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光伏發電技術新進展

信息時間:2015-10-29 信息來源:

    西安理工大學 孫向東

    一、光伏逆變器產業情況


    •2014年,國內全年實際完成光伏裝機約10-11GW。近日,國家能源局征求意見稿中提到2015年計劃新增光伏裝機容量15GW,較2014年度同比增加約7.14%,其中大型地面光伏電站8GW,分布式光伏系統7GW。截至2015年6月底,我國光伏發電裝機容量已達3578萬千瓦。2015年中國的光伏產業呈現逆勢增長態勢,中國光伏產品出貨量依舊占據全球總量的七成以上。   

    國內光伏逆變器廠家

    國內一大批企業從無到有、從若變強,給光伏產業帶來翻天覆地變化。

    大功率逆變器代表品牌:陽光電源、特變電工、艾默生、南車時代電氣、北京科諾偉業、京儀綠能、南京冠亞、西安愛科等

    中功率逆變器代表品牌:華為、陽光電源、兆伏愛索(SMA)、山億新能源等。 

    小功率逆變器代表品牌:蘇州歐姆尼克、深圳古瑞瓦特、山億新能源、陽光電源等 

    功率優化器代表品牌:國內尚沒有代表品牌,未形成市場 

    微型逆變器代表品牌:浙江昱能、上海英偉力、青島北電等  

    二、陰影抑制技術


    ◆采用MPPT優化器方案(從光伏組件角度)

    小功率MPPT優化器——直流模塊(DC MODULE)也是最具發展潛力和市場應用

    前景的發展方向之一。

    在光伏建筑集成發電系統、城市居民發電系統、中小規模光伏電站有其獨特的優勢。

    高頻化、小型化、模塊化,需多個MPPT優化器串聯后通過統一逆變器連接電網,存在成本問題。

    基于并聯型MPPT優化器的光伏發電系統 

    每塊光伏電池板擁有一個獨立的DC/DC變換器,然后多個 module電路進行并聯,共用一個并網逆變器。該電路在解決陰影、不同規格以及不同朝向等引起的失配問題的同時,也兼顧了系統成本。

    基于串聯型MPPT優化器的光伏發電系統 


    ◆采用光伏微逆變器方案(從光伏組件角度)

    小功率光伏并網逆變器——微逆變器(AC MODULE)是最具發展潛力和市場應用前景的發展方向之一。

    微逆變器在光伏建筑集成發電系統、城市居民發電系統、中小規模光伏電站有其獨特的優勢。

    高頻化、小型化、智能化、模塊化,但存在成本問題。市場主要在美國。

    微型逆變器分類



    光伏微型逆變器

    電路由光伏電池組件、輸入濾波器、推挽正激變換器、輸出濾波器、極性反轉橋等五部分組成。

    該拓撲屬于準單級結構,前級推挽正激變換器用來實現電氣隔離和升壓功能,后級逆變器進行極性反轉, 濾波后得到高質量的正弦電流。


    功率解耦技術

    1、光伏電池輸出側解耦 

    ★光伏電池和解耦電路串聯 

    ★光伏電池和解耦電路并聯 

    2、微逆直流母線上的功率解耦 

    3、三端口解耦 

        直流母線解耦電容由8800μF降為2200μF


    三、注入電網電流諧波抑制技術

    ?弱光情況下電流諧波問題

        弱光情況下,光伏陣列輸出功率較低,逆變器并網電流THD通常大于5%,此時,分布式光伏發電系統成為電流諧波源。

    ?多臺光伏逆變器并聯后,電流諧波疊加問題

       分布式光伏發電系統一般包括幾臺到幾十臺并聯逆變器,多個逆變器通過一個接入點并入電網,各個逆變器輸出電流將會相互影響,相互作用,特別是各次電流諧波可能存在互相疊加問題,易導致電網振蕩,同時電能質量下降,對用電負荷有影響。

    解決措施

    √從并網電流控制策略入手

    ◆同步旋轉坐標系下的電流PI解耦控制+電網電壓前饋控制

    電流控制策略需考慮正負序電流分量分別處理。


    ◆準PR控制


    準PR控制在兩相靜止坐標系中進行電流閉環控制,不受電網波動影響,對相應次諧波電流進行抑制,對工頻電流進行濾波。

    ◆重復控制

    r為需跟蹤的重復性信號,y為輸出信號,e為誤差信號,d為作用于受控對象上的重復性擾動信號,由內模對誤差e進行逐周期的累加,起到對既往誤差信號的記憶作用,以便在誤差消失時控制器仍可以輸出合適的控制量。

