離網(wǎng)光伏發(fā)電系統對逆變器的要求

    1.離網(wǎng)光伏發(fā)電體系對逆變器的要求

 

    太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種將太陽(yáng)光輻射能直接轉化為電能的新式發(fā)電技能，太陽(yáng)光輻射能經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能電池轉化為電能，再經(jīng)能量?jì)Υ?、操控與保護、能量變換等環(huán)節，使之可按人們的需求向負載供給直流電能或溝通電能。太陽(yáng)能電池陣列所發(fā)出的電能為直流電，可是大多數用電設備選用的是溝通供電方法，所以體系中需求有逆變器將直流電變換為溝通電以供負載運用。

 

    在離網(wǎng)光伏發(fā)電體系中，逆變器的功率將直接影響到整個(gè)體系的功率，因而，太陽(yáng)能光伏發(fā)電體系逆變器的操控技能具有重要的研究含義。在逆變器的規劃中，一般選用模擬操控方法，然而，模擬操控體系中存在許多缺點(diǎn)，如元器材的老化及溫漂效應，對電磁攪擾較為敏感，運用的元器材數目較多等。典型的模擬PWM逆變器操控體系選用自然采樣法將正弦調制波與三角載波比較，然后操控觸發(fā)脈沖，但三角波發(fā)生電路在高頻（20kHz）時(shí)簡(jiǎn)單被溫度、器材特性等因素攪擾，然后導致輸出電壓中出現直流偏移，諧波含量增加，死區時(shí)間改變等晦氣影響。高速數字信號處理器（DSP）的發(fā)展使太陽(yáng)能光伏發(fā)電體系中逆變器的數字化操控成為可能。因其大部分指令可在一個(gè)指令周期內完成，因而能夠實(shí)現較為復雜的先進(jìn)的操控算法，進(jìn)一步改進(jìn)輸出波形的動(dòng)態(tài)性能、穩態(tài)性能，并且能夠簡(jiǎn)化整個(gè)體系的規劃，使體系具有杰出的一致性。

 

    逆變器是一種功率電子電路，能把太陽(yáng)能電池陣列發(fā)出的直流電轉化為溝通電為溝通負載供電，是整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電體系的要害組件。離網(wǎng)光伏逆變器有兩個(gè)根本功用：一方面是為完成DC/AC轉化為溝通負載供給電能，另一方面是找出最佳的作業(yè)點(diǎn)以?xún)?yōu)化太陽(yáng)能光伏體系的功率。關(guān)于特定的太陽(yáng)光輻射、溫度及太陽(yáng)能電池類(lèi)型，太陽(yáng)能光伏體系都相應有僅有的最佳電壓及電流，然后使光伏發(fā)電體系發(fā)出最大功率的電能。因而，在離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電體系中對逆變器提出以下根本要求：

 

    1）逆變器要具有合理的電路結構，嚴格的元器材篩選，并要求逆變器具備各種保護功用，如輸入直流極性接反保護，溝通輸出短路保護，過(guò)熱，過(guò)載保護等。

 

    2）具有較寬的直流輸入電壓習慣規模，因為太陽(yáng)能太陽(yáng)能電池陣列的端電壓隨負載和日照強度而改變，蓄電池盡管對太陽(yáng)能電池的電壓具有鉗位效果，但因為蓄電池的電壓隨蓄電池剩下容量和內阻的改變而動(dòng)搖，特別是當蓄電池老化時(shí)其端電壓的改變規模很大，如12V蓄電池，其端電壓可在10V～16V之間改變，這就要求逆變器有必要在較寬的直流輸入電壓規模內保證正常作業(yè)，并保證溝通輸出電壓安穩在負載要求的電壓規模內。

 

    3）逆變器盡量減少電能變換的中間環(huán)節，以節省成本、進(jìn)步功率。

 

    4）逆變器應具有較高的功率，因為目前太陽(yáng)能電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地運用太陽(yáng)能電池，進(jìn)步體系功率，有必要進(jìn)步逆變器的功率。

 

    5）逆變器應具有較高的可靠性，目前離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電體系主要用于邊遠地區，許多離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電體系無(wú)人值守和保護。這就要求逆變器具有高的可靠性。

 

    6）逆變器的輸出電壓與國內市電電壓同頻、同幅值，以適用于通用電器負載。

 

    7）在中、大容量的離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電體系中，逆變器的輸出應為失真度較小的正弦波。因在中、大容量體系中，若選用方波供電，輸出將含有較多的諧波重量，高次諧波將發(fā)生附加損耗，許多離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電體系的負載為通訊或儀表設備，這些設備對電源品質(zhì)有較高的要求。關(guān)于離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電體系的逆變器而言，高質(zhì)量的輸出波形有兩方面的指標要求：一是穩態(tài)精度高，包括THD值小，基波重量相對參閱波形在相位和幅度上無(wú)靜差；二是動(dòng)態(tài)性能好，即在外界擾動(dòng)下調理快，輸出波形改變小。

 

