非隔离型分布式光伏并网逆变器的研究分析-修改1

供热企业开发新能源的探讨摘要：主要阐述了光伏发电的必然性 , 比较了各种光伏并网发电系统和逆变器结构的优劣 , 提出了对非隔离型并网逆变器未来的展望。关键词：光伏发电；发电系统结构；逆变器结构一、背景供热企业的成本 50%是用电的， 如果能把电的成本降下来是供热企业的唯一出路。能源问题始终是备受世界各国关注的一个热点和难点问题，加快发展风能、太阳能、生物质能等可持续能源是我国“十一五”规划明确提出的任务。目前全世界对各能源物质的利用还是以煤炭、 石油等不可再生能源为主。 然而这些能源已日渐枯竭， 同时在使用过程中对环境造成的负面影响也不容忽视， 所以， 寻求清洁、可再生的能源势在必行。太阳能、水能、风能等清洁、可再生能源中，太阳能由于总量巨大，可利用量远远超过其他形式的可再生能源，并且在开发过程中，不产生废渣、废水，无噪音，不会影响生态平衡，在不久的将来，必将成为主力能源，有良好的发展前景。太阳能的利用形式主要有三种： 光热利用、 光化学利用和光伏利用。 太阳能热利用的主要形式为太阳能热水器； 太阳能的光化学利用主要包括太阳能光合作用、 太阳能化学储存和太阳能制氢等技术； 当前， 电能为人类能源的最主要的产生、输送和利用形式，所以发展光伏技术迫在眉睫。中国的能源结构以煤炭为主， 品种单一， 利用时对环境污染严重， 而利用太阳能的光伏技术恰恰能解决能源短缺、 利用时对环境污染大的问题， 所以国家重点扶持困顿的光伏企业。 我国有充沛的太阳能资源可供利用， 所以， 发展光伏技术， 符合科学发展观的要求， 满足可持续发展的战略。 按照十二五规划， 至 2015年底，中国太阳能发电装机容量达到 21GW以上，年发电量达到 250 亿千瓦时。据报道，十二五规划太阳能装机容量可能会达到 40GW。由此可见光伏发电将成为时代潮流。二、光伏并网发电系统的结构现有的光伏发电系统主要有集中式和分布式两种。集中式光伏发电系统是最早投入实际使用的构成方式， 其容量一般在几十到几百千瓦， 这种系统的构成是将大量的光伏组件先串联到较高的电压等级， 再通过二极管并联到一定的容量后通过集中逆变器并网。 集中式系统最主要的优点是采用单级逆变拓扑，效率高，系统功率大。然而集中式系统有其明显的缺陷：单个光伏阵列利用率低、 系统抗局部阴影能力差、 高直流母线电压、 存在复杂的稳定性问题、 光伏组件之间容易不匹配， 增加额外损耗、 不能快速响应电力负荷的变化、 维护困难、 难以普及。 一般应用于大容量的地面光伏电站和大型建筑物的光伏屋顶和幕墙。分布式光伏发电系统则较好地解决了上述问题。根据美国 1978 年在公共事业管理政策法中公布的内容， 分布式发电系统定义为： 为满足特定用户需要或支持现有配电网的经济运行， 以分散方式布置在用户附近， 发电功率为数 kW— 50MW的小型模块式且与环境兼容的独立电源， 它是与传统供电模式完全不同的新型供电系统。由于分布式发电可以就近发电，就近并网，就近转换，解决了远距离输电损耗的问题， 所以提高了同等规模发电站的发电量。 另外， 由于发电系统之间相互独立，每一个光伏组件都具有独立的 MPPT最大功率跟踪系统，所以可以提高整体系统效率， 并且可靠性更高。 最后， 分布式发电还具有缓解局部用电紧张，允许发电用电并存，污染小，环保效益高等优点。三、光伏并网逆变器的结构另一方面根据逆变器是否带有变压器可以分为隔离型和非隔离型两种结构。其中隔离型逆变器还可分为工频隔离并网逆变器和高频隔离并网逆变器。带工频变压器的并网逆变器先通过 DC/AC 变换，将光伏电池的直流电能转化为交流电能， 然后通过工频变压器和电网连接， 来实现电网和电池板电气隔离，保障人身安全， 同时可以提供电压匹配和进网电流直流分量抑制。 但是， 低频变压器增加了系统体积、 重量和成本， 降低了变换效率。 带工频隔离的并网逆变器一般应用于大功率或较大功率的三相和单相系统，效率一般在 94%~96%。工频隔离变压器的体积、 重量和成本等方面的劣势限制了其在中小功率光伏并网逆变器中的应用，通过在 DC/AC 变换环节中插入高频隔离变压器同样可以实现电网与电池板电气隔离和电压匹配， 同时可以大幅降低变压器的体积、 重量和成本。高频隔离变压器的插入极大地丰富了中小功率并网逆变器的拓扑形式，广泛应用于家庭单相光伏并网场合， 同时也使得系统变换环节更复杂， 系统效率受到影响，一般为 90%~95%。