- 三月19日
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光伏系统有很多种并网方式,但通常都要通过电力电子变换器,将直流电变换为交流电并入电网。光伏系统的并网主要是逆变环节,通过对逆变环节的分类,就得到了不同的并网方式。
1.按照输入电源类型分类
当前并网逆变器按照输入电源类型的不同,主要分为两大类:电流型逆变器和电压型逆变器。电流型并网逆变器的特征是在直流侧采用电感进行储能,使直流侧呈现出高阻抗的电流源特性。而电压型逆变器的特征是在直流侧采用电容进行储能,使直流侧呈现出低阻抗的电压源特性。
电流型逆变器的直流侧需串联一个大电感来提供稳定的直流电流输入,但此大电感往往会影响系统的动态响应,因此当前世界范围内,大部分并网逆变器均采用电压型逆变器。通常情况下,电网可视为容量无穷大的交流电压源,可以控制光伏并网逆变器的输出为交流电压源或者交流电流源。若控制并网逆变器的输出为一个交流电压源,则光伏并网发电系统和电网实际上可以认为是两个交流电压源的并联。要保证整个系统的稳定运行,必须严格控制并网逆变器输出电压的幅值与电网同步。在这种情况下,要保证系统的稳定运行,需要采用锁相控制技术。但是锁相回路的响应较慢,不易精确控制并网逆变器的输出电压,而且还可能出现环流等问题,如不采取特殊措施,会导致系统不能够稳定运行,甚至发生故障。因此,光伏并网发电系统通常设计成电压源输入、电流源输出的结构。这样,并网发电系统与电网之间实际上就是交流电流源和电压源的并联。光伏并网逆变器输出电压的幅值可自动钳位为电网电压,同时采用控制技术以实现并网电流与电网电压的相位同步,从而使系统输出的功率因数为1。
2.按照拓扑结构分类
每一种逆变器都有相应的拓扑结构,拓扑结构的不同将影响逆变器的效率和成本,因此选择合适的拓扑结构,对逆变器的设计来说起着十分重要的作用。一般光伏并网逆变器拓扑结构的设计应满足光伏阵列输出电能不稳的要求,如总的谐波失真要小、功率因数接近1、与电网电压同步等。
逆变器的拓扑结构种类很多,按照特性的不同,通常可以从变压器、功率变换级数的角度进行分类。
(1)根据逆变器是否含有变压器及变压器的类型,可以将光伏并网逆变器分为无变压器型、工频变压器型和高频变压器型。
在以上提到的3种逆变器中,工频变压器型在早期的光伏并网发电系统中应用较多,可以看出它是一个单级的逆变系统。在工作时,首先将光伏阵列产生的直流电经逆变器变换成工频低压交流电,再通过工频变压器升压,最后并网或供负载使用。它的特点是电路结构紧凑、使用元件少、控制简单。但是这种结构无法兼顾最大功率跟踪,因此效率不高,且操作可靠性低,同时由于采用工频,使得变压器体积、重量和噪声都比较大。随着并网逆变技术的发展,这种逆变器已逐渐被淘汰。与工频变压器型逆变器相比,高频变压器型逆变器的体积小、重量轻,不过采用这种方式的主电路及其控制都相对复杂。可以看出,这种逆变器在工作时直流电经高频逆变后,再经高频变压器和整流电路得到高压直流电,然后经逆变器和滤波电路与电网连接或供负载使用。无变压器型逆变器由于省去了变压器,体积更小、重量轻、成本相对较低、可靠性高。不过这种逆变器无法与电网隔离。目前并网逆变器的发展以后两种方式为主,其中无变压器型逆变器的研究较多。
(2)根据并网系统中功率变换的级数,并网逆变器可以分为单级式变换和多级式变换两种拓扑结构。
单级式光伏并网逆变系统具有拓扑简单、成本较低的优点。但是这种系统中只存在一个能量变换环节,太阳能最大功率点跟踪、电网电压同步和输出电流正弦度等控制目标要求必须同时得到考虑。在光伏发电系统中,主要的问题是如何提高太阳能电池工作效率,以及提高整个系统工作的稳定性。由于单级式光伏并网逆变系统中只有一个能量变换环节,控制时既要考虑跟踪太阳能电池最大功率点,也要同时保证对电网输出电流的幅值和正弦度,控制较为复杂。目前实际应用的光伏并网系统采用这种拓扑结构的仍不多见。但随着现代电力电子技术以及数字信号处理技术的飞速发展,系统拓扑结构引起的控制困难正在逐渐被克服,单级式光伏逆变系统已成为国内外光伏领域的一个研究热点。
单级式光伏并网系统的结构示意图可以看到,基于逆变器并网的三相单级式光伏发电系统主要由光伏阵列、逆变器和交流电路3部分组成。UPV和IPV是光伏阵列输出电压和电流;UiA和IiA为逆变器输出交流电压相量和电流相量;UgA和IgA分别代表并网点的电压相量和电流相量;M和α分别代表逆变器的幅值调制比和移相角;Lf和Cf分别代表滤波电感和滤波电容,RT、XT、GT、BT分别是升压变压器Г形等值电路参数。
多级拓扑设计会增加并网逆变器的复杂程度和成本,但这也给它同时实现多种功能带来可能,包括:逆变器低开关频率(100Hz);DC/DC变换器正弦半波直流输出;光伏电池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。
一种多级式拓扑的并网逆变器。第一级的Boost电路起升压作用,它将光伏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 Supply Unit,APSU)供电。第二级推挽电路控制输出电流波形为整流正弦波,同时也实现电网和光伏电池的电隔离。最后一级为100Hz逆变器,起换相作用。由于升压比较大,3个环节里第一环节的Boost电路是整个逆变器中损耗最大的部分。
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