光伏模块单相逆变器并网评价外文翻译资料

 2022-09-19 10:09

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光伏模块单相逆变器并网评价

Soeren Baekhoej Kjaer, Member, IEEE, John K. Pedersen, Senior Member, IEEE, and Frede Blaabjerg, Fellow, IEEE

摘要 本文着重于探讨单相电网中光伏逆变器并网技术。这类逆变器可以分为四个类别:1)级联功率处理级的数量;2)光伏模块和单向电网之间功率解耦的类别;3)它们是否利用了变压器(无论是线性还是高频的);以及4)并网功率级的种类。本文从市场需求、使用寿命、元件额定功率和价格方面展示、比较和评估了多种逆变器拓扑结构。最后,指明了部分拓扑结构是单个光伏模块或多个光伏模块应用时的合适选择。

关键词:交流模块,光伏发电系统,单相逆变器并网

Ⅰ.引言

在世界能源需求日益增长的同时,光伏发电在公共设施中的应用有了越来越多的可行性。相比于石油、天然气、煤炭、核能、水力、风力一类的传统能量来源,光伏系统相对的高成本使得这项技术迄今为止没有在电网中得到广泛使用。固态逆变器这项科技已经展现出将光伏系统应用于电网的可能。

在过去,光伏系统的高成本主要是由于光伏模块的价格太高。近年来,由于光伏模块产量的极大增长,其价格已经有了下降的趋势。举例来说,1992年单个光伏组件每瓦的价格在4.4到7.9美元之间,现在已经下降到2.6到3.5美元之间。因此,在整个系统价格中并网逆变器的花费变得更加可行。逆变器每瓦价格的降低使得光伏发电系统更加吸引人。由于大家都关注于新的、廉价和创新的解决方案上,使得逆变器和系统配置出现了高度的多样化。

本文由公用电网公司、光伏组件和经营者对逆变器的需求检查开始,接着由历史回顾来展现过去这些要求是否满足,现在达到何种程度以及未来可能会怎样实现。随后列述了一些应用于连接光伏组件和电网的功率逆变拓扑结构。处理方式也进行了深入的讨论和评估,以期望得出最适合于光伏逆变器的拓扑结构。最后,文章给出了结论。

Ⅱ.规格、需求和标准

与电网并网的逆变器连接光伏模块主要有一下两方面的任务。一是确保光伏模块工作在最大功率点(MPP);二是向电网中注入正弦电流。以上任务将在本节中进一步讨论。

  1. 电网中的需求

既然逆变器要与电网并网,那么由公共事业公司设定的标准就必须遵守。尤其是以后出台的国际标准IEC61727(目前仍是国际电工委员会起草的投票),以及目前的标准EN61000-3-2,IEEE1547和美国国家电气规程都在考虑范围之内。这些标准可以处理诸如电力质量,孤岛运行检测,接地等问题。在表格I中对这些问题进行了总结。

如表I所示,就电流谐波而言,相较于响应的IEEE和IEC标准,欧洲标准能够很好地处理这些问题。这也反映了在选择逆变器拓扑结构时,由配备大型晶体管的并网逆变器转变为配备绝缘栅门级晶体管(IGBT)或MOSFET。

逆变器需要能够检测到孤岛状态并采取合适的措施来保护人员和设备。孤岛效应是当电网被人为原因,事故或损坏导致分布电源和电网分离时逆变器的继续运行状态。换而言之,就是电网已经与逆变器解列,逆变器只向孤岛负载供应电力。目前有效的检测方案通常被分为两类:主动的和被动的。被动措施对电力质量没有任何影响,因为它只监视电网的运行参数。主动方案往电网中引入扰动并监测效果。这种措施可能影响电力质量,并且与电网并联的多重逆变器还存在一些问题。

IEEE和IEC标准限值了向电网注入直流电流的最大值,其限流的目的是防止分布变压器饱和。然而,限制值相当小(相当于输出电流的0.5%和1%),这样微小的数值很难被精确的检测出来。这个缺点能够通过设置逆变器和电网之间的行频变压器或使用改良的测量电路得到弥补。一些逆变器使用了嵌入有高频直流-直流变换器的变压器来达到对光伏模块和电网之间进行电流隔离的作用。然而这种措施并没有解决注入直流的问题,不过使光伏模块的接地更加容易。

NEC690标准要求在光伏模块最大输出电压达到一个确定等级时,比如50V,光伏模块应该系统接地并且得到监控防止接地错误。系统接地包括光伏阵列的负(正)端子接地,这种方式在高功率的无变压器系统中会变得十分麻烦,因为单相逆变器和相电网之间的链接在系统侧已经系统接地。其他电力局只要求光伏模块的设备接地以防电流隔离的失效。设备接地指的是(装置的)框架和其他金属部分接地。