    8）逆變器要具有必定的過(guò)載才能，一般能過(guò)載125%～150%。當過(guò)載150%時(shí)，應能繼續30s；當過(guò)載125%時(shí)，應能繼續60s以上。逆變器應在任何負載條件（過(guò)載狀況除外）和瞬態(tài)狀況下，都應保證規范的額外正弦輸出。

 

    目前，逆變器存在的問(wèn)題主要是可靠性不高，影響逆變器可靠性的主要因素有電解電容器、光電耦合器及磁性材料。進(jìn)步逆變器可靠性要從規劃方面著(zhù)手，如下降器材的結溫，減少器材的電應力，下降運轉電流及選用優(yōu)質(zhì)的磁性材料等措施可大大進(jìn)步其可靠性。若規劃中選用第一代磁性材料，如TDK的H35、FDK的H45等，因為這種磁性材料的飽滿(mǎn)磁通密度及居里溫度點(diǎn)較低，因而在功率較大長(cháng)時(shí)間作業(yè)極易出毛病。而選用第三代磁性材料，如TDK的H7C4、FDK的H63B和H45C、西門(mén)子的N47和N67，不光能有效地進(jìn)步轉化功率，并且大大進(jìn)步了逆變器可靠性。

 

    要進(jìn)步逆變器的功率，就有必要減小其損耗。逆變器中的損耗一般可分為兩類(lèi)：導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。導通損耗是因為器材具有必定的導通電阻Rds，因而當有電流流過(guò)期將會(huì )發(fā)生必定的功耗，導通損耗功率Pc由下式核算：

 

    Pc=I2×Rds

 

    在器材注冊和關(guān)斷過(guò)程中，器材不只流過(guò)較大的電流，并且還接受較高的電壓，因而器材也將發(fā)生較大的損耗，這種損耗稱(chēng)為開(kāi)關(guān)損耗。開(kāi)關(guān)損耗可分為注冊損耗、關(guān)斷損耗和電容放電損耗。

 

    注冊損耗：

 

    Pon=(1/2)×Ip×Vp×ts×f

 

    關(guān)斷損耗：

 

    Poff=(1/2)×Ip×Vp×ts×f

 

    電容放電損耗：

 

    Pcd=（1/2）×Cds×Vc2×f

 

    總的開(kāi)關(guān)損耗

 

    Pcf=Ip×Up×ts×f＋(1/2)×Cds×Vc2×f

 

    式中：Ip為器材開(kāi)關(guān)過(guò)程中流過(guò)的電流最大值；Vp為器材開(kāi)關(guān)過(guò)程中接受的電壓最大值；ts為注冊關(guān)斷時(shí)間；f為作業(yè)頻率；Cds為功率MOSFET的漏源寄生電容。

 

    要減小上述這些損耗，就有必要對功率開(kāi)關(guān)管施行零電壓或零電流轉化，即選用諧振型變換結構。

 

    2.光伏逆變器的根本規劃

 

    光伏逆變器的根本規劃規范包括額外電壓、容量、功率、太陽(yáng)能電池能效、輸出AC電源質(zhì)量、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）效能、通訊特性和安全性。

 

    1）額外電壓。光伏逆變器的主要功用是把來(lái)自太陽(yáng)能電池（有時(shí)是經(jīng)過(guò)穩壓的DC電壓）的可變DC電壓轉化為AC電壓以給溝通負載供電。最常用的單相和三相AC電壓分別為120V/220V以及208V/380V；而對工業(yè)使用來(lái)說(shuō)，480V也很常見(jiàn)。對選定的逆變器拓撲來(lái)說(shuō)，輸出AC電壓的規模將決定DC母線(xiàn)電壓以及每個(gè)半導體開(kāi)關(guān)的額外電壓。

 

    2）容量。它是光伏逆變器額外功率的另一個(gè)說(shuō)法，該數值在200W（太陽(yáng)能電池組件集成模塊）到數百千瓦之間。容量越大，逆變器的體積越大、價(jià)格越高。光伏逆變器的成本以美元/瓦來(lái)衡量。就一個(gè)恰到好處的規劃而言，確定容量時(shí)，有必要把浪涌、過(guò)載以及接連作業(yè)形式等狀況考慮在內。

 

    3）功率。每個(gè)光伏逆變器都對功率（輸出功率/輸入功率）提出較高的要求，例如，一個(gè)數千瓦逆變器的典型功率要求到達95%以上?；谔?yáng)能電池陣列的能量轉化功率相對低（約在15%左右）的現實(shí)，所以，就以最小的太陽(yáng)能電池容量取得最多的輸出功率來(lái)說(shuō)，高效逆變器具有十分重要的含義。

 

    4）蓄電池。在逆變器的DC側加裝蓄電池組起著(zhù)能量緩存器的效果，它能平抑DC電壓可能的動(dòng)搖并把負載還未運用的能量存儲起來(lái)。

 

    5）輸出電能質(zhì)量。源于逆變器內在的開(kāi)關(guān)形式特性，其AC輸出波形并非理想的正弦波，且一般還包括由脈寬調制（PWM）引入的寬規模高頻諧波。對許多電子負載來(lái)說(shuō)，這些諧波有害無(wú)益。

 