高频隔离并网逆变器虽然体积小、质量轻、价格低，但是它的效率也只有90%~95%。由于光伏并网逆变器的好坏决定了整个光伏系统的发电效率，安全程度，以及并网电流的品质。因此，高效、可靠、具有较宽输入电压适应范围，能够在大容量系统中工作且失真度较小的逆变器对于光伏发电系统具有重要意义。所以，体积小、质量轻、价格低廉、效率高的非隔离型并网逆变器相比之下具有很大优势。非隔离型并网逆变器结构不含变压器 ( 高频和低频 ) ， 拥有变换效率高， 体积、重量和成本低等优势。由于系统最高变换效率达到 98%以上，迅速得到各国科研人员的重视和工业界的追捧， 首先在欧洲国家得到应用。 目前， 除了美国市场禁止使用非隔离型光伏并网逆变器之外， 其它国家和地区均对非隔离型并网逆变器表现出了极大兴趣。四、 非隔离并网逆变器的技术问题非隔离型并网逆变器在带来效率高、 体积小、 重量轻和成本低等优势的同时，由于未将光伏板与电网隔离， 使得光伏板和电网系统之间有了电气连接， 由此产生了对地漏电流，造成负面影响。光伏并网系统中的发电单元为太阳能电池板或者称为光伏阵列， 由于其具有大面积平面结构特点，在其输出端子与地之间具有很大的分布电容，空气湿度、表面污垢等因素会影响分布电容的大小。 在非隔离型光伏发电系统结构中， 存在于回路中的共模电压通过光伏板和分布电容于地形成回路产生共模电流。 高频漏电流的产生会带来传导和辐射干扰、进网电流谐波及损耗的增加 , 甚至危及设备和人员安全， 即如果用手触碰光伏发电板可能触电。 因此， 共模电流的消除成为了非隔离式并网逆变器得以普及必须跨越之障碍， 成为了光伏并网逆变器的研究热点之一。目前已有关于抑制对地漏电流的相关研究， 解决策略主要在逆变器拓扑和控制方面对对地漏电流进行抑制， 根本出发点是要保持共模电压的稳定。 因分布电容上的电流满足 cdui C dt ，保持共模电压的稳定能够有效抑制对地漏电流。在相关的研究论文、期刊中，提出了多种拓扑结构： H桥拓扑、直流旁路拓扑、交流旁路拓扑（ Heric ） 、 H5拓扑、 NPC拓扑及其 Conergy NPC拓扑、 Active NPC拓扑。这些拓扑结构均在保持共模电压不变上达到了预期的效果。目前非隔离型光伏并网逆变器产品技术掌握在少数几个厂商手中， 由于掌握了先进的专利技术， 相关厂家占据了很大的光伏逆变器市场份额。 为了突破技术与市场的限制， 研究具有自主知识产权的高效率、 低漏电流的非隔离型光伏并网逆变器拓扑与调制技术具有很强的现实意义。五、总结传统的煤炭、 石油等一次能源是不可再生的， 终归要走向枯竭。 提高能源利用效率、 开发新能源、 加强可持续能源的利用， 是解决经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、 能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。光伏发电利用经过近 20 年的快速发展在技术和市场均获得巨大进步，但相对其他新能源如风能、 水能等发电成本仍然很高， 严重制约了光伏发电在发展中国家的普及利用。在当前太阳能电池成本降低受技术因素制约的情况下， 如何提高电池输出电能到最终用户端的效率是电力电子技术面临的一大挑战， 这也将是供热企业的发展趋势。参考文献：[1] 高领军，小功率非隔离型光伏并网逆变器的研究，华北电力大学， 2012；[2] 肖华锋，光伏发电高效利用的关键技术研究，南京航空航天大学， 2010；[3] 张犁，孙凯，冯兰兰，邢岩，徐明 , 一种低漏电流开关非隔离全桥光伏并网逆变器，中国电机工程学报， 2012 第 32 卷 15 期；[4] 马琳， 无变压器结构光伏并网逆变器拓扑及控制研究， 北京交通大学， 2011；[5]Wacynczuk,O.;Anwah, N, AModeling and Dynamic Performance of a Self-Commutated Photovoltaic Inverter System[J]. IEEE Power Engineering Review, 1989,9(9):33-34 ；[6] 张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计 [M] ，电子工业出版社， 1999；