2009年大型光伏电站中逆变器和控制设备的技术发展方向

赵 为 2009.10,大型光伏电站中逆变器和控制 设备的技术发展方向,1 大型光伏电站的系统构成 2 逆变器常见拓扑结构和发展方向 3 逆变器的转换效率 4 逆变器的保护功能 5 逆变器并网电流谐波 6 电磁兼容技术 7 最大功率点跟踪(MPPT) 8 电网锁相技术 9 孤岛效应检测技术 10 光伏电站的群控、监控及调度技术 11 大规模应用的技术发展方向,目 录,1 大型光伏电站的系统构成 2 逆变器常见拓扑结构和发展方向 3 逆变器的转换效率 4 逆变器的保护功能 5 逆变器并网电流谐波 6 电磁兼容技术 7 最大功率点跟踪(MPPT) 8 电网锁相技术 9 孤岛效应检测技术 10 光伏电站的群控、监控及调度技术 11 大规模应用的技术发展方向,目 录,太阳电池 交直流电缆 阵列汇流箱 太阳电池阵列支架（固定或自动跟踪） 交、直流配电系统 大型并网逆变器 电网接入系统（升压变压器、交流断路器、计量、无功补偿、继电保护等） 监测、计量、数采设备、防雷系统（气象监测、数据采集及传输等）,1 大型光伏电站组成,光伏电站的每一组成部分都需要精心设计； 系统性能优劣的关键指标是生命周期内总的发电量； 逆变器是其中进行能量转换的关键设备，其效率指标等电气性能参数，将直接影响到系统的发电量。,1 大型光伏电站组成,1 大型光伏电站的系统构成 2 逆变器常见拓扑结构和发展方向 3 逆变器的转换效率 4 逆变器的保护功能 5 逆变器并网电流谐波 6 电磁兼容技术 7 最大功率点跟踪(MPPT) 8 电网锁相技术 9 孤岛效应检测技术 10 光伏电站的群控、监控及调度技术 11 大规模应用的技术发展方向,目 录,采用工频变压器隔离的大功率三相并网逆变器,1 常见大功率并网逆变器的拓扑结构,无变压器隔离的大功率三相并网逆变器 （输出电压可以从270V400V）,1 常见大功率并网逆变器的拓扑结构,两台低压输出逆变器接中压变压器整体解决方案,1 常见大功率并网逆变器的拓扑结构,多个功率模块并联,1 常见大功率并网逆变器的拓扑结构,三电平及多电平方案,2 逆变器拓扑发展方向,多重叠加技术 10MW 系统,2 逆变器拓扑发展方向,共用变压器解决方案,优化直流母线电压、升压变压器配置和变比，避免重复升压，提高系统效率 优先考虑当地用电负荷，避免过多电能的远距离传送 难点是光伏系统的发电量计量必须在低压侧。,2 逆变器拓扑发展方向,轻型直流输电,2 逆变器拓扑发展方向,1 大型光伏电站的系统构成 2 逆变器常见拓扑结构和发展方向 3 逆变器的转换效率 4 逆变器的保护功能 5 逆变器并网电流谐波 6 电磁兼容技术 7 最大功率点跟踪(MPPT) 8 电网锁相技术 9 孤岛效应检测技术 10 光伏电站的群控、监控及调度技术 11 大规模应用的技术发展方向,目 录,转换效率是光伏并网逆变器中最重要的技术指标之一： 光伏并网逆变器中常用的效率概念： 最大效率 max ： 逆变器所能达到的最大效率 欧洲效率 euro ： 按照在不同功率点的效率根据加权公式计算 加州效率cec ： 考虑直流电压对效率的影响，再次平均 MPPT效率mppt：反应逆变器最大功率点跟踪的精度 目前，先进水平： max 98% euro97.5% (不含变压器) max 96.5% euro96% (含变压器),1 转换效率的概念,如何提高效率： 拓扑结构 （boost ，单级， 三电平） 器件： 功率器件，变压器，电抗 主功率器件开关频率 控制算法，调制方式，死区 其他细节： 辅助开关电源，风扇，散热器等,2 提高效率的方法,SG100K3的效率：,最大效率 max ： 97.0% 欧洲效率 euro ： 96.4%,SG500KTL的效率：,最大效率 max ： 