假定电网电压和电网电力都只包含基波分量,并且都是相值,注入电网的瞬时功率等于

(1)

式中是平均注入功率,是角频率,t是时间。

B.光伏模块的需求

光伏单元的模型如图1.a所示,其电气特性如图1.b所示。目前光伏技术通常使用单晶硅和多晶硅模块,其基于传统的和昂贵的微电子制造工艺。这些光伏模块的最大功率点电压通常规定在发出功率为160W左右时,电压在23V到38V之间,并且他们的开路电压低于45V。然而,薄膜硅,非晶硅和光电化学催化正在发展。使用一种不昂贵的滚装工艺,上述的光伏模块能够被制作得任意大。这意味着只有一个单元的新模块在未来看到了曙光,这些光伏单元/组件在每平米流过几百安培电流时电压固定在0.5V到1.0V之间。

逆变器必须保证光伏模块工作在最大功率点,在这个状态下才能获取最多的能量。最大功率点跟踪器能够完成这项任务。为了使工作在最大功率点时没有太大的波动,同时也要求光伏模块端子的脉动要足够小。分析图1.a的电路可以发现电压脉动的振幅和利用率有着如下关系:

(2)

式中表示电压脉动的振幅,和是最大功率点的功率和电压,和是描述一个二阶泰勒近似电流的系数,给定的利用率是用平均功率除以理论最大功率点功率,各项系数计算如下:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

计算表明,为了使利用率达到98%,脉动电压的幅值应该小于8.5%。举例来说,为了保持利用率在98%以上,最大功率点电压为35V的光伏模块承受的脉动电压幅值应该不大于3.0V。如前一节所示,注入电网的功率遵循正弦波的规律,,由此推出逆变器必须包含一个功率解耦装置。

C.运营公司的需求

运营公司(所有者)也有一些意见想要表达。首先,逆变器需要物美价廉,这点由使用和当今的单相功率因素校正电路和变速驱动器相似的电路就可以实现。然而,用户同样也要求在大范围输入电压和输入功率内的高效率,因为这两个定义域十分广的变量是太阳能辐射和环境温度的函数。图2展示了在丹麦(欧洲西北部)普通年份一年的平均照射量,图片还显示了在辐射量从50到1000变化时潜在可用能源的最大值。

进一步来说,逆变器必须高度可靠(长操作寿命),因为大部分光伏模块生产商保证25年内的基本效率为80%,以及材料和工艺保修5年。

逆变器内部主要的限制元件是用于光伏模块和单相电网之间实现功率解耦的电解质电容器。电解质电容器的运行寿命如下式所示:

(8)

式中表示运行寿命,是在热点温度为时的运行寿命, 是热点温度,是使寿命为正常值一半时的温升。然而,等式假定在恒定的温度条件下,当逆变器在室内或忽略电容器功率损耗的情况下可以近似成立。但当逆变器与光伏模块连接使用时就不确定了。在不同的温度下,必须应用平均值来确定其寿命。

Ⅲ.逆变器发展历程

  1. 过去——集中式逆变器

如图3(a)所示,过去的科技要基于集中逆变器才能实现大量的光伏模块与电网互联。光伏逆变器划分为串联连接(称为一个串),每一个都能产生足够高的电压来防止进一步放大。这些串联部分再通过串联二极管并联,由此可以达到足够高的功率等级。这种逆变器包含一些严重的限制,比如光伏模块和逆变器之间连接的直流高压电缆,由于最大功率点集中跟踪导致的功率损耗,串联二极管中的损耗,以及刚性的设计不能满足大规模生产的好处。并网阶段通常是由晶闸管来完成在线换向,包含有很多电流谐波和粗劣的电能质量。大量的电流谐波正式新兴逆变器拓扑结构和系统配置运用的时机,为了应对这些问题,新兴标准也涵盖了电力质量这一项。

  1. 现在——串联逆变器和交流模块

现在的技术包括串联逆变器和交流模块。串联逆变器,是集中式逆变器的简化版本,如图3(b)所示,光伏模块单个串与逆变器相连。可以使输入电压足够高来防止电压放大。对于欧洲系统来说这需要大约16个光伏模块并联。16个光伏模块的开路电压可以达到720V,其需要一个1000V的MOSFET/IGBT来允许半导体75%的电压降低。然而,一般的运行电压只有450V到510V。在串联电路中使用更少的光伏模块的可能性也依旧存在,如果直流-直流变化器或者线性频率转换器用于电压放大。由于串联二极管之间没有损耗,分离的最大功率点跟踪器能够应用于每一个串。这使得总共的效率相较于集中式逆变器由了提高,同时由于大量生产,价格也得到降低。

