合肥工业大学张兴高等电力电子技术光伏2ppt课件.ppt
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电气与自动化工程学院张张 兴兴光伏并网逆变器及其关键技术研究光伏并网逆变器及其关键技术研究高等电力电子技术——光伏发电及其电力电子技术2. 电气与自动化工程学院汇报提纲光伏并网逆变器光伏并网逆变器1并网规范并网规范2局部最大功率点问题局部最大功率点问题3瞻望瞻望40. 电气与自动化工程学院集中型光伏并网逆变器产品现状微型逆变器光伏并网逆变器2非隔离型光伏并网逆变器3大功率光伏并网逆变器114. 电气与自动化工程学院微型逆变器 微型逆变器的发展11.1. 电气与自动化工程学院微型逆变器 20世纪90年代初，美国和欧洲就有几家公司开始研究此装置第一台Micro-Inverter是由德国的ZSW公司于1992年研制的，其功率只有50W，采用的是高频开关频率〔500kHz〕和隔离变压器1994年，ZSW公司用同样的技术研制出100W的Micro-Inverter然而，由于这种小功率并网逆变器由于成本过高以及电磁干扰等一系列问题，导致产品无法进入市场在1994—2019年期间，欧洲的另外3个公司也开始研制AC module并网逆变器，它们分别是：Mastervolt(荷兰),Alpha Real〔瑞士）,OKE-Servics〔荷兰）。
在2019年，美国的AES公司研制出第一台投放市场的MI产品如今这些公司研制的MI产品在市场上占了很大份额，产品也较成熟国内山忆新能源生产的国内山忆新能源生产的SolarPond 240HFSolarPond 240HF功率为功率为250W250W，最大效率可以达到，最大效率可以达到96% 96% 国外的国外的EnphaseEnphase公司生产的公司生产的S280S280功率等级为功率等级为235W-365W235W-365W，最高效率可以达到，最高效率可以达到96.8%96.8% 微型逆变器的发展11.1. 电气与自动化工程学院微型逆变器 微型逆变器的发展11.1. 电气与自动化工程学院 Enphase Energy公司一直是这个行业的领先者Enphase Microinverters系统是第一个商业运行的MI系统,代表了目前最先进的MI系统技术微型逆变器 微型逆变器的发展11.1. 电气与自动化工程学院Enlighten网站EMU通信网关Micro-inverter目前Enphase已经宣称达到96.8%的效率，这样的效率已经基本可以和普通的逆变器相媲美!微型逆变器 微型逆变器的发展11.1. 电气与自动化工程学院 据可查阅的文献，目前微型逆变器的拓扑已达50多种 微型逆变器的分类2微型逆变器1.1. 电气与自动化工程学院澳大利亚学者Peter Wolf把微型逆变器的拓扑按照直流母线的类别分为三类：微型逆变器 微型逆变器的分类2直流母线结构2伪直流母线结构3无直流母线结构11.1. 电气与自动化工程学院微型逆变器 微型逆变器的分类21.1直流母线结构. 电气与自动化工程学院微型逆变器 微型逆变器的分类21.1伪直流母线结构. 电气与自动化工程学院微型逆变器 微型逆变器的分类21.1无直流母线结构. 电气与自动化工程学院直流母线直流母线伪直流母线伪直流母线无直流母线无直流母线功率解耦电容功率解耦电容位置及大小位置及大小位于直流母线，电容容量中等位于太阳能电池端，电容容量大方案1：位于太阳能电池端，电容容量大方案2：位于交流侧，电容容量小无功补偿能力无功补偿能力有需要有双向能量流动需要双向功率开关器件控制复杂度控制复杂度简单（前后端控制独立）中等（MPPT，电流波形控制在单极完成）中等（MPPT，电流波形控制在单极完成）复杂（需要功率解耦控制）成本成本中低高（需要双向开关器件及驱动）高（需要额外一组双向开关实现功率解耦）效率效率中高低低微型逆变器 微型逆变器的分类21.1三类结构基本特点. 电气与自动化工程学院 单级式微型逆变器3以Enphase以及英伟力公司产品为代表的单级式微逆结构如图1所示，系采用反激变换器输出两倍输出电压频率脉动直流电再经晶闸管工频反转桥换向并网。
为实现功率解耦，其在输入端采用多颗电解电容并联，存在失效隐患单级式准谐振反激变换器微型逆变器1.1. 电气与自动化工程学院 单级式微型逆变器3Enphase产品电路结构 Enphase公司宣称，其微逆S280转换效率高达96.7%微型逆变器1.1. 电气与自动化工程学院 单级式微型逆变器3 为了消除电解电容，有学者提出在逆变器输入端增加一个功率解耦电路，将功率脉动转移到解耦电路，但效率非常低，只有70% 美国SolarBridge公司应用Illinois大学香槟分校Krein教授提出的三端口逆变器方案，将脉动功率转移至变压器附加的第三方纹波绕组，100W样机仅需不到10μF薄膜电容，但大量开关尤其是双向开关引入，使得电路及其控制过于复杂微型逆变器1.1. 电气与自动化工程学院 两级式微型逆变器4推挽式电压型高频链微型逆变器 两级式单相逆变器应对功率平衡问题具有先天优势，其可以实现输入功率与输出功率解耦图中所示为典型的两级式微型逆变器：推挽式电压型高频链微型逆变器微型逆变器1.1. 电气与自动化工程学院 两级式微型逆变器4 前级采用推挽升压电路，适用于低压大电流的场合，正好满足微型光伏发电系统的要求； 后级采用单相全桥逆变电路，采用SPWM控制，再通过滤波电感得到220V、50Hz交流输出接电网； 推挽结构比较适合独立光伏组件并网的要求，就目前为止是比较常用也是比较有效的拓扑。
此电路的最大缺点是变压器绕组利用率低，工频桥臂要增加阻断二极管〔阻断与直流侧交换无功），另外，功率开关管耐压应力为输入电压的两倍，会出现偏磁现象，且推挽变换器的效率不太高微型逆变器1.1１２３４. 电气与自动化工程学院 H5 H5拓扑拓扑1 H5拓扑是由德国SMA有限公司提出且已在中国申请了技术专利 德国SMA公司专利H5拓扑SMA公司的 Sunny Mini Central系列并网逆变器采用H5拓扑结构，其最高效率达到98.1%，欧洲效率达到97.7% 非隔离型光伏并网逆变器1.2原理：该拓扑中，S1、S3在电网电流的正负半周各自导通，S4、S5在电网正半周期以开关频率调制，而S2、S5在电网负半周期以开关频率调制 电气与自动化工程学院 H6 H6拓扑拓扑2 H6拓扑是由美国弗吉尼亚理工大拓扑是由美国弗吉尼亚理工大学〔学〔Virginia Tech〕未来能源电子中心〕未来能源电子中心〔〔the Future Energy Electronics Center –FEEC〕提出的〕提出的VT FEEC H6拓扑原理：正半周期，S6一直导通，S1、S4和续流二极管D1交替工作；负半周期，S5一直导通，S2、S3和续流二极管D2交替工作。