98.7% 欧洲效率 euro ： 98.5%,最大效率 max ： 97.1% 欧洲效率 euro ： 96.5%,SG250K3的效率：,3 Sungrow产品效率,1 大型光伏电站的系统构成 2 逆变器常见拓扑结构和发展方向 3 逆变器的转换效率 4 逆变器的保护功能 5 逆变器并网电流谐波 6 电磁兼容技术 7 最大功率点跟踪(MPPT) 8 电网锁相技术 9 孤岛效应检测技术 10 光伏电站的群控、监控及调度技术 11 大规模应用的技术发展方向,目 录,保护类型： 电网电压过欠压 电网电压过欠频 交流输出短路保护 孤岛效应保护 逆变器过热保护 直流极性反接保护 直流过压保护 逆变器过载保护 逆变器对地漏电保护 逆变器内部自检保护（防雷器损坏，接触器故障，变压器过 热，A/D通道损坏，IGBT损坏等等）,1. 逆变器基本保护功能,保护类型： 低电压穿越 （LVRT） 输出直流分量超标保护 输出电流谐波超标保护 三相电网不平衡保护,2. 逆变器增强的保护功能,在电网电压出现异常跌落时，常常需要并网逆变器此时不能立即脱网，而是需要继续工作，起到支撑电网的作用。当并网点电压在图中电压轮廓线及以上区域内时，逆变器需要保持并网运行。轮廓线以下，逆变器停止向电网送电。,LVRT需要考虑： LVRT与反孤岛效应保护的矛盾，如何协调；,3. 低电压穿越 （LVRT）,参考试验波形,3. 低电压穿越 （LVRT）,防逆流保护主要应用于低压侧并网发电系统。如果要求不能向中压电网反向送电，则需要智能的防逆流保护系统,4.特殊保护功能：防逆流保护,1 大型光伏电站的系统构成 2 逆变器常见拓扑结构和发展方向 3 逆变器的转换效率 4 逆变器的保护功能 5 逆变器并网电流谐波 6 电磁兼容技术 7 最大功率点跟踪（MPPT） 8 电网锁相技术 9 孤岛效应检测技术 10 光伏电站的群控、监控及调度技术 11 大规模应用的技术发展方向,目 录,1 并网电流谐波要求,国网公司对于光伏电站并网电流的谐波要求,1 并网电流谐波要求,鉴衡认证对于光伏并网逆变器并网电流的谐波要求,总谐波5%,SG100K3: 3% 在额定负载时 SG250K3: 3% 在额定负载时 SG500KTL: 3% 在额定负载时,2 并网电流谐波的抑制,并网电流谐波抑制方法： 拓扑结构选择： L-C ，L-C-L 电感和电容参数的设计 控制算法，PWM驱动方式 采样精度 运算精度 目前国际标准要求5%，但许多用户要求3%,3 新的研究方向,如何更好抑制低功率时的电流谐波？ 如何抑制多台逆变器同时并网时电流谐波的叠加问题？ 如何在电网电压谐波大时，仍旧保证低电流谐波？ 在弱网环境下，如何保证电流谐波？,1 大型光伏电站的系统构成 2 逆变器常见拓扑结构和发展方向 3 逆变器的转换效率 4 逆变器的保护功能 5 逆变器并网电流谐波 6 电磁兼容技术 7 最大功率点跟踪(MPPT) 8 电网锁相技术 9 孤岛效应检测技术 10 光伏电站的群控、监控及调度技术 11 大规模应用的技术发展方向,目 录,1. 电磁干扰的要求,电网对逆变器产生的干扰：电压涨跌，频率漂移，不平衡，电气噪声，浪涌等。要求逆变器不能损坏。 逆变器对于电网产生的干扰： 电流谐波，电压波动、电压闪变、无功功率、电网阻抗、干扰叠加等。必须符合相关标准。 逆变器对于其他电器的干扰： 传导干扰，空间辐射干扰等。必须符合相关标准。,电磁干扰对策： 隔离变压器 EMI滤波器 控制算法 拓扑结构,2. 电磁干扰的对策,目前没有颁布明确的光伏电站防雷设计标准 可以参考的标准： 建筑物防雷设计规范GB50057-1994(2000) IEC 60364-7-712-2002 IEC 62305 1-5 IEC 61557-4-2007 GB/T 21431-2008 建筑物防雷装置检测技术规范 SJ/T 11127-1997 光伏（PV）发电系统过电压保护导则,2. 