深圳市技术创新计划-分布式光伏并网储能逆变器关键技术研发

深圳市技术创新计划技术开发项目可行性研究报告项目名称：分布式光伏并网储能逆变器关键技术研发申请单位：项目负责人：电子邮箱：移动电话：传真：一、项目实施的背景和意义1、项目概要针对传统光伏逆变器受限于跟踪的快速性和稳态检测精度之间的矛盾，本项目攻克了分布式光伏并网储能逆变器关键技术，研究并离网储能逆变器的主拓扑结构优化设计、多路MPPT跟踪和功率协调控制技术、三电平逆变器高效率调制技术、基于孤岛检测的并离网切换控制技术、逆变器的智能并网技术，实现了充电储能、放电逆变、离网运行、并网运行等多种工作模式的交互。在离网工作模式上，在电网掉电或异常时，双向逆变器自动切换为离网工作模式（电压源原理），实现DC-AC逆变带载。此时太阳能的接入起到了补充能量的作用可以有，效延长蓄电池的后备时间，降低电池放电深度，延长电池寿命，同时也减少了蓄电池的配置要求，便于批量推广。结合光伏及分布式应用特点的，通过控制系统的精心设计，实现了上述能量的最优化利用和运行。通过采集监控太阳能及负载功率的变化，实现系统的最优化运行方式，从而尽可能使用可再生能源，并实现客户收益的最大化。2、项目背景及意义“十三五期间”，太阳能的利用开发必将充分的发展，太阳能将主导二十一世纪后构。如今，世界各国纷纷立法来鼓励对太阳能的开发利用。利用光伏组件发电是目前太阳能利用的一种主要形式。光伏组件只能输出直流电，但目前的用电设备绝大多为交流负载，这使得利用光伏组件产生的电能必须的转化为交流电能。另外，将光伏组件产生的电能经过转化后直接并入电网比离网发电的成本相对较低，而减少光伏发电的成本将有助于太阳能利用的推广。将光伏组件产生的直流电转换为交流电必须采用逆变器作为变流装置，因此分布式光伏并网储能逆变器在光伏发电系统中起着举足轻重的作用。随着近两年光伏市场发展重心从西部向中东部地区转移的趋势，以及期的能源结国家提倡光伏扶贫、就地消纳等政策，首航新能源迅速在中东部地区众多光伏发电需求高的省份布局市场，2016年在河北、河南、江苏等地分布式项目中取得成绩。目前，逆变器技术在电力电子技术中已较为成熟。例如：UPS电源中的逆变器，变频技术中的逆变技术、特种电源中的逆变技术和功率调节器中的逆变技术等，这些都已经以产品的形式推向市场，并受到社会的广泛认可。光伏并网逆变器作为光伏发电关键部件，它的性能将直接影响到其产生的电能质量、转换效率以及以其为核心的发电站的安全。

3、项目预期实现的经济及社会效益在经济效益上，根据项目的创新性，项目完成后，实现销售收入2000万元，纳税50万元。在社会效益上，利用并联型APF与光伏并网逆变器这两者在拓扑结构上的相似性，使传统光伏并网逆变系统在工作的同时能实现有源滤波，根据不同光照强度、工作需求切换不同工作模式，提高逆变器在光照强度较弱时设备的利用率，实现输送有功功率的同时进行谐波和无功的补偿，改善公共电网的电能质量，太阳能是一种取之不尽，用之不竭的清洁可再生能源，具有独特的优势和巨大的发展潜力，充分利用太阳能对能节减排、保护环境和地方经济有着重大的意义。二、技术发展趋势及国内外发展现状1、技术发展趋势目前国内的商业用电仍比较高，加上未来分布式光伏电站是主要发展趋势，分布式配合储能在首航新能源目前的海外市场首当其冲，在德国几乎是爆发式发展，为首航新能源找到新的技术突破方向。储能逆变器强大的适应性使其可以与市面上任何一个厂家、任何一款并网逆变器相匹配，可用于改造现有的并网逆变器或者融入新的太阳能系统，实现“1加1大于2”的效果。