H6拓扑上下四个管子S1~S4工作在高频，中间两个管子S5、S6工作在工频，续流回路简单，共模电流小，效率较高最高效率达到最高效率达到98.3%欧洲效率达到欧洲效率达到98.1% 非隔离型光伏并网逆变器1.2. 电气与自动化工程学院 HERIC HERIC拓扑拓扑3 HERIC拓扑是由德国研究机构拓扑是由德国研究机构Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems〔〔Fraunhofer ISE〕所开发，并已经由德国〕所开发，并已经由德国Sunways公司申请专利公司申请专利Sunways专利HERIC拓扑原理：正半周期，S5始终关断而S6始终导通，S1和S4以开关频率调制S1和S4关断时，电流经S6和续流二极管D2续流负半周期，S6始终关断而S5始终导通，S2和S3以开关频率调制S2和S3关断时，电流经S5和续流二极管D1续流这种拓扑利用独有的续流路径来减小开关和导通损耗，能够更加有效地处理无功功率，使效率提升到98%以上非隔离型光伏并网逆变器1.2. 电气与自动化工程学院 HB-ZVR拓扑4 HB-ZVR 拓扑是丹麦奥尔堡大学能源技术研究所T. Kerekes 和 R. Teodorescu提出的。
丹麦奥尔堡大学HB-ZVR拓扑原理：正半周期，S1、S4和S5交替导通S1、S4导通时，S5关断；S5导通时，电流经S5和整流桥续流同样原理，负半周期，S2、S3和S5交替导通该拓扑在整个工频周期内共模电压保持恒定，因此共模电流可以得到有效抑制非隔离型光伏并网逆变器1.2. 电气与自动化工程学院 改进的H5拓扑5 南京航空航天大学提出了一种新的H5拓扑该拓扑在全桥电路的基础上加入两支可控开关管和分压电容构成双向箝位支路，并配合开关时序可以实现续流阶段时续流回路电位处于二分之一的电池电压，从而消除非隔离并网逆变器的漏电流；并保证了功率传输阶段输出电流仅流经3支开关管，有效降低了导通损耗南京航天航空大学改进H5拓扑非隔离型光伏并网逆变器1.2. 电气与自动化工程学院 混合桥臂拓扑6混合桥臂拓扑S5始终导通，当正弦调制波大于三角载波时，S1、S4导通，此时共模电压为0.5VPV当正弦调制波小于三角载波时，S1、S4关断，电流经D1和S5续流，同理由于开关器件关断阻抗很高,阻断了寄生电容的放电，所以共模电压仍为0.5VPV 在正半周期，若稳态时VPV不变，则共模电压恒定S6始终导通，S2、S3由正弦调制波和三角载波的比较来控制其导通和关断，共模电压分析与正半周期类似。
非隔离型光伏并网逆变器1.2在电网电流正半周期在电网电流负半周期合肥工业大学提出了一种混合合肥工业大学提出了一种混合桥臂拓扑桥臂拓扑. 电气与自动化工程学院 7非隔离型光伏并网逆变器1.2NPC1-I 型三电平中功率并网逆变器. 电气与自动化工程学院 8非隔离型光伏并网逆变器1.2NPC2-T 型三电平中功率并网逆变器. 电气与自动化工程学院 9非隔离型光伏并网逆变器1.2两种三电平拓扑的比较. 电气与自动化工程学院 9非隔离型光伏并网逆变器1.2 NPC-I型逆变器由于单个器件无法承受母线电压，因此如果在开启或关断时管子动作时间控制不精细，可能会造出器件过压损毁的情形；因此在控制策略上存在难度 NPC-T型结构由于采用上下单管的结构，因此在控制复杂度上小于NPC-I型，也导致同样器件条件下功率等级缩小一倍的情况 一般来说，小于16kHz的频率时，NPC-I型的效率要小于NPC-T型两种三电平拓扑的比较１２３总 结. 电气与自动化工程学院大功率光伏并网逆变器1基于开关管直接并联的大功率逆变器拓扑开关管的开关特性差异带来开关管的均流问题！1.3. 电气与自动化工程学院2基于均流电抗器开关管并联的大功率逆变器拓扑均流电抗器带来体积增大和损耗问题！大功率光伏并网逆变器1.3. 电气与自动化工程学院3基于逆变桥并联的大功率逆变器拓扑利用滤波电感均流，结构紧凑！大功率光伏并网逆变器1.3. 电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑大功率光伏并网逆变器1.3. 电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑———直流母线的切换控制大功率光伏并网逆变器1.3. 电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑——集中式并联控制大功率光伏并网逆变器1.3. 电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑——分布式并联控制大功率光伏并网逆变器1.3. 电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑——低功率时的优化运行大功率光伏并网逆变器1.3. 电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑——并联运行的零序环流大功率光伏并网逆变器1.3. 电气与自动化工程学院4基于逆变器模组并联的大功率逆变器拓扑——零序环流的控制大功率光伏并网逆变器1.3. • 2019 2019年大功率逆变器出货量将达到23.7GW 23.7GW （全球总计约58GW58GW）• 大部分市场500kW500kW逆变器仍然为主流产品；• 在大型地面电站中，大于1MW1MW的系统会预计以27%27%的速度快速增长。