系统的防雷和接地,交流侧的防雷和普通交流配电防雷要求等同,2. 系统的防雷和接地,大型开阔地区光伏电站避雷器安装布置图示例,注： 来源于德国DEHN公司网站资料,2. 系统的防雷和接地,建筑屋顶光伏阵列避雷器安装布置图示例,注： 来源于德国DEHN公司网站资料,可参考原则： 支架等电位连接 太阳电池边框接地 接地电阻的设计 （直流和交流）4欧姆 接闪器的设计和布置（滚球法等） 低压电网和高压电网防雷和接地参考成熟设计,2. 系统的防雷和接地,注：该资料来源于phoenix公司网站,小功率系统直流和交流防雷，采用凯文接线,3. 感应雷的防止,大型光伏阵列的防雷,3. 感应雷的防止,注：该资料来源于phoenix公司网站,1 大型光伏电站的系统构成 2 逆变器常见拓扑结构和发展方向 3 逆变器的转换效率 4 逆变器的保护功能 5 逆变器并网电流谐波 6 电磁兼容技术 7 最大功率点跟踪（MPPT） 8 电网锁相技术 9 孤岛效应检测技术 10 光伏电站的群控、监控及调度技术 11 大规模应用的技术发展方向,目 录,光伏电池在不同的日照和温度条件下，具有不同的MPP,太阳电池阵列的P-V特性,不同温度下的P-V特性曲线,不同日照量下的I-V和P-V特性曲线,1. 光伏电池特性介绍,光伏系统中MPPT跟踪算法要求：,快速性 准确性 稳定性 特别是在弱光和多云的天气下，MPPT算法的优劣十分重要,2 MPPT技术要求,常用MPPT算法:,干扰观测法 （爬山法） P&O 增量电导法 （di/dVI/V） 其他一些方法： 模糊控制，神经网络，自适应算法等,MPPT核心控制思想是通过直流电压的扰动，判断直流功率的变化，从而搜索到最大功率点。,3 MPPT技术实现,试验和测试手段： 在正常工作条件下测试MPPT算法将十分耗时，同时很难比对。 最佳的方法是使用光伏阵列模拟器 对于太阳能阵列模拟器要求： 能够方便设定光伏阵列的串并联数 可真实模拟单晶硅，多晶硅和非晶硅的U-I曲线 最好具有短路特性。即真正为电流源特性 功率容量需要达到100KW左右。,4 MPPT试验和测试手段技术要求,MPPT优劣的测试标准：EN50530-2008 Overall efficiency of photovoltaic inverters,1 大型光伏电站的系统构成 2 逆变器常见拓扑结构和发展方向 3 逆变器的转换效率 4 逆变器的保护功能 5 逆变器并网电流谐波 6 电磁兼容技术 7 最大功率点跟踪方式 8 电网锁相技术 9 孤岛效应检测技术 10 光伏电站的群控、监控及调度技术 11 大规模应用的技术发展方向,目 录,1 大型光伏电站的系统构成 2 逆变器常见拓扑结构 3 逆变器的转换效率 4 逆变器可靠性（保护配置方式和种类） 5 逆变器输出电流谐波 6 逆变器新的技术要求及实现 7 电磁兼容技术（电磁干扰，防雷，接地，浪涌,漏电等） 8 最大功率点跟踪方式 9 电网锁相技术 10 孤岛效应检测技术 11 光伏电站的配电、群控、监控及调度技术 12 大规模应用的技术发展方向,内 容,常用方法：,使用DSP芯片的CAPTURE口进行捕获。 软件中侦测到电网频率和相位。调整并网电流的频率和相位，从而使得并网电流和电网电压同频，相位差180°。 锁相时间很短，可以在20ms内完成,使用电压比较器和施密特触发器进行整形，得到和电网电压完全同频同相的方波。,电网锁相技术,发展方向： 使用更精确、更快速的数字锁相电路 如何克服在大功率并网时，电网电压采样电路的波动影响,电网锁相技术,1 大型光伏电站的系统构成 2 逆变器常见拓扑结构和发展方向 3 逆变器的转换效率 4 逆变器的保护功能 5 逆变器并网电流谐波 6 电磁兼容技术 7