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1、2019/5/24,1,太阳能应用 检测与控制技术,逆变器,第8章 太阳能并网发电及逆变控制,光伏并网逆变器的控制策略,8.3,光伏并网逆变器的电路拓扑,太阳能并网发电系统的孤岛效应,光伏并网逆变器的测试方法及标准,8.1 逆变器,逆变器在电力电子技术中起着重要作用。电力电子技术是电力、电子、自动控制、计算机及半导体等多种技术相互渗透与有机结合的综合技术。 众所周知，整流器的功能是将50Hz的交流电整流成为直流电。而逆变器与整流器恰好相反，它的功能是将直流电转换为交流电。这种对应于整流的逆向过程，被称为“逆变”。太阳能电池在阳光照射下产生直流电，然而以直流电形式供电的系统有很大的局限性。例如，
2、日光灯、电视机、电冰箱、电风扇等均不能直接用直流电源供电，绝大多数动力机械也是如此。此外，当供电系统需要升高电压或降低电压时，交流系统只需加一个变压器即可，而在直流系统中升降压技术与装置则要复杂得多。,8.1 逆变器,因此，除特殊用户外，在光伏发电系统中都需要配备逆变器。逆变器还具备有自动调压或手动调压功能，可改善光伏发电系统的供电质量。综上所述，逆变器已成为光伏发电系统中不可缺少的重要配套设备。 目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，
3、成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如12V、24V、48V等），很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用交流系统。随着我国光伏发电市场的日趋成熟，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。,8.1 逆变器,8.1.1 逆变器基本工作原理及电路系统构成 逆变器的种类很多，各自的具体工作原理、工作过程不尽相同，但是最基本的逆变过程是相同的；下面以最基本的逆变器单相桥式逆变器电路为例，具体说明逆变器的“逆变”过程；单相桥式逆变器电路如图8-1（a）所示。输入直流电压为E，R代表逆
4、变器的纯电阻性负载。当开关S1、S3接通时，电流流过S1、R和S3，负载上的电压极性是左正右负；当开关S1、S3断开，S2、S4接通时，电流流过S2、R和S4，负载上的电压极性反向。若两组开关S1及S3、S2及S4以频率f交替切换工作时，负载R上便可得到频率为f的交变电压Ur，其波形如图8-1（b）所示。该波形为一方波，其周期T=1/f。,8.1 逆变器,图8-1 直流电交流电逆变原理图,8.1 逆变器,8.1.2 逆变器分类及特性 逆变器的种类很多，可按照不同的方法进行分类。 按逆变器输出交流电能的频率分，可分为工频逆变器、中频逆器和高频逆变器。工频逆变器的频率为5060Hz的逆变器；中频逆
5、变器的频率一般为400Hz到十几kHz；高频逆变器的频率一般为十几kHz到MHz。 按逆变器输出的相数分，可分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。 按照逆变器输出电能的去向分，可分为有源逆变器和无源逆变器。凡将逆变器输出的电能向工业电网输送的逆变器，称为有源逆变器；凡将逆变器输出的电能输向某种用电负载的逆变器称为无源逆变器。,8.1 逆变器, 按逆变器主电路的形式分，可分为单端式逆变器，推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器。 按逆变器主开关器件的类型分，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应逆变器和绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器等。,8.1 逆变器,8.1.3 逆变器的性能要求 光
6、伏发电系统对逆变器的技术要求 采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变器4部分组成，而逆变器是其中关键部件。光伏发电系统对逆变器的技术要求如下。 （1）要求具有较高的逆变效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。 （2）要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。,8.1 逆变器,（3）要求直流输入电压有较宽的适应范围。由于太阳电
7、池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在1016V之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。 （4）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对供电品质有较高的要求。另外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免对公
8、共电网的电力污染，也要求逆变器输出失真度满足要求的正弦波形。,8.2 光伏并网逆变器的电路拓扑,8.2.1 光伏并网逆变器的分类 光伏并网逆变器是将太阳能电池所输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输入电网的设备，是光伏并网系统的核心。光伏并网系统实质上是一个有源逆变系统，并网逆变器可分为电流型和电压型两大类。电流型的特征是直流侧采用电感进行储能，从而使直流侧呈现高阻抗的直流源特性。电压型的特征是直流侧采用电容进行储能，从而使直流侧呈低阻抗的电压源特性。两种电路拓扑结构如图8-6（a）和图8-6（b）所示。,8.2 光伏并网逆变器的电路拓扑,图8-6 电流源型电压源型并网逆变拓扑,8.2 光
9、伏并网逆变器的电路拓扑,8.2.2 隔离型光伏并网逆变器 在光伏并网系统中，逆变器的主要作用是将光伏阵列发出的直流电转换成与电网同频率的交流电并将电能馈入电网。通常可使用一个变压器将电网与光伏阵列隔离，光伏并网系统中将具有隔离变压器的并网逆变器称为隔离型光伏并网逆变器，按照变压器的种类可以将隔离型光伏并网逆变器分为工频隔离型光伏并网逆变器和高频隔离型光伏并网逆变器两类。,8.2 光伏并网逆变器的电路拓扑,8.2.3 非隔离型光伏并网逆变器 为了尽可能地提高光伏并网系统的效率和降低成本，在不需要强制电气隔离的条件下（有些国家的相关标准规定了光伏并网系统需强制电气隔离），可以采用不隔离的无变压器型