数据来源：IHS2013年7月集中式大功率光伏逆变器的市场前景集中式大功率光伏逆变器的市场前景1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状 电气与自动化工程学院采用大功率逆变器极端化组串式集中式微逆—组件级产品集散式〔优化器）—组件级产品集散式〔DMPP）—类集中式DMPPTDMPPT1.41.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院集中式逆变器产品现状集中式逆变器产品现状u产品形式上有：单机型、模组并联单MPPT型、模组并联多MPPT型、集散式光伏发电系统u主电路拓扑结构上有：两电平型、T型三电平型、I型三电平型等；u直流开路电压等级上有：1000V型和1500V型；u功率越来越大，最大已达4.5MW；u冷却方式：风冷、液冷、热管等；u效率上最大已经达到99.1%（最大效率）1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院1、单机型—两电平拓扑u可靠性高；u开关管用量少优点缺点u滤波器相对较大；u损耗较大单台机器仅有一个功率单元，主电路拓扑为两电平逆变桥1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院1、单机型—两电平拓扑代表厂商及产品：阳光电源：SG500MX/SG1000MX；SMA：SC500CP XT/SC630CP XT系列；ABB：PVS800系列；KACO：Powador系列；这类产品单机功率最大已超过1MW，在效率方面可以达到98.7%、98.8%（最大效率〕左右。
阳光电源：SG1000MX1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院1、单机型—三电平拓扑u滤波器相对较小；u损耗相对较小；优点缺点u可靠性较两电平低；u开关管用量多；u控制上较两电平复杂单台机器仅有一个功率单元，主电路拓扑为三电平逆变桥1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院1、单机型—三电平拓扑代表厂商及产品：阳光电源：SG500MX/SG630MX-睿版〔T型三电平，最大效率可达99% ）TMEIC：SOLAR WARE系列阳光电源：SG500MX-睿版1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院2、模组化并联单MPPT型u根据输入动态投切功率单元，轻载效率高；u冗余性好优点缺点uMPPT路数少；u需处理环流问题；u多台子单元使得整机成本高单台机器由多个子单元并联组成，交、直流侧均直接并联在一起1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院2、模组化并联单MPPT型代表厂商及产品：Ingeteam：SUN PowerMax X 系列， 功率等级：300~1164kVA， 产品最大效率可达99.1%；Ingeteam： PowerMax X Series 805TL U X420 Outdoor1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状正泰：CPS SC500KTL/-H。
电气与自动化工程学院u多路MPPT可选，提高发电量；u冗余性好；u使用两电平拓扑可靠性高；优点缺点u电池板分布电容存在造成的环流问题；u直流电压偏差导致动态环流；u子单元多，成本高单台机器由多个子单元并联组成，直流侧独立，交流侧并联，主电路拓扑为两电平1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状3、模块化并联多MPPT型—两电平. 电气与自动化工程学院Power Electronics：Freesun HEC FRAME 4 – FS2200H最大支持10单元并联，10路MPPT3、模块化并联多MPPT型—两电平代表厂商及产品：中国南车：GTI500-HP；东方日立：DHSP3GC-500KTL-B；Gamesa：Gamesa E-500kW；西班牙Power Electronics：HEC plus系列；万银科技：ZENIT3.2M系列〔液冷设计，最大机型功率达4MW）；阳光电源：SG2500；1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院4、模块化并联多MPPT型—三电平u多路MPPT可选，提高发电量；u具有三电平拓扑相关优点。
优点缺点u为抑制动态环流可能需要使用分立电抗器，成本高；u子单元多，成本高单台机器由多个子单元并联组成，直流侧独立，交流侧并联，主电路拓扑为三电平1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院4、模块化并联多MPPT型—三电平代表厂商及产品：阳光电源：SG500MX-M〔T型三电平）；华为：SUN8000-500KTL；特变电工：TC1000KH-M、TC500KM〔T型三电平，TC500KH-M最大效率达99%）；特变电工：TC1000KH-M1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状科士达：GSM0500-MX；. 电气与自动化工程学院u交直流电压不断提高，直流电压1500VDC，交流电压400V-690V，可以减少电缆投资30%以上u逆变器、变压器的功率密度提升，体积减小，利于运输、维护等工作；u直流侧电压高，可串联更多组件，减少直流线缆用量和汇流箱用量；u安装施工成本也会降低；正面负面u对系统各部件、器件、设备等的电气性能要求更高〔绝缘、电气间隙、耐压等）；u组件匹配要求更高、PID风险更大；u高压直流的安全性问题更突出。
