光伏并网发电系统的分类及其结构.pdf

1 光伏并网发电系统的分类及其结构一．可调度式与不可调度式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（ Uninterruptible Power Supply ， 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。图 .1 不可调度式光伏并网发电系统配置示意图2 图 .2 调度式光伏并网发电系统配置示意图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。二．集中式发电与分布式发电根据光伏并网发电系统的规模和集中程度， 可以将其分为集中式发电系统和分布式发电系统。 集中式发电系统可以看作一个太阳能发电站， 其峰值功率可以达到上兆瓦， 输出电压等级也较高， 可以直接连入中压或高压输电网。 例如上世纪 90 年代在西班牙托莱多建成的兆瓦级太阳能电站， 以及 1999 年在德国慕尼黑建成的与建筑集成的兆瓦级太阳能电站。 截止 2005 年， 世界上最大的太阳能电站是安装在德国 Espenhain 的太阳能电站，装机容量 5.5MWP，由约 33,500 个太阳能电池组件组成，于 2004 年 9 月开始正式运行。3 图 .3 位于德国 Espenhain 的 5.5MWP 太阳能电站单个分布式光伏并网系统容量较小， 一般在几个千瓦以下， 目前在美国、 欧洲和日本得到广泛应用的户用光伏并网系统 （太阳能屋顶系统） 都可以归入此类。20 世纪 90 年代以来，美国先后制定和出台了包括国家光伏发展计划、百万太阳能屋顶计划、 光伏先锋计划在内的众多光伏发展计划。 其中比较著名的是 1997 年提出的 “百万太阳能屋顶计划” 。 它规划到 2010 年为 100 万个美国家庭安装太阳能屋顶， 每个光伏屋顶将有 3kWP-5kWP 的光伏并网系统。 在日本， 截止 2004 财年底安装太阳能屋顶的住宅已经达到 20 万户， 其中仅 2004 财年内就安装了超过 5 万套户用光伏并网系统。在光伏并网系统的早期应用阶段， 其并网发电的主要形式是集中式发电。 即通过数量很多的太阳能电池串联、 并联后， 达到较高的电压和功率等级， 然后使用一个较大容量的并网逆变器将电能输送到电网。这种方法带来一些弊端：（ 1） 需要耐直流高压的电缆连接光伏阵列和并网逆变器。（ 2） 各组串联的太阳能电池的特性差异影响集中式太阳能电池最大功率点跟踪的效果。（ 3）太阳能阵列上串联二极管所带来的损耗。例如， 当串联的太阳能电池组件中某一组件被阴影覆盖， 这一组件不但不能输出功率， 还会成为回路的负载， 影响效率的同时还会引起太阳能电池的局部过热。 工作中的太阳能电池， 某一组件被阴影完全覆盖会导致其内部温度高于环境温度 70 ℃以上， 而其他正常工作的组件温度仅高于环境温度 22 ℃左右 （环境温度为 12 ℃时） ，过热会严重影响太阳能电池的寿命。同样， 并联的太阳能电池阵列中， 某一被阴影覆盖的太阳能电池组件也会影响太阳能电池阵列的整体效率。 虽然它本身仍在输出电能， 但是整个并联输出的4 直流电压会被拉低很多。为了解决直接串并联组成光伏阵列引起的匹配问题， 研究人员提出了一种方案， 该方案中， 每个太阳能电池组件都由一个能量控制电路 （ Generation Control Circuit, GCC ）来控制，这种控制方法减小了发生局部过热的可能。光 伏 并 网 系 统 的 另 一 种 代 表 性 技 术 方 案 是 “ 串 联 型 逆 变 器 ”（ String-Inverter ） 。 即逆变器的输入端为一组串联的太阳能电池组件， 从而可以达到较高输入电压。 但是， 串联的太阳能电池组件内部的局部过热现象仍可能存在。好处是减小了并联情况下二极管上的压降损耗。模块化是上述问题的一个较好的解决方法。 将逆变电路与太阳能电池组件集成到一起。 这样可以完全消除光伏阵列与并网逆变器之间可能的不匹配。 由于每个太阳能电池组件都搭配了自己的逆变电路，局部过热问题得到了很好的解决，从而可以达到相对较高的效率。 基于该方案的模块化结构， 如果集成逆变电路的太阳能电池组件能够实现 “即插即用” 和热插拔功能， 那么系统的扩展和局部调整将会十分安全简便，这也给光伏并网系统的广泛应用带来了方便。三．根据逆变器的拓扑结构和控制方式光伏并网发电系统中的并网逆变器的基本功能是相同的， 即当光伏阵列输出在较大范围内变化时， 能始终以尽可能高的效率将其输出的低压直流电转化成与电网匹配的交流电流送入电网。 光伏阵列输出的大范围变动， 主要原因是白天太阳辐照度的变化，范围在 200W/m2到 1000W/m2之间。大部分并网逆变器都采用了全桥结构的主回路拓扑。换相方式主要有两种，分别是采用以电网 2 倍频率切换的并网换相 （ grid-commutated ） 方法和使用高频逆变电路的自换相（ self-commutated ）方法，如图 4 所示。图 .4 并网逆变器的两种换相方式5 并网换相需要在逆变全桥之前电流波形已经整形成正弦半波； 自换相方式则一般采用 PWM 调制或 Bang-Bang 控制。 