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光伏发电技术新进展

信息时间:2015-10-29 信息来源:

    西安理工大学?孙向东

    一、光伏逆变器产业情况


    ?2014年,国内全年实际完成光伏装机约10-11GW。近日,国家能源局征求意见稿中提到2015年计划新增光伏装机容量15GW,较2014年度同比增加约7.14%,其中大型地面光伏电站8GW,分布式光伏系统7GW。截至2015年6月底,我国光伏发电装机容量已达3578万千瓦。2015年中国的光伏产业呈现逆势增长态势,中国光伏产品出货量依旧占据全球总量的七成以上。 ??

    国内光伏逆变器厂家

    国内一大批企业从无到有、从若变强,给光伏产业带来翻天覆地变化。

    大功率逆变器代表品牌:阳光电源、特变电工、艾默生、南车时代电气、北京科诺伟业、京仪绿能、南京冠亚、西安爱科等

    中功率逆变器代表品牌:华为、阳光电源、兆伏爱索(SMA)、山亿新能源等。?

    小功率逆变器代表品牌:苏州欧姆尼克、深圳古瑞瓦特、山亿新能源、阳光电源等?

    功率优化器代表品牌:国内尚没有代表品牌,未形成市场?

    微型逆变器代表品牌:浙江昱能、上海英伟力、青岛北电等 ?

    二、阴影抑制技术


    ◆采用MPPT优化器方案(从光伏组件角度)

    小功率MPPT优化器——直流模块(DC MODULE)也是最具发展潜力和市场应用

    前景的发展方向之一。

    在光伏建筑集成发电系统、城市居民发电系统、中小规模光伏电站有其独特的优势。

    高频化、小型化、模块化,需多个MPPT优化器串联后通过统一逆变器连接电网,存在成本问题。

    基于并联型MPPT优化器的光伏发电系统?

    每块光伏电池板拥有一个独立的DC/DC变换器,然后多个 module电路进行并联,共用一个并网逆变器。该电路在解决阴影、不同规格以及不同朝向等引起的失配问题的同时,也兼顾了系统成本。

    基于串联型MPPT优化器的光伏发电系统?


    ◆采用光伏微逆变器方案(从光伏组件角度)

    小功率光伏并网逆变器——微逆变器(AC MODULE)是最具发展潜力和市场应用前景的发展方向之一。

    微逆变器在光伏建筑集成发电系统、城市居民发电系统、中小规模光伏电站有其独特的优势。

    高频化、小型化、智能化、模块化,但存在成本问题。市场主要在美国。

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    微型逆变器分类



    光伏微型逆变器

    电路由光伏电池组件、输入滤波器、推挽正激变换器、输出滤波器、极性反转桥等五部分组成。

    该拓扑属于准单级结构,前级推挽正激变换器用来实现电气隔离和升压功能,后级逆变器进行极性反转, 滤波后得到高质量的正弦电流。


    功率解耦技术

    1、光伏电池输出侧解耦?

    ★光伏电池和解耦电路串联?

    ★光伏电池和解耦电路并联?

    2、微逆直流母线上的功率解耦?

    3、三端口解耦?

    ? ? 直流母线解耦电容由8800μF降为2200μF


    三、注入电网电流谐波抑制技术

    ?弱光情况下电流谐波问题

    ? ? 弱光情况下,光伏阵列输出功率较低,逆变器并网电流THD通常大于5%,此时,分布式光伏发电系统成为电流谐波源。

    ?多台光伏逆变器并联后,电流谐波叠加问题

    ? ?分布式光伏发电系统一般包括几台到几十台并联逆变器,多个逆变器通过一个接入点并入电网,各个逆变器输出电流将会相互影响,相互作用,特别是各次电流谐波可能存在互相叠加问题,易导致电网振荡,同时电能质量下降,对用电负荷有影响。

    解决措施

    √从并网电流控制策略入手

    ◆同步旋转坐标系下的电流PI解耦控制+电网电压前馈控制

    电流控制策略需考虑正负序电流分量分别处理。


    ◆准PR控制


    准PR控制在两相静止坐标系中进行电流闭环控制,不受电网波动影响,对相应次谐波电流进行抑制,对工频电流进行滤波。

    ◆重复控制

    r为需跟踪的重复性信号,y为输出信号,e为误差信号,d为作用于受控对象上的重复性扰动信号,由内模对误差e进行逐周期的累加,起到对既往误差信号的记忆作用,以便在误差消失时控制器仍可以输出合适的控制量。

    √从电路拓扑入手

    两电平逆变器--》NPC、T型三电平逆变器

    LC滤波器--》LCL滤波器

    ◆采用智能主从结构、相同容量大功率逆变单元并联方案(从光伏阵列角度)

    控制系统实时监视光伏电池组件的总输出功率,从而决定实际需要投入的逆变单元数量,提高设备效率以及设备冗余性。由于逆变单元根据实际功率投入运行,逆变单元产生的电流谐波不高,所以可以部分控制系统电流谐波,但存在环流抑制等问题。?