由于海外储能市场发展较成熟，认知度较高，储能逆变器在海外市场的受欢迎程度高。在澳大利亚、荷兰、英国等光伏补贴比较高的国家有的光伏发电用户不再倾向于把电并入电网，而是使用储能系统把多余的电储存起来。首航新能源这款储能逆变器恰逢其时，目前在这些国家都有着广泛的安装与应用，对当地用户来说光伏发电补贴取消影响并不大，通过光储系统同样可以节省电费。虽然目前储能逆变器的增量市场，国外市场的需求较突出，但目前中国的商业电价仍然很高，近几年将在国内布局的一些商业光伏项目中加入，随着光伏发电系统的安装与普及，光伏发电补贴逐年降低直至取消，原储能逆变器的使用，配合新政的推出，分布式市场的需求也会随之爆发。2、国内外发展随着世界上第一块光伏组件的出现，光伏组件发电如今发展迅猛。近几国光伏产业政策上的大力扶持，世界专用于光伏发电的光伏逆变器的销量逐年上升，光伏发电用逆变器进入了一个迅猛发展的阶段。目前全球光伏逆变器市场被几家大的国际公司所瓜分，欧洲是全球光伏发电市场的领头羊，具备完善的光伏产业链，光伏逆变器技术位。全球龙头SMA占据市场份额达40%以上，第二梯队四个厂商合计占据30%以上市场份额，其余超过150多家公司分割剩下的市场，行业集中度较高。年，随着欧美国家对本处于世界领先地

我国的光伏逆变器市场起步较欧美国家晚，但最近几年我国的光伏逆变器市场发展迅速。目前，国内生产光伏逆变器的厂商据初步统计已达150多家，但在产品质量、生产工艺及规模上与国外龙差距。目前国内具有较大规模光伏并网逆变器制造能力的厂商主要有阳光电源、南呈逐年上主要份额。阳光电源和南京冠亚2015年产能达3GW，其潜力给国内光伏逆变器制头企业仍很大的京冠亚、古瑞瓦特新能源、南瑞电气、许继电气等企业。目前这些企业的光伏逆变器产量升，现在已占据了国内光伏逆变器市场的中阳光电源占有40%市场份额。国内光伏发电市场的巨大发展空间和发展造企业的发展带来历史机遇。目前国内光伏逆变器主要被阳光电源、艾思玛、KACO等品牌所占领，国外企业多从技术方面来看，国内品国外品牌的光伏逆变器仍有一定差距。目前国内光伏逆变器并联光伏逆变器的环流抑制、低电压穿越、孤岛检测等几但要做大做好需要在人力物力上加大投入。如高转化效率、孤岛检测、低电压穿越能力将可能成为光伏并网逆变器发展的技术壁垒。一些中小企业将因为光伏并网逆变器必须具有低电压穿越能力的数通过代理渠道进入国内市场，牌光伏逆变器在加工工艺、转换效率、智能化程度、稳定技术的研究主要集中在最大功率跟踪、行业入门相对容易，由于售后服务提供难度大，整体市场占有率不高。性等方面与个方面。光伏逆变器要求而被淘汰。3、现有技术存在的问题（1）光伏并网逆变器光伏并网逆变器孤岛运行状态时电网无法控制它的输出电压幅值和频率，当电压幅值过高异常时就会对与其连接的电气设备造成损坏，甚至给检修人员造成危险。因此必须采取有效的应对措施来检测孤岛现象的发生，并能在孤岛现象发生后快速地将其切除。孤岛效应检测技术处于或者频率（2）光伏并网逆变器并联环流抑制技术随着光伏电站安装容量的不断增大，目前一般的光伏电站容量都达到MW级，如果还采用小容量的逆变器将导致整个光伏电站的逆变器站的发电效率。为了提高电站的功率、可靠性和效率及降低成本，目前功率的光伏并网逆变器。业内大功率的光伏并网逆变器多采用多台小功率逆变器并联运行的方式。然而当多台光伏逆变器并联时，逆变器的直流侧和交流侧分别共用一条母线，从而导致在并联的光之间形成环流。这种电流导致并联运行的光伏逆变器输出电流质量降低，进而损害整个系性能。