光伏并网逆变器原理

合肥阳光电源有限公司合肥阳光电源有限公司 研发中心研发中心 李维华李维华 2009.07.13 第二讲第二讲 :光伏并网逆变器原理光伏并网逆变器原理 一、常见光伏并网逆变器的拓扑结构 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.1 效率 2.2 直流输入电压适应范围 2.3 可靠性（保护配置方式和种类） 2.4 并网电流谐波 2.5 逆变控制策略 2.6 最大功率点跟踪方式 2.7 锁相技术特点 2.8 孤岛效应检测技术 2.9 监控软件和附件 三、 阳光电源相关产品介绍 四、 相关业绩 报告内容 • 光伏并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变器、计量装置及配电系光伏并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变器、计量装置及配电系 统组成。统组成。 • 太阳电池产生直流电能。太阳电池产生直流电能。 • 通过光伏并网逆变器直接将电能转化为与电网同频、同相的正弦波电通过光伏并网逆变器直接将电能转化为与电网同频、同相的正弦波电 流，馈入电网。流，馈入电网。 一一 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 •直接逆变系统直接逆变系统 •工频隔离系统工频隔离系统 一一 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 • 高频高频 隔离系统隔离系统 • 多多 DC-DC（（ MPPT）、）、 单逆变系统单逆变系统 • 高频升压不高频升压不 隔离系统隔离系统 一一 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 1.1 直接直接 逆变系统逆变系统 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 直接逆变系统的优缺点直接逆变系统的优缺点 优点：优点： •省去了笨重的工频变压器：省去了笨重的工频变压器： 高效率（高效率（ 97%）） 、重量轻、结构、重量轻、结构 简单简单 。成本低。。成本低。 缺点：缺点： (1)太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压，太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压， 对人身安全不利。对人身安全不利。 (2) 直流侧太阳电池直流侧太阳电池 MPPT电压需要大于电压需要大于 350V。这对于太阳电池组。这对于太阳电池组 件乃至整个系统的绝缘有较高要求，容易出现漏电现象。件乃至整个系统的绝缘有较高要求，容易出现漏电现象。 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 1.2 工频工频 隔离系统隔离系统 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 优点：优点： • 使用工频变压器进行电压变换和电气隔离，具有以下优点使用工频变压器进行电压变换和电气隔离，具有以下优点 ：结：结 构简单构简单 、可靠性高、抗冲击性能好、安全性能良好、直流侧、可靠性高、抗冲击性能好、安全性能良好、直流侧 MPPT电电 压等级一般压等级一般 在在 200V-800V。。 缺点：缺点： (1)系统效率相对较低。系统效率相对较低。 (2)笨重。笨重。 工频隔离系统的优缺点工频隔离系统的优缺点 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 1.3 高频高频 隔离系统隔离系统 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 优点：优点： •同时具有电气隔离和重量轻的优点，系统效率在同时具有电气隔离和重量轻的优点，系统效率在 93％左右。％左右。 缺点：缺点： (1)由于隔离由于隔离 DC/AC/DC的功率等级一般较小，所以这种拓朴结构的功率等级一般较小，所以这种拓朴结构 集中在集中在 5KW以下；以下； (2)高频高频 DC/AC/DC的工作频率较高，一般为几十的工作频率较高，一般为几十 KHz,或更高，系或更高，系 统的统的 EMC比较难设计；比较难设计； （（ 3)系统的抗冲击性能差。系统的抗冲击性能差。 高频隔离系统的优缺点高频隔离系统的优缺点 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 1.4 高频升压不高频升压不 隔离系统隔离系统 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 优点：优点： •和第一种拓朴结构类似，由于省去了笨重的工频变压器，所以可和第一种拓朴结构类似，由于省去了笨重的工频变压器，所以可 以带来以下优点：高效率、重量轻。同时加入了以带来以下优点：高效率、重量轻。同时加入了 BOOST电路用于电路用于 DC/DC直流输入电压的提升，所以太阳电池阵列的直流输入电压范直流输入电压的提升，所以太阳电池阵列的直流输入电压范 围可以很围可以很 宽（宽（ 150V-450V）。这种拓扑结构越来越成为市场的主流）。这种拓扑结构越来越成为市场的主流 。。 缺点：缺点： (1)同样，太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电同样，太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电 网电压。网电压。 (2)使用了高频使用了高频 DC/DC，， EMC难度难度 加大。加大。 