太阳能光伏并网系统拓扑概述

光伏并网系统拓扑概述目前， 光伏发电系统主要有独立运行模式和并网发电模式两种。 在这里主要以并网发电模式为重点介绍。 光伏并网发电系统是指将光伏阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅值、 同频、 同相的交流电，并实现与电网连接的系统。1.1 可调度式与不可调度式系统目前常见的光伏并网发电系统， 根据其系统功能可以分为两类： 一种为不含蓄电池的“不可调度式光伏并网发电系统”； 另一种为系统包括蓄电池组作为储能环节的“可调度式光伏并网发电系统”。两者的系统配置示意图如图 1 和图 2 所示。可调度式并网光伏系统设置有储能装置，兼有不间断电源和有源滤波的功能，而且有益于电网调峰。但是，其储能环节通常存在寿命短、造价高、体积笨重以及集成度低的缺点，因此，目前这种形式的应用较少。可调度式光伏并网发电系统与不可调度式相比， 最大的不同是系统中配有储能环节， 通常采用铅酸蓄电池组， 其容量可根据实际需要进行配置。在功能上，可调度式系统有一定扩展和提高，主要包括：(1). 系统控制器中除了并网逆变器部分外，还包括蓄电池充放电控制器，根据系统功能要求进行蓄电池组能量管理；(2). 在交流电网断电时，可调度式系统可以实现不间断电源（ UPS） 的功能， 为本地重要交流负载供电；(3). 较大容量的可调度式光伏并网发电系统还可以根据运行需要控制并网输出功率，实现一定的电网调峰功能。虽然在功能上优于不可调度式光伏并网系统， 但由于增加了储能环节， 可调度式光伏并网系统存在着明显的缺点。这些缺点是目前限制可调度式光伏并网系统广泛应用的主要原因，包括：(1). 增加蓄电池组导致系统成本增加；(2). 蓄电池的寿命较短，远低于系统其他部件寿命：目前免维护铅酸蓄电池在合理使用下寿命通常为 3 到 5 年，而光伏阵列一般可以稳定工作 20 年以上；(3). 废弃的铅酸蓄电池必须进行回收处理，否则将造成严重的环境污染。图 1 不可调度式图 2 可调度式1.2 光伏并网发电系统的结构大多数用电设备以交流供电方式为主， 光伏阵列发出的直流电需用逆变器将其转化为交流电供负载使用。 所以在光伏并网发电系统中， 逆变器起到了关键的作用。 光伏并网发电系统的结构与其功率等级有着密切的关系。 目前光伏并网发电系统常用的结构主要有集中式逆变器、 集成式逆变器、 串型逆变器和多重串型逆变器四种。 其中集中式逆变器主要用于光伏电站， 后三种逆变器则广泛应用于分布式光伏并网发电系统中。1.2.1 集中式逆变器 (Central inverters)集中式逆变器结构主要由光伏阵列、 逆变器及直流母线构成。 它是光伏发电系统最早采用的逆变器形式。 在该系统中所有的光伏器件通过串并联构成一个光伏阵列， 该阵列的能量通过一个逆变器集中转换为交流电，因此称这种结构为集中式逆变器，其构成如图 3 所示。集中式逆变器的优点 ： 输出功率可达到兆瓦级， 单位发电成本低， 主要用于光伏电站等功率等级较大的场合。为了获取足够的功率和电压，它的光伏阵列由光伏模块串、并联构成。但光伏器件的这种串、并联连接方式容易带来了以下的缺点：①同一阵列中光伏器件不仅受串联模块特性的相互影响， 也受并联模块之间特性的相互影响， 因此会影响光伏器件的输出功率，该逆变器对光伏器件的利用率低于其它方式。②光伏阵列中某一个组件被阴影覆盖时， 该组件不仅不能输出功率， 还会成为系统的负载， 引起该组件的发热。实验表明： 在环境温度 12 摄氏度时， 正常工作的组件温度为 22 摄氏度， 而受阴影影响的组件温度可达 70 摄氏度。这不仅降低了系统的输出功率，还会使组件的寿命缩短。另外，这种结构需要高压直流总线连接逆变器与光伏阵列，增加了成本，降低了安全性。