《電子技術(shù)應(yīng)用》
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光伏逆變器的設(shè)計原理
摘要: 無論采用何種技術(shù),逆變器的基本設(shè)計都很明確,,且非常相似,。其核心就是將直流電壓(光伏組件)轉(zhuǎn)換成交流電壓(可并網(wǎng))的過程,。
Abstract:
Key words :

  并網(wǎng)光伏逆變器的基本設(shè)計

  無論采用何種技術(shù),逆變器的基本設(shè)計都很明確,,且非常相似,。其核心就是將直流電壓(光伏組件)轉(zhuǎn)換成交流電壓(可并網(wǎng))的過程。在轉(zhuǎn)變的過程中,,不停地轉(zhuǎn)換直流電的正負(fù)極連接,,從而形成方向變化的交流電。所以,逆變器的關(guān)鍵部件是橋接開關(guān)(晶體管元件,,見圖1:a)),,這個開關(guān)橋的一側(cè)連接輸入的直流電源,在另一側(cè)連接交流電網(wǎng),。在工作過程中,,只有兩個相對的開關(guān)可以同時關(guān)閉。

  如果將此開關(guān)橋的開關(guān)速度設(shè)置成與電網(wǎng)頻率相同,,則在理論上可以將橋的輸出側(cè)與電網(wǎng)連接,。但是,由于這樣輸出的電流是方波,,且強度沒有變化,,因此需要在輸出端安裝一個具有鐵芯的電感器,用以將輸出電流控制成為正弦波形狀,。橋的斷開采用脈沖過程進(jìn)行,,從而形成與脈沖相關(guān)的較小電流分量。這樣的電流分量可以對電感器的電流進(jìn)行控制,。脈沖的頻率一般為20KHz ,, 這樣就完全可以形成50Hz的電流,見圖1:b),。

  對于光伏逆變器來說,,還有一個非常重要的設(shè)備不能遺漏:輸入端的電容器,見圖1: c ) ,。電容器的作用是儲存電能,,確保來自發(fā)電側(cè)的電流持續(xù)一致供給橋接開關(guān),并通過與電網(wǎng)頻率同步變化的橋進(jìn)入電網(wǎng),。只有在輸入電容器的容量足夠大的情況下,,才能夠保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的持續(xù)、正常運行,。

圖1:光伏逆變器的基本設(shè)計

  圖2描述了可用于直接并網(wǎng)的逆變器的基本功能,。但在實際應(yīng)用中,輸入電壓的范圍具有一定的局限性,。對于并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用,,其輸入電壓必須在任何時刻都高于電網(wǎng)的峰值電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓的有效值為250V時,,達(dá)到正常并網(wǎng)要求的發(fā)電源側(cè)的最低電壓應(yīng)為354V,。

  與標(biāo)準(zhǔn)逆變器的基本設(shè)計不同,直接并網(wǎng)逆變器有很多方法來調(diào)整或提升輸入電壓范圍,。常用的逆變器技術(shù)方案與結(jié)構(gòu)都各不相同:

 

圖2:最常用的逆變器電路圖表一覽

  上面提到的逆變器拓樸結(jié)構(gòu)不僅在電氣隔離方面不同,,在可達(dá)到的效率,、對電壓的依賴性等方面也各不相同。因此,,沒有統(tǒng)一的公式來界定何種逆變器設(shè)計是最優(yōu)秀的設(shè)計,,用戶必須要考慮到具體使用的逆變器特性。

  無隔離變壓器光伏逆變器的技術(shù)關(guān)鍵

  目前,,只要光伏發(fā)電站設(shè)計合理,,完全可以經(jīng)濟運行。直接并入電網(wǎng)的無變壓器型逆變器因為其低成本,、高效率而日益受到重視,。但是,該技術(shù)仍然被認(rèn)為是“有問題的”,。這一點將在下面進(jìn)行檢驗和說明,。

  變壓器將電能轉(zhuǎn)化成磁能,再將磁能轉(zhuǎn)化成電能,。在輸入與輸出端之間安裝的電氣隔離裝置導(dǎo)致的能量損失可達(dá)到1%,,甚至高達(dá)2%。因此,,無變壓器型逆變器的運行效率要比變壓器型逆變器高,。這種技術(shù)還有很多其它的優(yōu)點,例如材料消耗少,、重量輕等,。

  總而言之,無變壓器型逆變器相對體積較小,、重量較輕,、價格也比較便宜,在很多方面都比變壓器型逆變器更具優(yōu)勢,。雖然光伏發(fā)電站的運行和安全性都不需要采用電氣隔離措施,,在設(shè)計直接并網(wǎng)的逆變器時還是應(yīng)該考慮到以下幾個方面。

