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离网光伏发电系统对逆变器的要求及基本设计

日期:2019-06-12    来源:电气行家

国际太阳能光伏网

2019
06/12
11:07

关键词: 离网光伏发电系统 光伏逆变器 光伏组件

  1.离网光伏发电系统对逆变器的要求
 
  太阳能光伏发电是一种将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电技术,太阳光辐射能经过太阳能电池转换为电能,再经能量储存、控制与保护、能量变换等环节,使之可按人们的需要向负载提供直流电能或交流电能。太阳能电池阵列所发出的电能为直流电,但是大多数用电设备采用的是交流供电方式,所以系统中需要有逆变器将直流电变换为交流电以供负载使用。
 
  在离网光伏发电系统中,逆变器的效率将直接影响到整个系统的效率,因此,太阳能光伏发电系统逆变器的控制技术具有重要的研究意义。在逆变器的设计中,通常采用模拟控制方法,然而,模拟控制系统中存在很多缺陷,如元器件的老化及温漂效应,对电磁干扰较为敏感,使用的元器件数目较多等。典型的模拟PWM逆变器控制系统采用自然采样法将正弦调制波与三角载波比较,从而控制触发脉冲,但三角波发生电路在高频(20kHz)时容易被温度、器件特性等因素干扰,从而导致输出电压中出现直流偏移,谐波含量增加,死区时间变化等不利影响。高速数字信号处理器(DSP)的发展使太阳能光伏发电系统中逆变器的数字化控制成为可能。因其大部分指令可在一个指令周期内完成,因此可以实现较为复杂的先进的控制算法,进一步改善输出波形的动态性能、稳态性能,并且可以简化整个系统的设计,使系统具有良好的一致性。
 
  逆变器是一种功率电子电路,能把太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电为交流负载供电,是整个太阳能发电系统的关键组件。离网光伏逆变器有两个基本功能:一方面是为完成DC/AC转换为交流负载提供电能,另一方面是找出最佳的工作点以优化太阳能光伏系统的效率。对于特定的太阳光辐射、温度及太阳能电池类型,太阳能光伏系统都相应有唯一的最佳电压及电流,从而使光伏发电系统发出最大功率的电能。因此,在离网太阳能光伏发电系统中对逆变器提出以下基本要求:
 
  1)逆变器要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。
 
  2)具有较宽的直流输入电压适应范围,由于太阳能太阳能电池阵列的端电压随负载和日照强度而变化,蓄电池虽然对太阳能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10V~16V之间变化,这就要求逆变器必须在较宽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稳定在负载要求的电压范围内。
 
  3)逆变器尽量减少电能变换的中间环节,以节约成本、提高效率。
 
  4)逆变器应具有较高的效率,由于目前太阳能电池的价格偏高,为了最大限度地利用太阳能电池,提高系统效率,必须提高逆变器的效率。
 
  5)逆变器应具有较高的可靠性,目前离网太阳能光伏发电系统主要用于边远地区,许多离网太阳能光伏发电系统无人值守和维护。这就要求逆变器具有高的可靠性。
 
  6)逆变器的输出电压与国内市电电压同频、同幅值,以适用于通用电器负载。
 
  7)在中、大容量的离网太阳能光伏发电系统中,逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。因在中、大容量系统中,若采用方波供电,输出将含有较多的谐波分量,高次谐波将产生附加损耗,许多离网太阳能光伏发电系统的负载为通信或仪表设备,这些设备对电源品质有较高的要求。对于离网太阳能光伏发电系统的逆变器而言,高质量的输出波形有两方面的指标要求:一是稳态精度高,包括THD值小,基波分量相对参考波形在相位和幅度上无静差;二是动态性能好,即在外界扰动下调节快,输出波形变化小。
 
  8)逆变器要具有一定的过载能力,一般能过载125%~150%。当过载150%时,应能持续30s;当过载125%时,应能持续60s以上。逆变器应在任何负载条件(过载情况除外)和瞬态情况下,都应保证标准的额定正弦输出。
 
  目前,逆变器存在的问题主要是可靠性不高,影响逆变器可靠性的主要因素有电解电容器、光电耦合器及磁性材料。提高逆变器可靠性要从设计方面着手,如降低器件的结温,减少器件的电应力,降低运行电流及采用优质的磁性材料等措施可大大提高其可靠性。若设计中采用第一代磁性材料,如TDK的H35、FDK的H45等,由于这种磁性材料的饱和磁通密度及居里温度点较低,因而在功率较大长时间工作极易出故障。而采用第三代磁性材料,如TDK的H7C4、FDK的H63B和H45C、西门子的N47和N67,不但能有效地提高转换效率,而且大大提高了逆变器可靠性。
 
  要提高逆变器的效率,就必须减小其损耗。逆变器中的损耗通常可分为两类:导通损耗和开关损耗。导通损耗是由于器件具有一定的导通电阻Rds,因此当有电流流过时将会产生一定的功耗,导通损耗功率Pc由下式计算:
 
  Pc=I2×Rds
 
  在器件开通和关断过程中,器件不仅流过较大的电流,而且还承受较高的电压,因此器件也将产生较大的损耗,这种损耗称为开关损耗。开关损耗可分为开通损耗、关断损耗和电容放电损耗。
 
  开通损耗:
 
  Pon=(1/2)×Ip×Vp×ts×f
 
  关断损耗:
 
  Poff=(1/2)×Ip×Vp×ts×f
 
  电容放电损耗:
 