5、直流1500V集中式光伏逆变器1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院541500V系统投资更低Ø相比传统1000V系统,除组件外节省0.2元/W投资，100MW电站可节约投资2000万1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院直流1500V三电平逆变器阳光电源：SG1000HV〔两电平）1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状5、直流1500V集中式光伏逆变器——两电平拓扑2019年7月13日，国家能源太阳能发电研发(实验)中心顺利完成我国首台1500V电压等级直流输入的并网光伏逆变器〔阳光电源〕全性能测试，测试依据国家标准GB/T20194-2019<光伏发电站接入电力系统技术规定》，测试项目包括零电压穿越、有功无功控制、电压适应性、频率适应性和电能质量 电气与自动化工程学院直流1500V三电平逆变器追日电气：SPG-1000K3TL-T〔I型三电平）1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状5、直流1500V集中式光伏逆变器——三电平拓扑. 电气与自动化工程学院Power Electronics：HEC 1500V〔两电平模组）1.41.4集中式光伏逆变器产品现状集中式光伏逆变器产品现状5、直流1500V集中式光伏逆变器——两电平〔模组）. 电气与自动化工程学院5、直流1500V集中式光伏逆变器代表厂商及产品：阳光电源：SG1000HV〔两电平）；特变电工：TC800KHP；追日电气：SPG-1000K3TL-T(NPC三电平)；TMEIC：SOLAR WARE 2500；SMA：SUNNY CENTRAL 2500；ABB：PVS980；GE：ProSolar PSC-1000MV-L-QC〔NPC三电平）；Power Electronics：HEC 1500V〔两电平）；1.41.4集中式〔集中式〔DMPPT)DMPPT)光伏逆变器产品现状光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院u传统光伏汇流箱基础上，增加DC/DC升压变换硬件单元和MPPT控制软件单元；u改进的光伏汇流箱输出电压升高到一定值后，送至集中式逆变器实现逆变并网；u融合了组串式光伏逆变器与集中式光伏逆变器各自优点。
1.41.4集中式〔集中式〔DMPPTDMPPT〕光伏逆变器产品现状〕光伏逆变器产品现状集散式〔DMPPT)光伏发电系统结构这个方案最早是Satcon提出来并开始实现的，2019年应用于波多黎各63MW太阳能电站，在前期取得了巨大的成功，总发电量比用集中式逆变器要高5-12%，得到了业主的推崇，受此影响，Satcon公司对Solstice系列的逆变器建了大量库存但到了2019年，经过近一年的运行，这个系列产品出现了故障，不得不全部更换，主要问题是MPPT升压汇流箱由于防水和散热问题，大面积损坏系统直流母线也出现了问题，逆变器经常停机这些库存机器占用了公司的资金，再加上2019年光伏逆变器价格大幅下降，造成Satcon公司最终破产清算6、集散式〔DMPPT〕系统. 电气与自动化工程学院u解决了逆变器单机大功率化与光伏组件并联MPPT失配损失之间的矛盾；u解决了组串式系统投资成本高、轻载下电能质量差、后期运维复杂成本高等问题；u交直流侧电压的抬升，减小了交直流线缆传输损耗和逆变器发热损耗，提高了效率优点缺点u对汇流箱的设计要求更高〔参考Satcon破产原因）；u较多的Boost升压电路可能会影响系统可靠性；u汇流箱至逆变器线缆较长，线路杂散电感与逆变器直流电容以及电池板分布电容等组成的谐振回路，可能会影响设备的运行。
6、集散式方案优缺点1.41.4集中式〔集中式〔DMPPTDMPPT〕光伏逆变器产品现状〕光伏逆变器产品现状. 电气与自动化工程学院6、集散式光伏发电解决方案相关产品代表厂商及产品：禾望电气集散式逆变器1MW系统：u前级：光伏控制器HPPCU160-16直流输出电压820V，光伏控制器最大效率99.7%；u后级：逆变器HPSP1000-N/HPSP1000-P交流输出电压520V，逆变器最大效率99%；u1MW的光伏方阵单元则具有64~128路MPPT1.41.4集中式〔集中式〔DMPPTDMPPT〕光伏逆变器产品现状〕光伏逆变器产品现状上能电气集散式逆变器1MW系统：u前级：智能MPPT控制器EJB-16-M4直流输出电压750V，控制器最大效率99.3%；u后级：逆变器CP-1000交流输出电压500V，逆变器最大效率99%；u1MW的光伏方阵单元则具有48路MPPT 从Intersolar2019展会看集中式光伏逆变器发展趋势——容量越来越大1.41.4集中式〔集中式〔DMPPTDMPPT〕光伏逆变器产品现状〕光伏逆变器产品现状 从Intersolar2019展会看集中式光伏逆变器发展趋势——液冷设计提高功率密度1.41.4集中式〔集中式〔DMPPTDMPPT〕光伏逆变器产品现状〕光伏逆变器产品现状 从Intersolar2019展会看集中式光伏逆变器发展趋势——大尺寸集装箱一体化设计1.41.4集中式〔集中式〔DMPPTDMPPT〕光伏逆变器产品现状〕光伏逆变器产品现状 从Intersolar2019展会看集中式光伏逆变器发展趋势——1500V产品蔚然成风TMEIC2.5MW-1500V光伏逆变器u最大效率99%；u新型三电平技术；u热管散热技术，50%负载下自然冷却，不需要启动风扇；1.41.4集中式〔集中式〔DMPPTDMPPT〕光伏逆变器产品现状〕光伏逆变器产品现状 从Intersolar2019展会看集中式光伏逆变器发展趋势——1500V产品蔚然成风1.41.4集中式〔集中式〔DMPPTDMPPT〕光伏逆变器产品现状〕光伏逆变器产品现状 从Intersolar2019展会看集中式光伏逆变器发展趋势——1500V产品蔚然成风1.41.4集中式〔集中式〔DMPPTDMPPT〕光伏逆变器产品现状〕光伏逆变器产品现状 3集中式逆变器应用特点和发展防护性能不断提高优化的底部进风方案，增强防尘Helios专为沙漠地区设计的2MW集装箱产品1.41.4集中式〔集中式〔DMPPTDMPPT〕光伏逆变器产品现状〕光伏逆变器产品现状 电气与自动化工程学院1并网规范LVRT问题2 在电压跌落到0时，至少要坚持150ms不脱网。