并网换相的优点是逆变环节几乎不产生开关损耗。 但是， 由于前一级直流变换器需要能输出正弦半波波形的电流， 因此也可以看作将逆变环节的开关损耗转移到了直流变换环节。含变压器的并网逆变器又分为工频变压器和高频变压器两类。 工频变压器的缺点比较明显，笨重、价格高、绕制麻烦。现在使用较多的是高频变压器，最新的设计已经能将高频变压器磁芯和绕组集成在印制电路板上， 甚至可以不用磁性元件。并网逆变器拓扑设计除了要方便实现最大功率点跟踪外， 还必须考虑以下其他问题：（ 1）成本低。（ 2）效率高。（ 3）寿命达到 25 年左右（太阳能电池组件的一般平均寿命） 。光伏并网发电系统的拓扑结构可以大致分为以下几种：1. 式并网逆变器拓扑考虑光伏阵列输出电压较低的情况， 单级式并网逆变器必须能在一个功率变换环节实现升压、 最大功率点跟踪、 DC/AC 逆变以及光伏阵列和电网之间的电隔离。因此这种拓扑结构必须包括有变压器。图 5 给出了一种单级式并网逆变器的实现方式，称为“双向回扫逆变器”（ Bi-Directional Fly-Back inverter ， BDFB） 。由于主回路具有双向电流导通能力，该逆变器可以保持输出电流的连续状态。图 .5 单级并网逆变器拓扑结构： Bi-Directional Fly-Back inverter 这种拓扑的缺点在于， 电网频率为 50Hz 时， 相比两级和多级拓扑， 光伏阵6 列输出直流母线电容上的 100Hz 纹波电压较大，而减小这些纹波就需要更大的母线电容容值。还有一类单级并网逆变器拓扑，采用全桥逆变后通过工频变压器直接接电网。 由于使用了工频变压器， 而且太阳能电池母线和电网之间没有能量解耦环节，一般认为这种拓扑的效率较低。 可能的解决方案是串联多个太阳能电池组件以达到足够的直流输出电压， 通过全桥逆变和滤波后直接连接到电网， 如图 6 所示 : 图 .6 无工频变压器的单级式光伏并网系统拓扑结构2. 级式并网逆变器拓扑两级式并网逆变器拓扑是采用较多的主回路拓扑结构。 如果逆变器是自换相的，通过在 DC/DC 变换后高压直流母线上并联一个电容，可以很好的实现能量解耦。主回路两级一般包括软开关 DC/DC 变换环节和自换相或电网换相的DC/AC 逆变环节，如图 7 所示。图 .7 两级式并网逆变器拓扑结构框图图 8 给出了一种两级式并网逆变器， 其拓扑与图 7 基本相同， 不同处在于逆变桥除了 4 个开关管外，还增加了两个二极管，串联在桥臂中。这种拓扑有两个优点： 第一， 夜间光伏阵列没有输出时， 电网的交流电压不能通过逆变全桥上的反并联二极管整流到直流母线电容上， 消除了夜间并网逆变器的待机损耗； 第二，逆变全桥两个桥臂工作在不同频率，其中左桥臂为 20kHz-80kHz，起正弦波调制作用，右桥臂为 2 倍电网频率，即 100Hz，起换相作用，这样可以把开关7 损耗降低一半。图 .8 一种改进的两级式并网逆变器拓扑3. 多级式并网逆变器拓扑多级拓扑设计会增加并网逆变器的复杂程度和成本， 但这也给同时实现多种功能带来可能， 包括： 逆变桥低开关频率 （ 100Hz） ； DC/DC 变换器正弦半波输出；光伏阵列与电网之间的能量解耦。 因此多级拓扑设计可以在降低损耗的同时达到很好的最大功率点跟踪特性。一种多级拓扑的并网逆变器拓扑结构如图 9 所示：图 .9 种多级拓扑的光伏并网逆变器结构原理图该光伏并网逆变器有以下一些特点：（ 1）功率点跟踪由辅助电路实现，通过切换开关每 2s 接通辅助电路200us。（ 2） BUCK 电路输出已经整形成为正弦半波。（ 3）半桥升压电路为固定占空比（略小于 50%）驱动，无需外加控制。（ 4）工作频率为 100Hz，只起换相作用。它的缺点也比较明显， 由于采用的是简化的最大功率点跟踪， 不是真正的闭环控制，因此温度变化范围大时最大功率点跟踪效果相对较差，影响效率。如图 10 所示一种多级式拓扑的并网逆变器。 第一级的 BOOST 电路起升压作用。它将太阳能电池输出电压升高到 200V 左右，同时还实现最大功率点跟踪。BOOST 电路中电感上还有一个绕组为辅助电源电路（ Auxiliary Power upply Unit ， APSU）供电。第二级推挽电路控制输出电流波形为正弦半波，同时也实现8 电网和光伏的电隔离。最后一级为 100Hz 逆变器，起换相作用。由于升压比相对较大，三个变换环节中第一环节的 BOOST 电路是整个逆变器中损耗最大的部分。以上几种并网逆变器都实现了相同的功能， 即提高光伏阵列输出电压并逆变到电网。逆变电路为半桥或全桥结构，开关频率从 100Hz 到几十 kHz，其中逆变电路开关频率为 100Hz 的情况是前一级输出电流为正弦半波，逆变电路只需实现换相功能；逆变电路开关频率为高频（几十 kHz 左右）时，前一级变换只需实现直流升压和最大功率点跟踪功能， 这样也减小了对直流母线滤波电容的容值要求。而且，直流输出的 DC/DC 变换器比正弦半波电流输出的变换器所需峰值容量要小一半。图 .10 多级并网逆变器结构原理图表中给出了上述几种拓扑的光伏并网系统各方面特点的综合比较， 从比较中可以看出， 单级式无工频变压器结构和两级式升压逆变结构是相对较好的拓扑设计。各种光伏并网逆变器拓扑比较