圖5:外觀相同,,內(nèi)部電路不同:變壓器型和無變壓器型兩種Sunny Boy效率特性。

  正常運行狀態(tài)下的漏電電流

  將來自光伏組件的電壓采用高頻率(20kHz)轉(zhuǎn)換過程中,,高頻電壓應(yīng)等同于電網(wǎng)電壓峰值,;這些電壓在逆變器內(nèi)部被認(rèn)為是干擾,濾波器可以阻斷這些干擾,,防止其進(jìn)入電網(wǎng),。但在理論上,阻止來自發(fā)電電源側(cè)的直流分量進(jìn)入交流電網(wǎng)是不可能絕對實現(xiàn)的,。

  這樣,,根據(jù)所采用逆變器結(jié)構(gòu)的不同,在交流輸出中也將存在不同的對地直流電壓分量。如果太陽能電池組和/或者其接線端對地存在交流電壓,,將產(chǎn)生“漏電電流”,,通過寄生電容流向電池組接地點。

 

圖6:Sunny Boy 2100TL逆變器光伏電池組對地電壓

 

圖7:Sunny Boy 5000TL HC多組串逆變器光伏電池組對地電壓

  下面我們以Sunny Boy 2100TL和Sunny Boy 5000TL HC兩種逆變器為例,。如上圖所示,。這兩種逆變器的運行會在其電子部分產(chǎn)生與時間相關(guān)的電勢,它們的光伏組件對地電壓也不相同,。Sunny Boy 2100TL采用H型橋結(jié)構(gòu),,加在光伏組件上的電壓為電網(wǎng)電壓有效值的一半。

  多組串逆變器SB5000TL HC則采用電容半橋結(jié)構(gòu),。橋的中線直接連接在電網(wǎng)的中線上,。這樣的結(jié)果就是產(chǎn)生的對地電壓只是50Hz的低電壓值,其分量只是電網(wǎng)電壓很小的一部分,,只相當(dāng)于變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電壓紋波量,。

  除了電網(wǎng)電壓提升方面的考慮,漏電電流的大小還取決于光伏組件寄生電容的大小,,該電容值大小與電池面積及組件與邊框之間的距離相關(guān),。因此,關(guān)于漏電電流情況,,應(yīng)該在設(shè)計系統(tǒng)時就仔細(xì)考慮逆變器的結(jié)構(gòu)和光伏組件尺寸,。面積越大、電池與光伏組件邊框之間的距離越小,,產(chǎn)生的漏電電流就越大,。無邊框結(jié)構(gòu)光伏組件的漏電電流值很低。然而,,安裝在不銹鋼箔上的非晶電池會產(chǎn)生很大的漏電電流,。

  外部條件也會對漏電電流產(chǎn)生影響,因此不可避免會產(chǎn)生一定的波動,。如果沉淀物或者清潔液弄濕了光伏組件,,漏電電流就會增加;這些液體中的電子物質(zhì)成分縮短電池與電池間的距離,,造成漏電電流升高,。

  總之,光伏組件在運行時的漏電電流(正常情況下)取決于很多運行條件,,沒有定值來衡量,。以H型橋逆變器(如Sunny Boy 2100TL)為例,在運行過程中光伏組件的漏電電流值在1-30mA/KWp范圍內(nèi),。

  光伏組件中的故障電流

  在并網(wǎng)應(yīng)用的光伏電站中,,只能使用電池片與邊框有可靠絕緣的光伏組件,。組件要具有雙倍或超強的絕緣措施,并且要充分考慮光伏組件的系統(tǒng)耐壓性,,以保證即使在光伏系統(tǒng)運行狀態(tài)下也可以觸摸組件表面,,不會造成危險。目前,,所有的光伏組件可以達(dá)到Ⅱ級防護,,在選擇時并沒有太嚴(yán)格的限制。

  如上所述,, 對于無變壓器型逆變器,,在運行時光伏組件上的電壓可以是疊加了交流電網(wǎng)的同步電壓值。當(dāng)觸摸組件表面時,,可能會產(chǎn)生對地的故障電流,。如果組件的絕緣足夠好,一般來說很難有這樣的電流產(chǎn)生,。但是,,故障電流放電的強度會隨一些條件的變化而增加,如光伏電池距離縮短(這種情況下透明玻璃或塑料板厚度減少),、接觸面積增加等,。比如:由于清潔光伏組件的液體中含有導(dǎo)電物質(zhì),會造成導(dǎo)電面積擴大,,從而導(dǎo)致意外的故障電流,。在這種情況下雖然無法對危險電流預(yù)先檢測,但如果發(fā)生意外會造成一定的危險,。為了避免由此(類似突然從梯子上掉下來等)產(chǎn)生的安全隱患,,也為了避免危險,在建設(shè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)時,,用戶應(yīng)該遵循以下步驟:

  1)將光伏組件的邊框以及其他導(dǎo)電氣部分與接地線連接

  2)在對系統(tǒng)進(jìn)行維護或?qū)夥M件進(jìn)行清理時,,斷開逆變器與電網(wǎng)的連接

  有了這些保護措施,人員安全就能夠得到完全的保障,。設(shè)計精密的無變壓器型逆變器還有額外的保護,,即使超過電氣隔離型逆變器要求的安全標(biāo)準(zhǔn),也勿需擔(dān)心安全問題,。