在红实线以下的区域，可以脱网运行，当然能并网运行也是可以的１２. 电气与自动化工程学院 由于各国电网架构的差异，导致过压可能有不同的峰值和持续时间特征，因此国际上关注HVRT电网要求各地不同在澳大利亚，电网导则规定风机忍受过压30%持续60ms1HVRT问题2并网规范. 电气与自动化工程学院2动态无功补偿并网规范2. 电气与自动化工程学院3有功限制2并网规范. 电气与自动化工程学院4 当分布式电源接入电网时，它造成的在公共耦合点〔PCC〕的电压波动不超过电网电压值的正负5%，并且不要给电网的其他用户端造成有害的闪烁 当有必要断开电网和分布式电源的连接时，此时要有一个可控制的、可靠性好的、肉眼明显可见的断路器来执行断开操作，防止孤岛效应 当某一个光伏电站随着日照强度的变化而使并网的功率大幅变化，导致电网的电压和频率的波动超过一定程度时，断开连接，保证电网的稳定IEEE1547的要求2１２２3并网规范. 电气与自动化工程学院4 当电网频率的变化处于表格的范围时，分布式电源必须在故障反应时间内切断与电网的联系 电网发生干扰导致分布式电源切除之后，只有当电网频率恢复到59.3Hz到60.5Hz之间，才可以将分布式电源重新并入电网。
分布式分布式电源容电源容量量频率（频率（Hz））故障反应时间故障反应时间（（s））≦≦30kW>60.50.16<59.30.16>30kW>60.50.16<(59.8-57.0)可调的 0.16到300<57.00.16IEEE1547的要求2并网规范. 电气与自动化工程学院5德国的低压并网技术规范：德国的低压并网技术规范：VDE - N-AR 41502VDE-N-AR4150VDE-N-AR4150于于20192019年年6 6月强制执行，逐步取代原来的月强制执行，逐步取代原来的VDE 0126-1-1VDE 0126-1-1并网规范. 电气与自动化工程学院52德国的低压并网技术规范：德国的低压并网技术规范：VDE - N-AR 4150并网规范. 电气与自动化工程学院52德国的低压并网技术规范：德国的低压并网技术规范：VDE - N-AR 4150并网规范. 电气与自动化工程学院52德国的低压并网技术规范：德国的低压并网技术规范：VDE - N-AR 4150并网规范. 电气与自动化工程学院52德国的低压并网技术规范：德国的低压并网技术规范：VDE - N-AR 4150并网规范. 电气与自动化工程学院52德国的低压并网技术规范：德国的低压并网技术规范：VDE - N-AR 4150并网规范. 电气与自动化工程学院6德国的德国的“BDEW发电设备接入中压电网〞技术规范发电设备接入中压电网〞技术规范2 2019年秋天，德国多个能源相关组织组成了德国联邦和水资源协会〔BDEW）。
在德国，从2009年开始，针对大型光伏电站的相关并网规定和指导原则开始建立起来 按照BDEW已经建立的规范要求，1MW及以上光伏系统接入电网的前提条件是，发电设备必须获得该认证 目前，国内多家逆变器厂商也着手此项标准认证工作 该认证从2019年3月份开始在德国执行12345并网规范. 电气与自动化工程学院62 该技术规范首次要求发电设备能够向电网发送无功功率在安装了获得认证的逆变器后，光伏系统将对电网的电压稳定和故障穿越做出贡献这将允许更多的光伏系统接入电网 任何超过100kW的发电系统都必须参与并网管理，即他们必须根据电网调度的要求，能够以一定比例限制有功功率输出 该规范在2019年夏天增加了对于发电系统而言具有深远影响的“电网稳定性管理〞的要求例如，类似于高压或超高压电网的要求，发电系统在接入中压电网时，也必须参与电网控制６７８德国的德国的“BDEW发电设备接入中压电网〞技术规范发电设备接入中压电网〞技术规范并网规范. 电气与自动化工程学院62不同电压等级关于谐波的设计规范德国的德国的“BDEW发电设备接入中压电网〞技术规范发电设备接入中压电网〞技术规范并网规范. 电气与自动化工程学院62•正常运行时的无功功率要求•系统故障运行要求• （1〕系统电压跌落时能够提供连续的有功功率支持• （2〕系统电压跌落时根据电压跌落程度增加无功出力〔系统不平衡跌落时要补偿对应相位的无功功率，其他相不能补）• （3〕系统高频时降低有功出力德国的德国的“BDEW发电设备接入中压电网〞技术规范发电设备接入中压电网〞技术规范并网规范. 电气与自动化工程学院62电网频率超过50.2HZ逐步降低有功功率49与50.5HZ之间能够维持持续的发电超出一定范围则不允许运行德国的德国的“BDEW发电设备接入中压电网〞技术规范发电设备接入中压电网〞技术规范并网规范. 电气与自动化工程学院62“BDEW〞低电压穿越规范德国的德国的“BDEW发电设备接入中压电网〞技术规范发电设备接入中压电网〞技术规范并网规范. 电气与自动化工程学院62•跌落开始到逆变器所发无功电流达到最小限值的时间不超过跌落开始到逆变器所发无功电流达到最小限值的时间不超过30ms。
•无功设定值的计算方法：无功补偿量根据正序电压的跌落深度和补偿因子来无功设定值的计算方法：无功补偿量根据正序电压的跌落深度和补偿因子来计算：计算：Q= K_factor*ΔU •如当跌落到如当跌落到80%、、K=2时，时，ΔU=20%，可得要发的无功为电流为，可得要发的无功为电流为40%当计算出的设定值超过算出的设定值超过100%，令设定值为，令设定值为100%•跌落恢复后逆变器有功的恢复时间为跌落恢复后逆变器有功的恢复时间为5s以内 •在跌落到在跌落到5%以下时只要能穿越过去就可以，不要求无功补偿，但一定不能从以下时只要能穿越过去就可以，不要求无功补偿，但一定不能从电网吸收无功电网吸收无功•在不平衡跌落时，逆变器发的正序无功电流不超过额定值的在不平衡跌落时，逆变器发的正序无功电流不超过额定值的40% 跌落时无功补偿要求德国的德国的“BDEW发电设备接入中压电网〞技术规范发电设备接入中压电网〞技术规范并网规范. 电气与自动化工程学院7我国的并网标准2并网规范. 电气与自动化工程学院8国网Q/GDW 617-2019规定2并网规范. 电气与自动化工程学院6国网Q/GDW 617-2019规定2并网规范. 电气与自动化工程学院6国网Q/GDW 617-2019规定2并网规范. 电气与自动化工程学院6国网Q/GDW 617-2019规定2并网规范. 电气与自动化工程学院6国网Q/GDW 617-2019规定2并网规范. 