合肥阳光电源、 SMA等公司均将 100KW的额定功率定位于集中式逆变器的下限功率。以阳光电源的 SG100K3型光伏并网逆变电源为例，从直流输入端来看，它提供了 6 路直流输入端子。并且在直流输入前端需要外加一个汇流箱才能满足要求，这与逆变器本身的技术参数限制有关。这主要涉及到光伏组件串联条件的限制， 对于 SG100K3型光伏并网逆变电源， 其涉及到光伏组件的重要参数是 Udc 范围 (450-650), 最大跟踪电压范围 MPPT(550-620), 以及最大开路电压范围Uoc(700-780) 。以某公司的多晶硅 170Wp 为例（ STC 条件下， 25 摄氏度， Vmp＝ 35V， Voc＝ 44.5V ， Pm=270W），那么 SG100K3型号逆变器的推荐 Voc 和 Vmp 配置及光伏组件串联的个数的方法为：串联数最小值 n1=V1/Vmp ，使用进一法进行取整， V1 为推荐 MPPT 范围的下限值；串联数最大值 n2=V2/Voc ，使用舍去法进行取整， V2 为推荐 Uoc 范围的上限值。根据上述的计算， 每串光伏组件的串联数应为 16-18 个， 即使选择 18 个， 那么其一串的额定功率也仅为 3.06KW，如果不采用汇流箱，则最大功率不会超过 20KW，不及额定功率的 20%，所以汇流箱是必不可少的。1.2.2 集成式逆变器 (Module Integrated Inverter)集成式逆变器 ( 也叫做交流光伏模块系统 ) 是指把逆变器和光伏模块集成在一起作为一个光伏发电系统模块。集成式逆变器系统的缺点是：功率较低，一般在 50W— 400W。每一个集成式逆变器均有自己的 MPPT电路，可以最大程度的发挥光伏器件的效能。这种逆变器与光伏模块集成在一起的优点是：效率高，不需要直流母线，输出端直接连接到电网上，提高了系统的安全性。图 4 集成式逆变器如图 4 所示，集成式逆变器和它所连接的光伏模块本身就是一个可以独立工作的完整的光伏系统。这个特性给系统的扩充提供了很大的灵活性 : 用户可根据所需要的功率选择相应数目的集成式逆变器。另外， 这种连接方式提高了整个系统工作的可靠性， 即使某个逆变器发生故障， 系统的其它部分也能正常工作。 集成式逆变器还可工作在某些远离电网但需要交流电的应用场合。 但在同等功率水平条件下， 集成式逆变器价格高于其它拓扑， 与大功率逆变器相比效率较低。 由于集成式逆变器的结构限制，一旦逆变器或光伏器件发生故障将会给逆变器的维修和替换带来不便。1.2.3 组串型逆变器 (string Inverter)组串型逆变器是指光伏器件通过串联构成光伏阵列给光伏发电系统提供能量的拓扑结构。 它的优点是可以避免并联模块因电压跌落造成系统不能工作的缺点。图 5 组串型光伏逆变器示意图如图 5 组串型逆变器的原理图所示 : 组串逆变器是基于模块化概念，每个光伏组串（ 1kW-5kW）通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，在交流端并联并网。许多大型光伏电厂使用组串逆变器， 优点是不受组串间模块差异和遮影的影响， 同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况， 从而增加了发电量。 组串逆变器在组串间引入“主 - 从”的概念，使得系统在单串电能不能使单个逆变器工作的情况下， 将几组光伏组串并联在一起， 让其中一个或几个工作，从而产出更多的电能。1.3 拓扑结构概述单级式拓扑和双级式拓扑的选择：以合肥阳光为例：1.5/2.5/4 kw 拓扑示意图5k/6kw 拓扑示意图10k/30k/50kw 拓扑示意图100kw250kw（ LCL 滤波）500kw（ LCL 滤波）250kw tl( 无变压器系列 )500kw tl( 无变压器系列 )