本项目对于采用主从控制实现均流的微网系统中的用电流控制，通过逐步调整变换器电压使其跟随电网电压实现离网到并网的换器输出电压初相角为切换时刻电网电压相位实现并网到离网的无缝切换。通过对上述控制方法的仿真分析，证明本项所采用的无缝切换控制策略能快速、稳定的实现双模式之间的平滑切换，且控制思路简单，易于实现。离网模式时V/f控制和并网模式时电流控制。台数太多，不但会增加电站的建设成本，而且会影响整个电大规模的光伏电站都采用大伏逆变器统的主变换器，离网时采用V/f控制，并网时采无缝切换，通过调整变

对于直流侧接有超级电容等储能装置的微网变换器，其直流侧可等效为直流电压源。在微网离网运行时，主变换器通过V/f控制给整个孤立的微网提供电压和频率参考值，来保证电压和频率水平。V/f控制得到的电压幅值和相位基准再用来合成变换器输出电压基准，经过电压电流控制器进行最终控制。电压电流控制器为传统的变换器输出电压、电感电流双闭环控制。并网模式时只需控制变换器输出电流和电网电压同相位即可实现单位功率因数输出，同时控制电流幅值可以间接控制变换器输出功率。四、项目研究情况1、主要研究内容（1）并离网储能逆变器的主拓扑结构优化设计，实现了并网，离网、储能的协调统一，降低了系统成本，有力与产的品推广和应用。（2）多路MPPT跟踪和功率协调控制技术，克服跟踪的快速性和稳态检测精度之高了输出稳定性。（3）三电平逆变器高效率调制技术的研究，降低轻载开关损利于提高效率。岛检测的并离网切换控制技术，通过逐步调整变换器电压网到并网的无缝切换，通过初相角为切换时刻电网电压相位间的矛盾，提功率的耗，有使其跟随电网电压（4）基于孤实现离调整变换器输出电压实现并网到离网的无缝切换。（5）逆变器的智能并网技术，实现了逆变器对电网的完全响应，减少了SVG的投入，有利于提高电网的稳定性和安全性。2、拟解决的关键问题（1）并离网储能逆变器的主拓扑结构优化设计传统并网逆变器或者离网逆变器的功能都比较单一，要么只能并网，要么只能离网，无法结合两者的优势，实现削峰填谷，实现能源利用及性价比的最大化。针对分布式应用的复杂场合，急需开发一种具有离并网集成，强的产。品在本方案中，采用集成的拓扑结构，有效的解决了上述问题，实现了并网，离网协调统一，降低了系统成本，有力与产的品推广和应用。（2）多路MPPT跟踪和功率协调控制目前广泛使用的MPPT方法主要有扰动观察法和电行，但受限于跟踪的快速性和稳态检测精度之间的矛盾。为克服上述缺陷，采用了基于配的光伏电池MPPT策略，引入中心差分的方法，使其对动态阻抗的检测更为精确，MPPT精度更高，高度适应性、储能的技术导微增量法，它们基于极值理论，算法简单易动态阻抗匹

提高了系统发电量。同时对能量的平衡进行预测，提高了输出功率的稳定性。（3）三电平逆变器高效率调制技术的研究在三相逆变器中，三电平的方案因器件应力小，损耗低，已经在光伏领域得到了光伏的应用。SVPWM调制方式非常适合无中线结构，控制精度高，速度快，但在小功率仍然存在空载损耗大的问题，在本产品中，采用了一种改进的“DPWM”方案，可以进一步降低轻载开关损耗，有利于提高效率。（4）基于孤岛检测的于并网逆变系统中，但对时间的响应速度切换时容易造成系统掉电，导致部分数据丢失或设备重启。基于上述问题，我们采用了快速的DQ变换数字锁离网时采用V/f控制，并网时采用电流控制，通过逐步调整变换器电电网电压实现离网到缝切换，通过调整变换器输出电压初相角为切换时刻电网电压相位实现并网到缝切换。