如图3(d)所示,交流模块是逆变器和光伏模块连接到一个电气设备的集成模块。因为只有一个光伏模块,交流模块消除了光伏模块之间不匹配导致的损耗,同样也支持了光伏模块和逆变器之间最优的调整,因此有了独特的最大功率点跟踪器。它包含一个简单系统扩大的可能性,由于其模块化的结构。成为即插即用装置的可能性使得其可以被没有任何电气设备安装知识的人员来使用,同时也是它的固有特征。一方面,必要的高电压放大可能降低总共的效率并且提高每瓦功率的价格,由于更多复杂的电路拓扑结构。另一方面,交流模块计划大量生产会使得生产花费和零售价格降低。

现在的方案采用自换相的直流-交流逆变器,电路中使用IGBT或MOSFET器件,包含符合标准的高电力质量。

  1. 未来——多重串联逆变器,交流模块和交流单元

如图3(c)所示,多重串联逆变器由串联逆变器发展而来,几个串与各自的直流-直流变流器连接在一起然后与共同的直流-交流逆变器相连。与集中式系统相比,这是有益的,因为每个串都能单独得到控制。因此,运营商使用几个模块就可能开展他/她个人的光伏发电设备。因为新式的直流-直流变流器串能够与现在的平台接口,使得产业的扩大变得更加容易。一个高效柔性的设计也由此实现。

最后,交流单元逆变器系统是一个大型光伏单元连接到直流-交流逆变器的情形。设计者主要的挑战是发展一种逆变器能够放大非常低的电压,0.5V到1.0V以及100W每平方米,视电网的合适等级而定,并且同时要达到高效率。出于相同的原因,需要全新的变流器概念。

Ⅳ.逆变器拓扑结构的分类

接下来讨论不同逆变器技术的分类。拓扑结构的分类基于功率处理级得数量,功率解耦电容的位置,它们是否带有变压器,以及电网接口的种类。

  1. 功率处理级的数量

级联功率处理级的数量,属于第一部分。图4展示了3中单级和多级逆变器的情形。

图4(a)中的逆变器是一个单级逆变器,它必须自己处理所有问题,举例来说,最大功率点跟踪,电网电流控制以及,大概,电压放大。这是集中式逆变器的典型配置,也带有其所有缺点。按照(1)式,逆变器必须被设计成可以处理两倍额定功率的功率尖峰。

图4(b)是一个双极逆变器。直流-直流变流器在这里作为最大功率点跟踪器(也可作为电压放大器)。依赖于直流-交流逆变器控制,直流-直流变流器的输出既不是纯粹的直流电压(而且直流-直流变流器只被设计成在额定功率下运行),或者调节直流-直流输出电流来跟随整流过的正弦波(直流-直流变流器此时应可以处理两倍于额定功率的尖峰)。直流-交流逆变器在前一个方案中使用脉冲宽度调制或继电器控制运行来控制电网电流。在后一种方式中,直流-交流逆变器用于在行频下转换,“展开”整流过的电流为一个全波的正弦波,而且直流-直流变流器用于处理电流控制。如果额定电压低的情况下后一种方案能够达到高的效率。另一方面,如果额定功率高的情况下在脉冲宽度调制的模式下运行并网逆变器是可取的。

最后,图4(c)展示了多重串联逆变器的方案。每一个直流-直流变流器唯一的任务是最大功率点跟踪,或电压放大。直流-直流变流器与公共逆变器通过直流通道连接,用于电网电流控制。因为可以实现每个光伏模块/串更优的控制,所以是有益的。而且通用直流-交流逆变器基于VSD(变速驱动)技术标准。

  1. 功率解耦

功率解耦一般通过电解质电容器来实现。如同先前所表述的,这个元件的主要限制因素是其寿命。因此,电解质电容器应该尽可能的小而且能够被薄膜电容器完美的替代。如图5所示,电容器抑或是与光伏模块并联或是与逆变器级通过直流通道连接。

解耦电容器的大小表达式如下:

(9)

式中是光伏模块的额定功率,是电容两端的平均电压,是电压脉动幅值。公式(9)基于光伏模块的电流时纯粹的直流这个条件,并网逆变器发出的电流遵循的波形,假定波形连续。如果(2)式得到的结果应用于(9)式,那么需要在光伏模块上并联一个2.4mF的电容。另一方面,如果电容放置于直流环节中,对于相同的光伏逆变器,在380V下电压脉动幅值为20V时需要电容大小为33uF才足够。

  1. 变压器以及互连的类型

如前文所述,部分逆变器使用嵌入高频直流-直流变流器或直流-交流逆变器的变压器,其他逆变器使用针对电网的行频变压器,有些逆变器甚至根本不带有变压器(如图6所示)。行频变压器被视为不好的元件,由于它

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