高频升压不高频升压不 隔离系统的优缺点隔离系统的优缺点 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 优点：优点： •同高频不隔离系统同高频不隔离系统 •由于具有多个由于具有多个 DC-DC电路，适合多个不同倾斜面阵列接入，即阵列电路，适合多个不同倾斜面阵列接入，即阵列 1～～ n可以具有不同的可以具有不同的 MPPT电压，十分适合应用于光伏电压，十分适合应用于光伏 建筑。建筑。 N一般一般 为为 2或或 3。。 缺点：缺点： •同高频不隔离系统同高频不隔离系统 1.5 多多 DC-DC（（ MPPT ）、单逆变系统）、单逆变系统 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 采用工频变压器隔离的大功率三相并网逆变器系统采用工频变压器隔离的大功率三相并网逆变器系统 10-500KW 1.6 三相并网逆变器三相并网逆变器 采用工频变压器采用工频变压器 的技术方案的技术方案 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 2005年 全球 1818MW 光伏组件 其中并网逆变器市场为 60亿人民币 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 1.7、产业情况 全球生产逆变器的著名厂商大约有 20家： ● 德国 SMA ● 荷兰 Mastervolt ● 奥地利 Fronius ● 德国 conergy ● 德国 KACO ● 日本 Sharp ● 加拿大 Xantrex ● 瑞士 Asp ● 西班牙 Ingeteam 其它如京瓷、三菱、 Satcon、 Solarmax、 delta、 Sunways 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 典型产品介绍： 3KW — 6KW KACO（ 直接逆变）SMA（ 工频隔离） 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 Mastervolt（ 高频隔离） SHARP（ Boost 升压） 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 西门子 750KW 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 Satcon 公司 500KW Xantrex 500KW 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 SMA 1000KW 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构常见光伏并网逆变器的拓朴结构 光伏并网逆变器中常用的效率概念：光伏并网逆变器中常用的效率概念： 最大效率最大效率 ηmax ：： 逆变器所能达到的最大效率逆变器所能达到的最大效率 欧洲效率欧洲效率 ηeuro ：： 按照在不同功率点效率根据加权公式计算按照在不同功率点效率根据加权公式计算 加州效率加州效率 ηcec：： 按照不同功率，不同直流电压点效率计算按照不同功率，不同直流电压点效率计算 MPPT效率效率 ηmppt：： 反应逆变器最大功率点跟踪的精度反应逆变器最大功率点跟踪的精度 整机效率整机效率 ηtot：： 在某个直流电压下在某个直流电压下 ηeuro 和和 ηmppt 乘积乘积 2.1 转换效率 二、光伏并网逆变器相关技术要点 SG100K3的效率：的效率： 最大效率 ηmax ： 96.27% 欧洲效率 ηeuro ： 95.38% SG5K的效率：的效率： 最大效率 ηmax ： 94.7% 欧洲效率 ηeuro ： 94.2% 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.1 转换效率 2.2 直流输入电压范围 二、光伏并网逆变器相关技术要点 具体设计系统串联数时综合考虑以下几个因素： • 温度的影响：需要保证在夏天和冬天的 MPPT范围 • 效率的影响：尽量考虑逆变器的最优效率工作点 • 导线的损耗：电压越高，损耗越少。 概念： 1. MPPT工作电压范围：逆变器 MPPT的搜索范围 2. 直流电压范围： 系统能够工作的最低电压至最高电压 3. 最高系统开路电压： 系统能承受的最高直流电压 举例如下： SG100K3: 450V~880V DC，一般推荐阵列开路电 压配置为 700V左右。（ 44V开路电压为 16串） SG 5K: 220V~ 780V DC ，一般推荐阵列开路 电压配置为 530V左右。（ 44V开路电压为 12串） 2.2 直流输入电压范围 二、光伏并网逆变器相关技术要点 保护类型：保护类型： • 电网电压过欠压电网电压过欠压 • 电网电压过欠频电网电压过欠频 • 交流短路保护交流短路保护 • 孤岛效应保护孤岛效应保护 • 逆变器过热保护逆变器过热保护 • 直流极性反接保护直流极性反接保护 • 逆变器过载保护逆变器过载保护 • 逆变器对地漏电保护逆变器对地漏电保护 2.3 可靠性（保护配置方式和种类） 二、光伏并网逆变器相关技术要点 SG100K3: 3% 在额定负载时 SG5K: 4% 在额定负载时 2.4 输出正弦波失真度 电网对于并网发电系统的谐波要求很高， 按照目前光伏并网逆变器的相关国际标准要求 ：一般在额定功率时，要求并网电流谐波 5%。 二、光伏并网逆变器相关技术要点 光伏并网逆变器控制系统结构框图 MPPT环 最大功率跟踪 直流电压外环 直流电压稳压 交流电流内环 快速跟踪电流 限流控制 交流电压前馈 实现 无差拍电流控制 2.5 逆变控制策略 二、光伏并网逆变器相关技术要点 1. 核心控制思想是通过对直流电压的扰动，判断直 流功率的变化，从而搜索到最大功率点。 2.6 最大功率点跟踪（ MPPT） 2.具体的方法： • 采用精度高于 0.1％的电能专用采样芯片 二、光伏并网逆变器相关技术要点