电气与自动化工程学院6国网Q/GDW 617-2019规定2调和孤岛保护与调和孤岛保护与LVRTLVRT间的矛盾！间的矛盾！并网规范. 电气与自动化工程学院6国网Q/GDW 617-2019规定2并网规范. 电气与自动化工程学院7世界各国的LVRT标准2并网规范. 电气与自动化工程学院7世界各国的LVRT标准2并网规范. 电气与自动化工程学院8LVRT与孤岛保护存在矛盾2当大中型光伏电站功率与本地负载匹配时，当大中型光伏电站功率与本地负载匹配时，若电网故障断开时，系统如何保护？若电网故障断开时，系统如何保护？当防孤岛标准规定的电网欠压持续时间小于LVRT标准中规定的低压持续时间，当电网故障时，是孤岛保护还是LVRT？并网规范. 电气与自动化工程学院 分布式MPPT技术——粒子群算法 多峰值MPPT——两步法、全局扫描法1 局部最大功率点的产生局部最大功率点问题233 功率优化器4. 电气与自动化工程学院局部最大功率点的产生3.1 产生原因 光伏阵列中的某些光伏电池由于阴影、灰尘等原因出现局部遮挡而使其光照和温度等外界条件发生变化时，被遮挡光伏电池的输出特性即会发生改变，从而出现较为明显的不匹配情形〔局部最大功率点），并造成输出功率的损失。
被遮挡的光伏电池. 电气与自动化工程学院扰动观测法的基本原理3.1电压扰动的过程扰动观测法MPPT过程示意. 电气与自动化工程学院电导增量法的基本原理 电导增量法〔INC---incrementalconductance〕从光伏电池输出功率随输出电压变化率规律出发，推导出系统工作点位于最大功率点时的电导和电导变化率之间的关系，进而提出相应的MPPT算法推导过程 当dP/dU=0时，光伏电池的输出功率达到最大则可以推导出工作点位于最大功率点时需满足以下关系：以ΔI/ΔU=0代替dI/dU3.1. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——两步法 光伏阵列在受遮荫影响时，P-U特性曲线将呈现出多峰值特性上图(a)(b)为双峰值情形时的两种典型情形 常规的MPPT算法由于系统启动时的工作点是从开路电压向最大功率点移动的，因此针对图(a)所示的第一种P-U特性曲线，由于真正的最大功率点电压靠近开路电压处，此时常规的MPPT算法不会发生最大功率点误判； 而对于图(b)所示的第二种曲线，由于真正的最大功率点电压远小于开路电压，常规的MPPT算法则可能工作于一个虚的最大功率点〔局部的最大功率点），而非真正的最大功率点，从而发生最大功率点误判。
3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——两步法6.2.1两步法〔TwoStage〕基本原理 针对光伏阵列P-V曲线在局部阴影条件下出现的双峰特性，KenjiKobayashi等人提出了两步法 开路电压附近的局部极值点〔D点〕的功率可以用下式表示：１ 短路电流附近的局部极值点〔E点〕的功率可以表示为：2其中为被遮挡部分的短路电流其中为被遮挡部分的开路电压3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——两步法6.2.1两步法〔TwoStage〕基本原理 分别为光伏阵列所测得的短路电流和开路电压以为斜率，过U-I坐标系〔0,0〕点做一直线，该直线与光伏阵列的U-I曲线相交于C引入一个阴影因子，是遮荫强度和遮荫面积的一个综合评价指标如图中OA点连线所示两步法就是利用等效负载阻值线和阴影因子线的相对位置来判定全局最大功率点的相对位置引入一个等效负载阻值，即其中：3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——两步法6.2.1两步法〔TwoStage〕基本原理假如 ，即则有： 如果等效负载线的斜率〔V/I〕大于阴影因子线，此时等效负载线与I-V特性曲线的交点位于恒流区〔图中C点），可以近似认为最大功率点在开路电压处。
同理，假如 则有： 如果等效负载线的斜率〔V/I〕小于阴影因子线的斜率，此时等效负载线与I-V特性曲线的交点位于恒压区〔图中C’点），可以近似认为最大功率点在短路电流处3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——两步法6.2.2两步法〔TwoStage〕跟踪过程 由上述分析可知，等效阻抗线与I-V特性曲线的交点与全局最大功率点在空间上的分布有直接关系——交点在恒流区时全局最大功率点在开路电压侧；交点在恒压区时全局最大功率点在短路电流侧 两步法的第一步是利用一定的搜索方法找到等效阻抗线与I-V特性曲线的交点〔如右图中②点）；第二步是从交点处采用电导增量法跟踪到全局最大功率点〔如右图中③点） 右图为交点在恒流区的情形红线代表第一步跟踪过程，黑线代表第二步跟踪过程3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——两步法6.2.2两步法〔TwoStage〕跟踪过程 交点在恒压区的情形如右图所示红线代表第一步跟踪过程，黑线代表第二步跟踪过程第一步是利用一定的搜索方法找到等效阻抗线与I-V特性曲线的交点〔如右图中②点）；第二步是从交点处采用电导增量法跟踪到全局最大功率点〔如右图中③点）。
3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——两步法6.2.3两步法〔TwoStage〕的误判情形 在一定条件下，两步法会出现误判 图C-1代表了两侧的局部极值点功率大至相等此时交点可能处于极小值点〔图中②点）此时：情形一：交点在极小值处3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——两步法6.2.3两步法〔TwoStage〕的误判情形 图D-1表示在多峰值条件下，跟踪结果可能会陷于局部极值点③，而真正的全局最大功率点是点④情形二：I-V曲线出现两个以上的峰值 注：两步法的主要适用于双峰值情形，在多峰值情形下，该方法不能确保找到最大功率点3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——两步法6.2.4两步法〔TwoStage〕的扫描触发条件 在下面两个条件满足时，启动短路电流和开路电压的测量： 根据检测的短路电流和开路电压，重新计算等效阻抗线并根据当前工作点的阻抗线与等效阻抗线的位置关系，决定后续操作如果当前工作点处于开路电压侧，则转移到0.9Voc处继续工作如果当前工作点处于短路电流侧，则启动扫描过程3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——两步法6.2.5两步法〔TwoStage〕的优缺点优点缺点•不能确保跟踪到全局最大功率点。