    ◆采用中小功率光伏逆变器并联方案(从光伏支路角度)

    德国70MW电站,其中50MW采用2540 个 REFUSOL 20 KW单体逆变器,20MW采用38 个 REFUSOL 333KW单体逆变器,此配置具有更高的投资回报率。

    20 KW单体逆变器:

    ?无需汇流箱

    ?直流侧布线简单,分布式就地并网,直流电缆短,交流电缆长

    ?可直接连接低压电网

    ?MPPT追踪精度高,年发电量多

    ?单体故障影响小

    ?即使弱光条件,电流谐波也较小

    ◆新型主从互补控制逆变电路 (发明专利201310099605.6、201410088032.1)

    由一台大容量带LCL滤波的主逆变器和一台小容量带L滤波的从逆变器以及并网变压器等组成。主、从逆变器可以由三相全桥两电平逆变器、NPC三电平逆变器或者T型三电平逆变器实现。?

    系统可以根据光照强弱激活一台或两台逆变器工作。在弱光情况下,主逆变器并网发电,从逆变器以主逆变器输出电流作为补偿对象进行有源滤波,主逆变器的谐波电流在主从逆变器之间流动,使得注入电网电流谐波很小。?

    模式A:光照较强,主逆变器处于并网发电模式、从逆变器处于停机模式

    条件:主光伏阵列输出功率大于70%主逆变器容量?

    模式B:光照较弱,主逆变器处于停机模式、从逆变器处于并网发电模式

    模式C:光照一般,主逆变器并网发电模式、从逆变器谐波补偿模式?

    条件:主光伏阵列输出功率小于70%主逆变器容量,且光伏阵列总输出功率大于25%主逆变器容量?

    四、负载无功补偿技术

    对采样的并网电流和负载电流进行变换,电压外环决定有功电流给定,负载无功电流为无功电流给定,经过PI调节得到电压矢量,对逆变器进行控制。

    五、光伏微网运行逆变器

    可用于微网模式、并网模式、离网模式、电网独立供电模式,可用于分布式微电网系统。在光线较暗或者逆变器故障情况下也能为本地负载供电。


    并网模式时,采用前馈网络、反馈矫正网络与瞬时无功理论相结合的新型锁相方法,实现基于内模原理的电流控制算法,保证逆变电源并网电流的正弦度高,谐波含量低,功率因数高。采用频率正反馈扰动的检测算法,使系统能够准确地侦测孤岛效应。采用软启动技术实现软并网过程,采用软停机技术实现软脱网。

    离网模式时,基于光伏阵列输出功率控制与负载电压有效值控制的外环Vf控制方式,内环采用电流PI控制和负载电压前馈控制相结合的控制方法,实现光伏阵列输出功率与负载电压协调控制。

    微网运行模式时,并网模式、离网模式间平滑切换,完成PQ控制方式与VF控制方式间平稳转换。

    六、展望

    目前技术水平

    ?逆变器最高转换效率为97%至99.15%;MPPT效率为98%至99.9%;

    ?单机最大功率2.5MW,电路结构目前以IGBT模块并联的两电平为主,少量采用三

    电平逆变器并联技术,冷却方式风冷为主,少量采用热管散热器,将来也可能采用蒸发冷却技术;

    ?目前电站电压等级在1000V以内,将来可能是1500V。?

    大小功率机型市场之争

    ?小功率逆变器在部分新兴市场应用中有优势,大功率逆变器在大规模地面应用中综

    合表现更出色。

    ?用发展的眼光看待大小功率逆变器的应用。小功率逆变器在走大功率逆变器几年前

    走过的提升单机功率的必经之路。

    ?大功率逆变器由单个MPPT发展为多个MPPT跟踪能力,模块化大功率并联结构产

    品在综合优势方面更明显。

    ?集光伏发电、谐波补偿、无功补偿、储能技术等多功能于一体的光伏逆变器将是重

    要的发展方向。