    6）MPPT效能。太陽(yáng)能電池的輸出將遵從其電流-電壓曲線(xiàn)中的不同光照條件下的一系列特性曲線(xiàn)，因而，為取得最大功率輸出，需對電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調理。

 

    7）通訊特性。對一個(gè)數千瓦的光伏逆變器來(lái)說(shuō)，構建一個(gè)用于監控和數據存儲的通訊連接很有必要，作為一種通用操控器的微處理器(MCU)很合適該功用。

 

    8）安全性。有兩個(gè)含義：一是要保證光伏發(fā)電體系的安全安穩運轉，二是在操作、保護和維修時(shí)，保證作業(yè)人員應沒(méi)安全風(fēng)險。

 

    3.光伏逆變器規劃的要害要素

 

    規劃光伏逆變器時(shí)要考慮的兩個(gè)要害要素是功率和諧波失真，功率可分成兩個(gè)部分：太陽(yáng)能電池的功率和逆變器的功率。逆變器的功率在很大程度上取決于規劃運用的外部元件，而不是操控器；而太陽(yáng)能電池的功率與操控器怎么操控太陽(yáng)能電池陣列有關(guān)。每個(gè)太陽(yáng)能電池陣列的最大作業(yè)功率在很大程度上取決于太陽(yáng)能電池陣列的溫度和光照。MCU有必要操控太陽(yáng)能電池陣列的輸出負載，以使太陽(yáng)能電池陣列的作業(yè)功率最大。因為這不是一個(gè)數學(xué)密集型算法，因而可運用低成本MCU來(lái)完成任務(wù)。

 

    目前，大多數光伏逆變器只能從太陽(yáng)能電池陣列的某個(gè)最佳方位對太陽(yáng)能電池陣列的整體功率進(jìn)行優(yōu)化。這種優(yōu)化方法嚴峻限制了太陽(yáng)能發(fā)電體系的功率。假設光伏體系在非最佳電壓及電流水平下運轉，體系的功率就十分低，白白浪費收集太陽(yáng)能的良機。在光伏發(fā)電體系中，太陽(yáng)能電池是由多個(gè)串聯(lián)組在并聯(lián)后構成的。就像節日燈飾一樣，假設串聯(lián)中的某個(gè)太陽(yáng)能電池發(fā)生毛病，就會(huì )導致整個(gè)太陽(yáng)能電池組失效。此外，當有局部暗影等遮蓋太陽(yáng)能電池時(shí)，這種狀況也會(huì )發(fā)生。

 

    為了處理上述問(wèn)題，目前太陽(yáng)能電池都集成了旁路二極管，然后使電流能夠繞過(guò)被遮蓋的失效太陽(yáng)能電池部份。發(fā)動(dòng)二極管后，它可將電流從頭路由，即改道繞過(guò)失效的太陽(yáng)能電池。這樣一來(lái)，不只浪費了受遮蓋太陽(yáng)能電池的供電潛能，并且會(huì )下降整個(gè)太陽(yáng)能電池組的總電壓?；谶x取太陽(yáng)能電池最佳作業(yè)點(diǎn)的準則，逆變器有必要決定是應該優(yōu)化受影響太陽(yáng)能電池串的電壓，仍是應該優(yōu)化其他沒(méi)受影響太陽(yáng)能電池組所發(fā)生的能量。在大多數的狀況下，逆變器都會(huì )選擇優(yōu)化沒(méi)有影響的太陽(yáng)能電池組，并相應地下降受影響太陽(yáng)能電池組所發(fā)生的能量，甚至是完全關(guān)閉受影響的太陽(yáng)能電池組。所導致的結果是，太陽(yáng)能光伏發(fā)電體系只要出現10%的遮蓋，便會(huì )使太陽(yáng)能光伏發(fā)電量下降一半。發(fā)生這一現象的原因主要是現行的太陽(yáng)能光伏發(fā)電體系并不能與極度敏感的太陽(yáng)能電池相匹配。因而，需求選用更高智能的技能和產(chǎn)品來(lái)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能。

 

    位于光伏逆變器前端的旁路二極管，嚴格來(lái)說(shuō)盡管不屬于逆變部分，可是作為太陽(yáng)能發(fā)電設備的一部分，關(guān)于逆變器運轉乃至整個(gè)體系的可靠性也至關(guān)重要。美高森美新針對此使用推出兩款新產(chǎn)品：LX2400和SFDS1045。LX2400融入了最新的散熱封裝技能（CoolRUNTM工藝），無(wú)需散熱器，經(jīng)過(guò)10A電流時(shí)溫升小于10℃。以30年安穩運轉為方針的可靠性規劃保證了100μA以下漏電流，20A的穩態(tài)電流才能和雙向抗閃電功用。其最大特點(diǎn)是業(yè)界最低溫升。SFDS1045是新一代肖特基二極管，也是迄今為止業(yè)界最薄的旁路二極管，只有0.74mm厚度并置于玻璃封裝之下，特別合適直接使用于太陽(yáng)能電池陣列。另外其共同的柔韌銅引腳具有衛星使用級別的可靠性。

 

    更多資訊請關(guān)注南昌光伏發(fā)電-江西艾能科技有限公司。