•需要附加测量短路电流和开路电压的电路•跟踪过程中存在开路状态和短路状态，增加了损耗•跟踪速度不够快，其时间效率与利用扰动观察法进行全局扫描基本相同•方法相对较简单，容易实现3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——全局扫描法3.2现有方法的不足： 两步法过程中需增加硬件以实现开路电压两步法过程中需增加硬件以实现开路电压和短路电流的测试！和短路电流的测试！常规全局搜素的速度不够快！常规全局搜素的速度不够快！. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——全局扫描法POC方法基本思想： 改进的全局扫描法——又称为改进的扰动观测法POC POC方法在跟踪过程存在两种状态：2 第一种状态是利用传统的扰动观测法〔P&O〕或电导增量法INC〕跟踪到P-V曲线上的局部最大功率点１ 第二种状态是基于等功率线的概念的快速扫描过程，其主要 作用是快速通过光伏I-V曲线上不存在大于已知最大功率点的区域3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——全局扫描法6.3.3POC方法搜索过程 开路电压Voc处〔图中①点〕开始采用传统的扰动观测法〔P&O法〕或电导增量法〔INC法〕搜索靠近Voc的第一个最大功率点〔图中②点）。
１ 第一步完成之后，要保存第一个最大功率点〔图中②点〕的相关信息： 同时令全局最大功率点的电压和功率分别为：3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——全局扫描法6.3.3POC方法搜索过程 根据搜索到的第一个最大功率点〔图中②点〕的信息，计算下一步工作点〔图中③点〕的电压２ 其中N为串式光伏整列中旁路二极管的个数，Vmin为光伏I-V曲线上不同最大功率点之间的最小间隔………..(1) 第二步完成之后，将根据当前工作点〔图中③点〕的电流In，功率 Pn来决定下一步工作点的电压3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——全局扫描法6.3.3POC方法搜索过程 根据第二步工作点〔图中③点〕的电流In，功率Pn，以及第一步保存的全局最大功率点得功率Pmpp, 及最右侧最大功率点〔图中②点〕的电压 ，来确定下一个工作点〔图中④点〕的电压3 假如 ， 则转入P&O方法搜索否则按下式转移：………(2 )3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——全局扫描法6.3.3POC方法搜索过程 按照第三步同样的过程，直接转移到下一工作点〔图中⑤点），然后根据下式判断是否搜索结束。
4………….(3)…….(4) 如果式〔4〕满足，则搜索结束，下一工作点由下式决定： 若式〔4〕不满足，则继续搜索3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——全局扫描法6.3.3POC方法搜索过程 以上是POC方法搜索的基本过程但是图例所示的情形是一种理想情形-----光伏阵列的全局最大功率点在I-V曲线的开路电压处 对于非理想情形〔如右图）---搜素到的第一个最大功率点〔A点〕不是全局最大功率点，还有几点需要说明：1 在图中B点，根据什么条件来判断B点的右侧存在比第一个最大功率点〔A点〕大的功率点？ 在搜素到图中D点之后，下一工作点得电压如何确定？23.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——全局扫描法6.3.3POC方法搜索过程 在B点如果继续按照 所以在每一步转移时必须对转移的步长做一个检验，当下式满足时，则转为P&O方法搜索1转移，则跟踪过程将会陷入C点〔无限接近，但不能越过C点） 其中ΔV为P&O方法的扰动步长3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——全局扫描法6.3.3POC方法搜索过程 搜索过程中，在搜索到D点之后如何转移到E点？ POC方法在搜索到D点之后，以D点电压为基础加上一个局部极值的最小电压来作为下一工作点得电压。
2 在前面对POC方法基本搜索过程的的描述中，提到光伏I-V曲线上，不同局部极值点之间有一个最小间隔3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——全局扫描法6.3.4POC方法优缺点•不增加任何硬件条件，且一定能跟踪到全局最大功率点•P-V曲线越简单，搜索过程越快故该方法在单峰值情况下不会有过多的损耗〔如右上图）多峰值时，当搜索到全局最大功率点后，搜索过程可以很快结束如右下图中点⑤------⑧）•搜索过程中，不存在开路状态和短路状态优点3.2. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——全局扫描法6.3.4POC方法优缺点•如果第一个最大功率点不是全局最大功率点，则搜索过程较慢〔如右图）缺点3.2. 电气与自动化工程学院主要厂商：主要厂商：美国国家半导体公司美国国家半导体公司 ( NS--SolarMagic) ( NS--SolarMagic) SolarEdgeSolarEdge公司〔公司〔20192019年销售了年销售了200200万套）万套）苏州东安新高能源科技有限公司苏州东安新高能源科技有限公司 (RSMC-300LS) (RSMC-300LS)上海康威特吉能源技术有限公司上海康威特吉能源技术有限公司 ( DiDi200/300) ( DiDi200/300)工程实例：工程实例：3.3多峰值最大功率点跟踪——微型优化器电源优化器是美国国家半导体公司于电源优化器是美国国家半导体公司于20092009年年6 6月推出的与光伏电池板匹配的功月推出的与光伏电池板匹配的功率优化电源产品！率优化电源产品！ . 电气与自动化工程学院1：系统受到遮蔽时，最高可挽回50% 的发电量损失；2：将系统发电量提高 10-40%（典型值）；3：补偿电池板之间的功率失配；优点4：光伏系统的性能表现将不再显著受到污物、灰尘、碎屑和鸟类排泄物等因素的影响 ；5： 最大化地降低电池板老化对系统性能造成的影响。
