浅析光伏逆变器的技术发展路线

浅析光伏逆变器的技术发展路线摘要 本文简要分析了 光伏 逆变器的技术发展路线，重点分析了未来逆变器技术发展的和方向，给出了微电网逆变器的技术特点和典型应用案例，最后简要介绍了北京昆兰新能源技术研发的基本情况。关键词 光伏逆变器 微电网 北京昆兰在光伏产业兴起之前，逆变器或者逆变技术主要被应用到了如轨道交通，电源等行业。当光伏产业兴起之后，光伏逆变器变成了新能源发电系统中的核心设备，随之被大家所熟悉。尤其在欧美发达国家，由于节能环保观念深入人心，光伏市场开展的较早，特别是家用光伏系统发展迅速，在很多的国家，家用型逆变器已经被当做家用电器在使用，普及率较高。光伏逆变器把光伏组件产生的直流电转换成交流电后馈入电网，逆变器的性能和可靠性决定着发电的电能质量和发电效益，因此光伏逆变器在整个光伏发电系统里处于一个核心地位。一般而言，从逆变器和电网的关系来进行分类，光伏逆变器会分为以下几个主要的类别并网（ Grid-connected ）逆变器离网 Solo 逆变器双向 Bi-direction 逆变器微网 Smart grid 逆变器其中，并网逆变器在所有类别中占据了主要的市场份额，也是所有逆变器技术发展的一个开始。相对于其它几类逆变器，并网逆变器从技术上相对简单，重点关注光伏输入和电网输出，能够安全、可靠、高效、高质量的输出电能成为了这类逆变器重点衡量的技术指标。 在不同国家制定的光伏逆变器并网技术条件中，以上几点成为了标准的共性衡量点，当然细节的参数有所不同。针对并网型逆变器，所有的技术要求都是围绕着满足电网对分布式发电系统的要求展开的，更多的要求来自于电网对逆变器的要求，即自上而下的要求，如电压，频率规格，电能质量要求，发生安全，故障时候的控制要求。以及如何并网，并入什么电压等级的电网等等要求，因此并网型逆变器总归是要满足电网的要求即可，它没有来自于发电系统内部的要求。而且从技术上而言，非常重要的一点是并网型逆变器是“并网发电”，即符合并网条件即发电，它不承担电网本身的稳定性，安全性等问题，也不涉及到光伏系统内的能源管理问题，因此它是简单的。就像它产生的电的商业模式一样来的简单。据国外的统计数据，目前已经建设并运行的光伏系统中，大约有超过 90都是光伏并网系统，都采用的是并网逆变器，为了清晰的说明以上观点，请参考下面的并网型光伏电站系统图。图 1 并网型光伏电站系统图和并网逆变器相互对立的一类逆变器就是离网逆变器。离网型逆变器指的是逆变器输出不和电网相联，而是和负载相联，直接带动负载供电。离网逆变器应用是较少的，主要在一些偏远地区，不具备并网条件，并网条件差，或者有自发电，自用电需求的场合下，离网系统强调的是“自发自用”。离网逆变器由于应用少，因此在技术上研究、发展的都很少。在国际上关于离网逆变器的技术条件，标准也很少，这就导致了该类逆变器研究，开发的越来越少，呈现萎缩的态势。但离网逆变器所具有的功能，涉及到的技术却并不简单，特别是和储能电池的配合，整个系统的控制和管理都比并网型逆变器要复杂。应该说，由离网逆变器，光伏板，蓄电池，负载等其它设备组成的系统已经是一个简单的微电网系统，唯一一点是该系统不和电网相联，是一个“孤岛系统”。事实上，离网逆变器是双向逆变器发展的一个基础，双向逆变器实际上是综合了并网逆变器和离网逆变器的技术特点，应用在局部供电网络或者发电系统和电网并联使用的场合。这类应用虽然目前不多，但因为该类系统是微电网发展的雏形，符合未来分布式发电的基础架构和商业运行模式，因此在技术上属于承前启后的一个角色，即在当前并网型应用和未来局部微电网应用之间的桥梁作用。事实上，目前在一些光伏发展较快，较为成熟的国家和市场，以家庭、小型区域为单位的微电网应用已经在开始慢慢发展了。同时，当地政府鼓励以家庭为单元发展局部发电、储电、用电的网络，以新能源发电自用优先，不足部分取自电网。 因此双向逆变器需要考虑更多的控制功能和能源管理功能， 如蓄电池充放电控制， 并网 / 离网运行策略，负载可靠供电策略等。总而言之，双向逆变器将更多的从整个系统的角度担当重要的控制和管理功能，而不单一的只考虑电网的要求或者负载的要求。作为电网发展的方向之一，以新能源发电为核心构建的局部发电、配电、用电网络将是未来微电网主要发展的方式之一。在这种模式下，局部微电网将和大电网形成一种互动的关系，微电网将不再是紧密依靠大电网运行，而更多的以独立运行的方式，即孤岛方式在运行。以满足区域的安全，可靠用电优先，只有在局部电力富裕或者需要从外部电网取电时，才形成并网运行的模式。目前，由于各方面的技术，政策等条件不成熟，微电网并没有大规模的得到应用，只有少量的示范项目在运行，而且这些项目中，以并网运行的模式居多。 微网逆变器是结合了双向逆变器的技术特征， 同时担当重要的电网管理功能， 是典型的逆变、控制和管理为一体的综合控制逆变一体机。它承担着局部能量管理、负荷控制，电池管理，逆变，保护等功能， 将和微电网能源管理系统 MGEMS一起完成对整个微电网的管理功能， 将是构建微网系统的核心设备。和逆变器技术发展中最开始的并网逆变器相比，已经脱离了单纯的逆变功能，而承载了微电网管理和控制的功能，从系统层面关注和解决一些问题。图 2 展示的是我公司合作的微点网项目系统配置图，该系统具有一定的典型性，是由柴油发电机担当基本供电单元，可再生能源发电作为补充。由我公司提供储能型逆变器，提供双向逆变、变流、电池充放电，微电网管理系统对整个微电网进行管理，接触器 A,B,C 都是受控于微电网管理系统，能够在孤岛运行时根据电力供应切断非重要负荷，维持微电网的稳定和重要负荷的安全运行。图 2 一种微电网应用系统目前各逆变器厂商主要供应并网型逆变器，少量的离网逆变器和双向逆变器，只有极少的国内外大厂商推出了面向微电网应用的微网逆变器。而且这类逆变器由于缺乏相关的技术标准，认证标准，还存在着各家的产品功能差异大，技术水平差异大的特点。特别是在家用型微电网产品上，只有欧洲几个技术领先的厂商如德国的 SMA， KACO等有少量的产品，国内厂商还没有推出相应的产品。北京昆兰新能源技术有限公司在小型家用型、 商用型逆变器技术上处于国内领先的地位， 其 Sunteams1-5Kw在国际市场上累计销售了 6 万多台，产品质量和性能得到了市场的广泛验证和客户的高度认可。北京昆兰已经形成了功率等级从 1.5kW 到 1MW的完整的并网逆变器产品线，正在规划和研发面向微电网应用的储能双向逆变器。北京昆兰继续领跑国内的逆变器技术研发，为国内外的客户提供高性能的逆变器产品和高质量的服务，为绿色能源的发展贡献更大的力量 作者简介韦安，男，中科院自动化研究所博士毕业， IEEE 会员，曾担任西门子楼宇科技集团亚太研发中心主任工程师， 新奥集团能源服务有限公司技术中心负责人， 在国际， 国内相关期刊杂志发表论文 10 多篇，拥有发明专利 3 项，软件著作权 2 项，出版专著一部。