  在該類型逆變器中,, 要對組件可能產(chǎn)生的DC或AC漏電電流進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測, 一旦產(chǎn)生故障電流( 大于3 0mA) ,, 逆變器立即斷開與電網(wǎng)的連接。然而,,現(xiàn)實應(yīng)用中對故障電流的監(jiān)測比簡單監(jiān)測漏電電流大小更為復(fù)雜,。漏電電流在系統(tǒng)運行狀態(tài)下是隨時變化的,,在并網(wǎng)之前無從得知當(dāng)前的數(shù)值。因此,,在每次逆變器接入電網(wǎng)前,,會檢測光伏組件的絕緣電阻。只有當(dāng)絕緣電阻超過要求的電阻值( 大于1M歐姆)時,,才能證明沒有故障電流注入電網(wǎng),,這時可以連接電網(wǎng)。因此,,識別故障電流不僅通過監(jiān)測漏電電流的增加,,還要通過測量電流的變化率來獲知。所有故障電流監(jiān)控裝置都必須具有漏電電流檢測功能(雙重的),,各監(jiān)測系統(tǒng)必須能夠獨立識別故障電流,。這樣,人身安全就會得到更多的保障,。RCD保護在調(diào)試之后很少或者根本不需要再進(jìn)行人工測試,,但上述保護措施遠(yuǎn)比一般的RCD保護更有效。

  進(jìn)入交流電網(wǎng)的直流分量

  直接與電網(wǎng)并接,,通常會導(dǎo)致直流電直接進(jìn)入交流電網(wǎng),。該直流電成分會影響電網(wǎng)上的設(shè)備( 局域電網(wǎng)變壓器) 的正常運行和RCD的工作特性,同時會使與電網(wǎng)并接的用電器中的變壓器發(fā)生內(nèi)耗,,產(chǎn)生磁飽和,,而這并不是用電器所要求的使用環(huán)境。雖然這種情況不一定會損壞設(shè)備,,但可以引發(fā)啟動電網(wǎng)中防止直流成分的保護設(shè)備工作,。所以,理論上并網(wǎng)型逆變器都設(shè)置有防止直流電進(jìn)入電網(wǎng)的預(yù)防措施(通過50Hz變壓器或電容器進(jìn)入電網(wǎng)),。

  還有一點非常重要,,即逆變器向電網(wǎng)送入直流電的能力不僅僅取決于是否存在隔離變壓器。而與電容器相結(jié)合,,變壓器只是可以在電氣隔離的情況下傳輸功率,。事實上,我們關(guān)心的是電路中的電氣部件向電網(wǎng)輸入直流電流的能力,。對于直接與電網(wǎng)連接的高頻變壓器型逆變器,,普通的逆變橋無論是否有變壓器,都能夠向電網(wǎng)輸送直流電流,。

  對于SMA逆變器,,電容是橋的一部分。變壓器型逆變器的變壓器設(shè)置在橋的電網(wǎng)側(cè),,從而只能向電網(wǎng)提供交流電流(如Sunny Boy 5000TLHC和所有變壓器型逆變器),。

  即使逆變橋發(fā)生故障,,也不可能向電網(wǎng)繼續(xù)送入直流電流。原因是逆變器中串連的兩個雙極繼電器會在這種情況下切斷與電網(wǎng)的連接,,該方案應(yīng)用于所有SMA無變壓器型逆變器,。假設(shè)繼電器失效,橋的短路會造成過流發(fā)生,,逆變器中的過載保護(過載開關(guān))仍會啟動,,并切斷與電網(wǎng)的連接。

  結(jié)論

  采用無隔離變壓器型逆變器的光伏電站,,具有發(fā)電量很高的優(yōu)點,。就安全而言,完全可以與采用物理電氣隔離裝置的發(fā)電站相媲美,。由于內(nèi)部采用了完善的人員保護裝置,,該裝置的驅(qū)動由來自具有自動監(jiān)測漏電電流功能的系統(tǒng)完成,保護能力更加理想,。在設(shè)計光伏電站時,,要充分考慮如下幾點:

  ● 選用絕緣好的光伏組件和電纜(Ⅱ級保護)

  ● 將光伏組件和/或者光伏組件邊框與接地連接

  ● 選用具有完善故障電流檢測、監(jiān)控的無變壓器型逆變器

  ● 注意電容與電網(wǎng)連接時,,需監(jiān)測送入電網(wǎng)的直流分量

  ● 當(dāng)需要在電源接點進(jìn)行故障電流檢測時,,應(yīng)注意組件運行時的漏電電流(如設(shè)置漏電電流監(jiān)測值為100mA或更高)

  ● 在對光伏發(fā)電站進(jìn)行維修時,要斷開逆變器

  由于光伏發(fā)電站投資回收周期主要取決于發(fā)電量,,可見逆變器的轉(zhuǎn)換效率尤為重要,。鑒于SMA系統(tǒng)的條件優(yōu)勢,無變壓器型逆變器將在光伏市場的競爭中占有更加重要的地位,。

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