10、拓扑方案。非隔离型光伏并网逆变器由于省去了笨重的工频变压器，所以具有体积小、质量轻、效率高、成本较低等诸多优点，因而这使得非隔离型并网结构具有很好的发展前景。一般而言，非隔离型光伏并网逆变器按结构可以分为单级型和多级型两种。,8.2 光伏并网逆变器的电路拓扑,8.2.4 多支路光伏并网逆变器 随着光伏发电技术与市场的不断发展，光伏并网系统在城市中的应用也日益广泛。然而，城市的可利用空间有限，因此为在有限空间中提高光伏系统的总安装容量，一方面要提高单个电站的容量，另一方面应将光伏发电广泛地与城市的建筑相结合。然而城市建筑中的情况较为复杂，其光照、温度、光伏组件规格都会因安装地方的不同而有所差异，
11、这样传统的集中式光伏并网结构无法满足光伏系统的高性能应用要求，为此可以采用多支路型的光伏并网逆变器结构。这种多支路型的光伏并网逆变器在各支路光伏方阵的特性不同或光照及温度条件不同时，各支路可独立进行最大功率跟踪，从而解决了各支路之间的功率失配问题。另外，多支路光伏并网逆变器安装灵活、维修方便、能够最大限度地利用太阳辐射能量、有效地克服支路间功率失配,8.2 光伏并网逆变器的电路拓扑,所带来的系统整体效率低下等缺点，并可最大限度减少受单一支路故障的影响，具有较好的应用前景。 一般而言，根据有无隔离变压器可以将多支路光伏并网逆变器分为隔离型和非隔离型两大类，,8.3 光伏并网逆变器的控制策略,光伏
12、并网系统逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制4种方法。以电流源为输入的逆变器，其直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于此大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。 逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制。市电系统可视为容量无穷大的定值交流电压源，如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统，这种情况下要保证系统稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步，在稳定运行的基础上，可通过调整逆变器输出电压的大小及相位以控
13、制系统的有功输出与无功输出。但由于锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值不易精确控制、可能出现环流等问题，,8.3 光伏并网逆变器的控制策略,如果不采取特殊措施，一般来说同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性能。如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压，即可达到并联运行的目的。由于其控制方法相对简单，因此使用比较广泛。 综合以上所述原因，光伏并网逆变器一般都采用电压源输入、电流源输出的控制方式。其控制方式可分为以下几种类型。 （1）电流瞬时值比较方式 （2）跟踪实时电流的三角波比较方式 （3）无差拍控制,8.4 太阳能并网发电系统的孤岛效应,所谓孤岛效应，根
14、据美国Sandia国家实验室提供的报告指出当电力公司的供电，因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的太阳能并网发电系统未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网络，而形成由太阳能并网发电系统和周围的负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。 光伏并网发电系统通过并网逆变器直接把电能送入电网，故需要各种完善的保护措施，除了应具有基本的保护功能（如短路、过压、过流、欠频、过频、过热等）以外，还应具有预防孤岛效应的特殊功能。孤岛效应是并网发电系统特有的现象，具有相当大的危害性，不仅会危害到整个配电系统及用户端的设备，更严重的是会造成输电线路维修人员的生命安全。,8.4 太阳能并网发电系统的孤岛效
15、应,所谓孤岛效应，根据美国Sandia国家实验室提供的报告指出当电力公司的供电，因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的太阳能并网发电系统未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网络，而形成由太阳能并网发电系统和周围的负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。 光伏并网发电系统通过并网逆变器直接把电能送入电网，故需要各种完善的保护措施，除了应具有基本的保护功能（如短路、过压、过流、欠频、过频、过热等）以外，还应具有预防孤岛效应的特殊功能。孤岛效应是并网发电系统特有的现象，具有相当大的危害性，不仅会危害到整个配电系统及用户端的设备，更严重的是会造成输电线路维修人员的生命安全。,8.4 太阳能
16、并网发电系统的孤岛效应,8.4.1 孤岛效应及影响 先通过典型分布式发电系统的示意图（见图8-37）来说明可能发生的不同形式的孤岛系统。图8-37中分布式发电系统由变电站和分布式发电系统的馈电线组成，图中详细描绘出一条馈电线，该馈电线上有很多用户的连接点。大的分布式发电装置如DGl和DG2通常连接到主馈电线上，DGl和DG2主要是同步发电机和异步发电机；小的分布式发电装置如DG3（例如光伏并网逆变器）通常连接到低压备用馈电线上。,8.4 太阳能并网发电系统的孤岛效应,图8-37 典型分布式发电系统的示意图,8.4 太阳能并网发电系统的孤岛效应,8.4.2 孤岛效应检测标准 在通常情况下，一个装有过压、欠压、过频和欠频继电器的逆变器具有对孤岛的基本保护功能。电网一旦由于某种原因失电，逆变器输出功率与负载需求不匹配，负载两端电压和频率值就会逐渐超过继电器的额定值范围，此时继电器动作使逆变器与电网和负载脱离，同时逆变器停止工作。但是在源-负载功率平衡的情况下，电压和频率变化很小，这些继电器将失效，导致系统进入“孤