  Pcd=(1/2)×Cds×Vc2×f
 
  总的开关损耗
 
  Pcf=Ip×Up×ts×f+(1/2)×Cds×Vc2×f
 
  式中:Ip为器件开关过程中流过的电流最大值;Vp为器件开关过程中承受的电压最大值;ts为开通关断时间;f为工作频率;Cds为功率MOSFET的漏源寄生电容。
 
  要减小上述这些损耗,就必须对功率开关管实施零电压或零电流转换,即采用谐振型变换结构。
 
  2.光伏逆变器的基本设计
 
  光伏逆变器的基本设计标准包括额定电压、容量、效率、太阳能电池能效、输出AC电源质量、最大功率点跟踪(MPPT)效能、通信特性和安全性。
 
  1)额定电压。光伏逆变器的主要功能是把来自太阳能电池(有时是经过稳压的DC电压)的可变DC电压转换为AC电压以给交流负载供电。最常用的单相和三相AC电压分别为120V/220V以及208V/380V;而对工业应用来说,480V也很常见。对选定的逆变器拓扑来说,输出AC电压的范围将决定DC母线电压以及每个半导体开关的额定电压。
 
  2)容量。它是光伏逆变器额定功率的另一个说法,该数值在200W(太阳能电池组件集成模块)到数百千瓦之间。容量越大,逆变器的体积越大、价格越高。光伏逆变器的成本以美元/瓦来衡量。就一个恰到好处的设计而言,确定容量时,必须把浪涌、过载以及连续工作模式等情况考虑在内。
 
  3)效率。每个光伏逆变器都对效率(输出功率/输入功率)提出较高的要求,例如,一个数千瓦逆变器的典型效率要求达到95%以上。基于太阳能电池阵列的能量转换效率相对低(约在15%左右)的事实,所以,就以最小的太阳能电池容量获得最多的输出功率来说,高效逆变器具有非常重要的意义。
 
  4)蓄电池。在逆变器的DC侧加装蓄电池组起着能量缓存器的作用,它能平抑DC电压可能的波动并把负载还未使用的能量存储起来。
 
  5)输出电能质量。源于逆变器内在的开关模式特性,其AC输出波形并非理想的正弦波,且通常还包含由脉宽调制(PWM)引入的宽范围高频谐波。对许多电子负载来说,这些谐波有害无益。
 
  6)MPPT效能。太阳能电池的输出将遵循其电流-电压曲线中的不同光照条件下的一系列特性曲线,因此,为获得最大功率输出,需对电压进行动态调节。
 
  7)通信特性。对一个数千瓦的光伏逆变器来说,构建一个用于监控和数据存储的通信连接很有必要,作为一种通用控制器的微处理器(MCU)很适合该功能。
 
  8)安全性。有两个含义:一是要保证光伏发电系统的安全稳定运行,二是在操作、维护和维修时,确保工作人员应没安全风险。
 
  3.光伏逆变器设计的关键要素
 
  设计光伏逆变器时要考虑的两个关键要素是效率和谐波失真,效率可分成两个部分:太阳能电池的效率和逆变器的效率。逆变器的效率在很大程度上取决于设计使用的外部元件,而不是控制器;而太阳能电池的效率与控制器如何控制太阳能电池阵列有关。每个太阳能电池阵列的最大工作功率在很大程度上取决于太阳能电池阵列的温度和光照。MCU必须控制太阳能电池阵列的输出负载,以使太阳能电池阵列的工作功率最大。由于这不是一个数学密集型算法,因此可使用低成本MCU来完成任务。
 
  目前,大多数光伏逆变器只能从太阳能电池阵列的某个最佳位置对太阳能电池阵列的整体效率进行优化。这种优化方法严重制约了太阳能发电系统的效率。如果光伏系统在非最佳电压及电流水平下运行,系统的效率就非常低,白白浪费采集太阳能的良机。在光伏发电系统中,太阳能电池是由多个串联组在并联后形成的。就像节日灯饰一样,假如串联中的某个太阳能电池发生故障,就会导致整个太阳能电池组失效。此外,当有局部阴影等遮蔽太阳能电池时,这种情况也会发生。
 
  为了解决上述问题,目前太阳能电池都集成了旁路二极管,从而使电流可以绕过被遮蔽的失效太阳能电池部份。启动二极管后,它可将电流重新路由,即改道绕过失效的太阳能电池。这样一来,不仅浪费了受遮蔽太阳能电池的供电潜能,而且会降低整个太阳能电池组的总电压。基于选取太阳能电池最佳工作点的原则,逆变器必须决定是应该优化受影响太阳能电池串的电压,还是应该优化其他没受影响太阳能电池组所产生的能量。在大多数的情况下,逆变器都会选择优化没有影响的太阳能电池组,并相应地降低受影响太阳能电池组所产生的能量,甚至是完全关闭受影响的太阳能电池组。所导致的结果是,太阳能光伏发电系统只要出现10%的遮蔽,便会使太阳能光伏发电量下降一半。产生这一现象的原因主要是现行的太阳能光伏发电系统并不能与极度敏感的太阳能电池相匹配。因此,需要采用更高智能的技术和产品来开发太阳能。
 
  位于光伏逆变器前端的旁路二极管,严格来说虽然不属于逆变部分,但是作为太阳能发电设备的一部分,对于逆变器运行乃至整个系统的可靠性也至关重要。美高森美新针对此应用推出两款新产品:LX2400和SFDS1045。LX2400融入了最新的散热封装技术(Cool RUNTM工艺),无需散热器,通过10A电流时温升小于10℃。以30年稳定运行为目标的可靠性设计保证了100μA以下漏电流,20A的稳态电流能力和双向抗闪电功能。其最大特点是业界最低温升。SFDS1045是新一代肖特基二极管,也是迄今为止业界最薄的旁路二极管,只有0.74mm厚度并置于玻璃封装之下,特别适合直接应用于太阳能电池阵列。另外其独特的柔韧铜引脚具有卫星应用级别的可靠性。
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