动跟踪式：发电量最高，成本也增加较多，需要一定的维护工作，只能安装在有一定支承能力的平顶屋顶结构上。几种安装运行方式发电量对比图：46光伏组串数设计取决于逆变器的直流输入电压范围和最高允许电压取决于

15、光伏组件的Vmp和Voc 取决于当地冬季白天最低温度(温度系数的比例关系) 根据电池板的规格：30Vmp一般设计在2021串联 36Vmp一般设计在1618串联 48Vmp一般设计在1214串联47光伏电站的防雷和接地措施1：架设避雷针防止低空直击雷措施2：太阳电池方阵支架可靠接地措施3：太阳电池方阵防雷汇流箱内，加装防雷器，机壳可靠接地措施4：机房设备需可靠接地措施5：控制室进、出线处均增设防雷隔离箱，内装防雷器，防止感应雷48防雷措施49防雷基本概念接闪器：直接截受雷击的避雷针、避雷线、避雷网等，架空安装引下线（建筑）：连接接闪器和接地体的金属导体。1、2、3类建筑的引下线均不得少于2根接

16、地体：埋入土壤中或混凝土基础中作为散流作用的导体接地线：连接引下线和接地体的导体过电压保护器：避雷器、放电间隙、压敏电阻等防雷装置：接闪器、接地体、接地线、引下线、过电压保护器的总合接地：将接闪器、被保护装置、设备或过电压保护器用接地线与接地体连接，称为接地接地包括：工作接地、保护接地和过电压保护接地50设备接地和系统接地SJ/T 11127-1997 光伏（PV）发电系统过电压保护 - 导则51太阳电池方阵的线路防雷逆变器交流侧和直流侧的线路防雷52535455565758596061介绍内容1 光伏发电系统的组成及特点 光伏逆变器原理及相关设计2目录3 光伏电站设计及建设4光伏电站的监控62光伏电站的监控及调度技术IEEE1547规定，功率超过250kW的分布式电源必须安装监测系统，以监视电站的接入状态、有功、无功输出和连接点的电压大功率逆变器要求具有：接受远方调度指令进行有功输出调节、功率因素的调节、远程开关机功能、低电压穿越功能等63监控系统采用实时数据库系统软件，构建统一的实时数据监管平台，通过采集装置采集电站内所有发电设备的数据，包括以下设备：逆变器、汇流箱、直流柜，环境监测仪。实现电站内所连设备数据的实时监视、管理和存贮。监控系统的主要功能：数据采集 数据监视 通信机制 系统管理安全措施 数据库功能 计算处理功能事件记录及