（5）逆变器的智能并网技术先进的数字锁相及DQ变换控制方式，有效减少了并网冲击电流，提高了控制精度。、无功分量的解耦控制，实现了逆变器对电网的完全响应，减少了SVG的投入，有利于网的稳定性和安全性。并离网切换控制技术防孤岛保护技术广泛应用都不是太快，这样在离并网相技术，压使其跟随并网的无离网的无本产品采用了通过对有功提高电2、拟采用的技术原理、技术方法、及工艺范畴（1）并离网储能逆变器的主拓扑结构优化设计光伏并离网储能逆变系统主要由以下5个部分光伏阵列、BOOST升压和最大功率踪（MPPT）装置、储能系统统等。组成：点跟、并离网逆变器以及控制系

图1光伏并网储能发电系统光伏储能逆变器具体工作原理：（1）白天用电高峰期，在太阳光的照射下，太阳能电池组件产生的直流电流通过控制器传送到逆变器转化成交流电，并入电网；（2）晚上用电低谷期，电网通过逆变器，充放电控制器对蓄电池进行充电；（3）当阳光不足或在夜间用电时，蓄电池通过直流控制系统向逆变器送电，经逆变器转化为交流电供交流负载使用。光伏阵列是光伏并网发电系统的基本环节，它是由太阳能光伏电池单体串、并封装成组件，再根据系统的需要，经过串、并联连接并装在支架上构成，光伏阵列是将太阳能转化为电能的能量转换单元；最大功率点跟踪（保障光伏能源充分利用的输出直接受光照、温度、负载等因素的影响，最大功率点跟踪控制保证光伏电池阵列在始终可以输出相应的最大功率，统是光伏并网发电系统的调节、控制环节，它在光照良好发电充足时将部分电能储适当时候释放这部分电能起到稳定光伏电源输出和调节供用电平衡的作用；并网逆变器压器作用是所发出的电压较低的直流电转化为电压等级适合的交流电，为光伏并网发电提供必备条件。光伏并网发电系统具有如下几个典型特征：输出受光照、温度等环境因素的影响，输出功率会呈现其发电功率呈现较为明显的随机性与不可控性；于光伏发电系统造价相对较高，为资源利用的率点跟踪(MPPT)技术，并且要求电网能最大限度地吸收利用光伏电能；达到高效利用太阳能的目的，光伏发电系统并网时通常使并网电流MPPT）装置是必要控制环节，光伏电池阵列具有强烈的非线性特性，它的可以任何条件下实现光伏能源的充分利用；储能系存起来，再根据需要在和变将光伏阵列1）光伏发电系统的较大的变化，特别是天气多变时，2）由了实现太阳能最大化，系统多采用最大功3）为和并网点电压同相，即系统仅提供有功功率。在混合储能系统中，超级电容主要负责系统功率波动瞬间快速平衡系统功率，稳定后主要还是由蓄电池来起主要储能作用。太阳能发电受环境因素影响比较大，输出功率具有波动性和间歇性，但是从混合储能光伏并网发电系统设计的角度来看，这种波动所导致的系统功率不平衡，都需要通过储能单元来补充或吸收这部分不平衡功率。那么，储能单元就一定会经常处于频繁的充电和放电状态，吸收或发出较大的功率，而且短时间的充放电电流还比较大。频繁工作在这种情况下的铅酸蓄电池的容量和寿命都会受到影响，这是由铅酸蓄电池自身特性所决定的，主要因原有三点：（1）频繁大功率充放电会导致铅酸蓄电池内部的温度升高和正负极板的活性物质会大量脱落，使得蓄电池发生不可逆的容量亏损。（2）大电流充放电会使铅酸蓄电池极板弯曲变形，如果出现大电压跌落，还会导致蓄电池自保护关断。（3）频繁的充放电会使铅酸蓄电池工作在充放电小循环状态下，会加快铅酸蓄电池的老化和容量亏损，减少蓄电池的循环使用寿命。基于以上考虑，在蓄电池和超级电容混合储能协调控制策略方面，需要尽量避免蓄电池工作在频繁的充放电状态，同时减小蓄电池充放电的电流。超级电