    √從電路拓撲入手

    兩電平逆變器--》NPC、T型三電平逆變器

    LC濾波器--》LCL濾波器

    ◆采用智能主從結構、相同容量大功率逆變單元并聯方案(從光伏陣列角度)

    控制系統實時監視光伏電池組件的總輸出功率,從而決定實際需要投入的逆變單元數量,提高設備效率以及設備冗余性。由于逆變單元根據實際功率投入運行,逆變單元產生的電流諧波不高,所以可以部分控制系統電流諧波,但存在環流抑制等問題。 

    ◆采用中小功率光伏逆變器并聯方案(從光伏支路角度)

    德國70MW電站,其中50MW采用2540 個 REFUSOL 20 KW單體逆變器,20MW采用38 個 REFUSOL 333KW單體逆變器,此配置具有更高的投資回報率。

    20 KW單體逆變器:

    ?無需匯流箱

    ?直流側布線簡單,分布式就地并網,直流電纜短,交流電纜長

    ?可直接連接低壓電網

    ?MPPT追蹤精度高,年發電量多

    ?單體故障影響小

    ?即使弱光條件,電流諧波也較小

    ◆新型主從互補控制逆變電路 (發明專利201310099605.6、201410088032.1)

    由一臺大容量帶LCL濾波的主逆變器和一臺小容量帶L濾波的從逆變器以及并網變壓器等組成。主、從逆變器可以由三相全橋兩電平逆變器、NPC三電平逆變器或者T型三電平逆變器實現。 

    系統可以根據光照強弱激活一臺或兩臺逆變器工作。在弱光情況下,主逆變器并網發電,從逆變器以主逆變器輸出電流作為補償對象進行有源濾波,主逆變器的諧波電流在主從逆變器之間流動,使得注入電網電流諧波很小。 

    模式A:光照較強,主逆變器處于并網發電模式、從逆變器處于停機模式

    條件:主光伏陣列輸出功率大于70%主逆變器容量 

    模式B:光照較弱,主逆變器處于停機模式、從逆變器處于并網發電模式

    模式C:光照一般,主逆變器并網發電模式、從逆變器諧波補償模式 

    條件:主光伏陣列輸出功率小于70%主逆變器容量,且光伏陣列總輸出功率大于25%主逆變器容量 

    四、負載無功補償技術

    對采樣的并網電流和負載電流進行變換,電壓外環決定有功電流給定,負載無功電流為無功電流給定,經過PI調節得到電壓矢量,對逆變器進行控制。

    五、光伏微網運行逆變器

    可用于微網模式、并網模式、離網模式、電網獨立供電模式,可用于分布式微電網系統。在光線較暗或者逆變器故障情況下也能為本地負載供電。


    并網模式時,采用前饋網絡、反饋矯正網絡與瞬時無功理論相結合的新型鎖相方法,實現基于內模原理的電流控制算法,保證逆變電源并網電流的正弦度高,諧波含量低,功率因數高。采用頻率正反饋擾動的檢測算法,使系統能夠準確地偵測孤島效應。采用軟啟動技術實現軟并網過程,采用軟停機技術實現軟脫網。

    離網模式時,基于光伏陣列輸出功率控制與負載電壓有效值控制的外環Vf控制方式,內環采用電流PI控制和負載電壓前饋控制相結合的控制方法,實現光伏陣列輸出功率與負載電壓協調控制。

    微網運行模式時,并網模式、離網模式間平滑切換,完成PQ控制方式與VF控制方式間平穩轉換。

    六、展望

    目前技術水平

    •逆變器最高轉換效率為97%至99.15%;MPPT效率為98%至99.9%;

    •單機最大功率2.5MW,電路結構目前以IGBT模塊并聯的兩電平為主,少量采用三

    電平逆變器并聯技術,冷卻方式風冷為主,少量采用熱管散熱器,將來也可能采用蒸發冷卻技術;

    •目前電站電壓等級在1000V以內,將來可能是1500V。 

    大小功率機型市場之爭

    •小功率逆變器在部分新興市場應用中有優勢,大功率逆變器在大規模地面應用中綜

    合表現更出色。

    •用發展的眼光看待大小功率逆變器的應用。小功率逆變器在走大功率逆變器幾年前

    走過的提升單機功率的必經之路。

    •大功率逆變器由單個MPPT發展為多個MPPT跟蹤能力,模塊化大功率并聯結構產

    品在綜合優勢方面更明顯。

    •集光伏發電、諧波補償、無功補償、儲能技術等多功能于一體的光伏逆變器將是重

    要的發展方向。

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