多峰值最大功率点跟踪——微型优化器3.3. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——微型优化器3.3. 电气与自动化工程学院u微型优化器模块具有高效集成的电源电路，采用最大限度提高各光伏模块输出功率的最大功率点算法；u整个组列具有相同的输出电流，极大减少了热斑问题和采用内部旁路模式；u每个微型优化器模块将调节其输出电压以符合整体的总线电压，使整个光伏系统将呈现具有单一最大功率点的 I-V 曲线，简化了中央逆变器的操作，并尽可能降低失配带来的发电量损失多峰值最大功率点跟踪——微型优化器中央逆变器工作在定电压模式！3.3. 电气与自动化工程学院多峰值最大功率点跟踪——微型优化器3.3. 电气与自动化工程学院 输出电流大输出电流大于失配组件于失配组件输出电流时，输出电流时，失配组件所失配组件所产生的功率产生的功率将全部损失将全部损失掉输出曲线（输出曲线中阴影部分中阴影部分所示多峰值最大功率点跟踪——微型优化器3.3. 电气与自动化工程学院 输出电流等于输出电流等于失配组件最大失配组件最大功率输出电流功率输出电流时，其他匹配时，其他匹配电池将损失部电池将损失部分输出功率分输出功率多峰值最大功率点跟踪——微型优化器3.3. 电气与自动化工程学院通过引入功率优通过引入功率优化器，使每一个化器，使每一个组件都工作在最组件都工作在最大功率点；同时大功率点；同时功率优化器的功率优化器的“ “等功率变换〞特等功率变换〞特性，使所有组件性，使所有组件能够一定的输出能够一定的输出电流范围内实现电流范围内实现匹配控制。
消除匹配控制消除了失配带来的功了失配带来的功率损失多峰值最大功率点跟踪——微型优化器3.3. 电气与自动化工程学院光伏组件并联时，由光伏组件并联时，由于所有并联支路的输于所有并联支路的输出电压相同，所以当出电压相同，所以当并联支路具有不同的并联支路具有不同的输出特性时〔失配时）输出特性时〔失配时），并联的所有支路不，并联的所有支路不可能都工作在最大功可能都工作在最大功率点右图给出了两种可能右图给出了两种可能的输出曲线，由失配的输出曲线，由失配带来的功率损失可以带来的功率损失可以表示为图中灰色阴影表示为图中灰色阴影与绿色阴影面积之差与绿色阴影面积之差多峰值最大功率点跟踪——微型优化器3.3. 电气与自动化工程学院通过引入功率优通过引入功率优化器，可以都所化器，可以都所有组件进行独立有组件进行独立的的MPPT控制，控制，同样，利用功率同样，利用功率优化器的的优化器的的“等等功率变换〞特性，功率变换〞特性，可以使所有并联可以使所有并联支路在一定的输支路在一定的输出电压范围内实出电压范围内实现匹配控制，从现匹配控制，从而消除失配带来而消除失配带来的输出功率损失的输出功率损失多峰值最大功率点跟踪——微型优化器3.3. 电气与自动化工程学院•粒子群优化算法〔Particle Swarm Optimization Technique） 该算法来自于对鸟群的捕食行为的模拟，一群鸟在区域中随机搜索食物，所有的鸟都知道自己当前位置距离食物多远，最简单有效的策略就是搜寻目前离食物最近的鸟的周围区域。
分布式MPPT技术- PSO-MPPT在PSO-MPPT算法中，每个优化问题的潜在解(也就是最大功率点电压)都是搜索空间中的一个“粒子”，所有的粒子都有一个被目标函数决定的适应值，这里定义阵列的总功率函数为目标函数，而变量就是阵列的输出电压3.4. 电气与自动化工程学院•具体步骤如下：•1〕初始化每块光伏阵列的工作电压；•2〕计算每块光伏阵列的功率；•3〕比较每块光伏阵列的功率大小，找出Pbest(个体最优),Gbest〔全局最优）• 比较每块光伏阵列当前功率值和历史最优功率值的大小，如果当前功率较大，那么更新单个粒子的Pbest, 每块光伏阵列的Pbest都确定后相互比较以确定全局的最好适应值Gbest•4〕根据以下公式更新各个模板的工作点电压〔粒子位置），及步长大小〔粒子速度）分布式MPPT技术- PSO-MPPT由上述公式可知：第k+1次步长的大小不仅与第k次的步长大小有关，还与第i个光伏阵列此刻的电压与个体最大功率点电压、全局最大功率点电压的差值有关5〕检查结束条件，若满足则输出最优解U，否则继续搜寻结束条件为达到迭代次数或者满足最小误差3.4. 电气与自动化工程学院产生的功率曲线〔a〕PSO方法〔b〕典型的P&O方法分布式MPPT技术- PSO-MPPT3.4. 电气与自动化工程学院•优点：•与其他智能算法相比，PSO算法简单，且理论上搜索是一定能达到最大功率点的。
•PSO算法追踪效率高，追踪速度快，且在部分阴影条件下能实现快速跟踪•PSO算法在多个独立系统中应用此法优点尤为突出，不需要额外添加其它硬件设备分布式MPPT技术- PSO-MPPT3.4. 电气与自动化工程学院4光伏发电展望. 电气与自动化工程学院 合肥工业大学电力电子与可再生能源发电技术研究平台：合肥工业大学电力电子与可再生能源发电技术研究平台： 电力电子与电力传动国家级重点学科电力电子与电力传动国家级重点学科 教育部光伏系统工程研究中心教育部光伏系统工程研究中心 国家可再生能源并网发电科学与技术创新引智基地（国家可再生能源并网发电科学与技术创新引智基地（“111〞方案）〞方案）谢谢大家！2019.6. 供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸砒腥悉漠堑脊髓灰质炎(讲课2019)脊髓灰质炎(讲课2019). 。
