光伏发电技术新进展

信息时间：2015-10-29 信息来源：

西安理工大学 孙向东

一、光伏逆变器产业情况




•2014年，国内全年实际完成光伏装机约10-11GW。近日，国家能源局征求意见稿中提到2015年计划新增光伏装机容量15GW，较2014年度同比增加约7.14%，其中大型地面光伏电站8GW，分布式光伏系统7GW。截至2015年6月底，我国光伏发电装机容量已达3578万千瓦。2015年中国的光伏产业呈现逆势增长态势，中国光伏产品出货量依旧占据全球总量的七成以上。   

国内光伏逆变器厂家

国内一大批企业从无到有、从若变强，给光伏产业带来翻天覆地变化。

大功率逆变器代表品牌：阳光电源、特变电工、艾默生、南车时代电气、北京科诺伟业、京仪绿能、南京冠亚、西安爱科等

中功率逆变器代表品牌：华为、阳光电源、兆伏爱索（SMA）、山亿新能源等。 

小功率逆变器代表品牌：苏州欧姆尼克、深圳古瑞瓦特、山亿新能源、阳光电源等 

功率优化器代表品牌：国内尚没有代表品牌，未形成市场 

微型逆变器代表品牌：浙江昱能、上海英伟力、青岛北电等  

二、阴影抑制技术




◆采用MPPT优化器方案（从光伏组件角度）

小功率MPPT优化器——直流模块（DC MODULE）也是最具发展潜力和市场应用

前景的发展方向之一。

在光伏建筑集成发电系统、城市居民发电系统、中小规模光伏电站有其独特的优势。

高频化、小型化、模块化，需多个MPPT优化器串联后通过统一逆变器连接电网，存在成本问题。

基于并联型MPPT优化器的光伏发电系统 

每块光伏电池板拥有一个独立的DC/DC变换器，然后多个 module电路进行并联，共用一个并网逆变器。该电路在解决阴影、不同规格以及不同朝向等引起的失配问题的同时，也兼顾了系统成本。

基于串联型MPPT优化器的光伏发电系统 




◆采用光伏微逆变器方案（从光伏组件角度）

小功率光伏并网逆变器——微逆变器（AC MODULE）是最具发展潜力和市场应用前景的发展方向之一。

微逆变器在光伏建筑集成发电系统、城市居民发电系统、中小规模光伏电站有其独特的优势。

高频化、小型化、智能化、模块化，但存在成本问题。市场主要在美国。

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微型逆变器分类







光伏微型逆变器

电路由光伏电池组件、输入滤波器、推挽正激变换器、输出滤波器、极性反转桥等五部分组成。

该拓扑属于准单级结构，前级推挽正激变换器用来实现电气隔离和升压功能，后级逆变器进行极性反转, 滤波后得到高质量的正弦电流。




功率解耦技术

1、光伏电池输出侧解耦 

★光伏电池和解耦电路串联 

★光伏电池和解耦电路并联 

2、微逆直流母线上的功率解耦 

3、三端口解耦 

    直流母线解耦电容由8800μF降为2200μF




三、注入电网电流谐波抑制技术

弱光情况下电流谐波问题

    弱光情况下，光伏阵列输出功率较低，逆变器并网电流THD通常大于5%，此时，分布式光伏发电系统成为电流谐波源。

多台光伏逆变器并联后，电流谐波叠加问题

   分布式光伏发电系统一般包括几台到几十台并联逆变器，多个逆变器通过一个接入点并入电网，各个逆变器输出电流将会相互影响，相互作用，特别是各次电流谐波可能存在互相叠加问题，易导致电网振荡，同时电能质量下降，对用电负荷有影响。

解决措施

√从并网电流控制策略入手

◆同步旋转坐标系下的电流PI解耦控制+电网电压前馈控制

电流控制策略需考虑正负序电流分量分别处理。




◆准PR控制




准PR控制在两相静止坐标系中进行电流闭环控制，不受电网波动影响，对相应次谐波电流进行抑制，对工频电流进行滤波。

◆重复控制



r为需跟踪的重复性信号，y为输出信号，e为误差信号，d为作用于受控对象上的重复性扰动信号，由内模对误差e进行逐周期的累加，起到对既往误差信号的记忆作用，以便在误差消失时控制器仍可以输出合适的控制量。

√从电路拓扑入手

两电平逆变器--》NPC、T型三电平逆变器

LC滤波器--》LCL滤波器

◆采用智能主从结构、相同容量大功率逆变单元并联方案（从光伏阵列角度）

控制系统实时监视光伏电池组件的总输出功率，从而决定实际需要投入的逆变单元数量，提高设备效率以及设备冗余性。由于逆变单元根据实际功率投入运行，逆变单元产生的电流谐波不高，所以可以部分控制系统电流谐波，但存在环流抑制等问题。 

◆采用中小功率光伏逆变器并联方案（从光伏支路角度）

德国70MW电站，其中50MW采用2540 个 REFUSOL 20 KW单体逆变器，20MW采用38 个 REFUSOL 333KW单体逆变器，此配置具有更高的投资回报率。

20 KW单体逆变器:

►无需汇流箱

►直流侧布线简单，分布式就地并网，直流电缆短，交流电缆长

►可直接连接低压电网

►MPPT追踪精度高，年发电量多

►单体故障影响小

►即使弱光条件，电流谐波也较小

◆新型主从互补控制逆变电路 （发明专利201310099605.6、201410088032.1）

由一台大容量带LCL滤波的主逆变器和一台小容量带L滤波的从逆变器以及并网变压器等组成。主、从逆变器可以由三相全桥两电平逆变器、NPC三电平逆变器或者T型三电平逆变器实现。 

系统可以根据光照强弱激活一台或两台逆变器工作。在弱光情况下，主逆变器并网发电，从逆变器以主逆变器输出电流作为补偿对象进行有源滤波，主逆变器的谐波电流在主从逆变器之间流动，使得注入电网电流谐波很小。 

模式A：光照较强，主逆变器处于并网发电模式、从逆变器处于停机模式

条件：主光伏阵列输出功率大于70%主逆变器容量 

模式B：光照较弱，主逆变器处于停机模式、从逆变器处于并网发电模式

模式C：光照一般，主逆变器并网发电模式、从逆变器谐波补偿模式 

条件：主光伏阵列输出功率小于70%主逆变器容量，且光伏阵列总输出功率大于25%主逆变器容量 

四、负载无功补偿技术

对采样的并网电流和负载电流进行变换，电压外环决定有功电流给定，负载无功电流为无功电流给定，经过PI调节得到电压矢量，对逆变器进行控制。

五、光伏微网运行逆变器

可用于微网模式、并网模式、离网模式、电网独立供电模式，可用于分布式微电网系统。在光线较暗或者逆变器故障情况下也能为本地负载供电。




并网模式时，采用前馈网络、反馈矫正网络与瞬时无功理论相结合的新型锁相方法，实现基于内模原理的电流控制算法，保证逆变电源并网电流的正弦度高，谐波含量低，功率因数高。采用频率正反馈扰动的检测算法，使系统能够准确地侦测孤岛效应。采用软启动技术实现软并网过程，采用软停机技术实现软脱网。

离网模式时，基于光伏阵列输出功率控制与负载电压有效值控制的外环Vf控制方式，内环采用电流PI控制和负载电压前馈控制相结合的控制方法，实现光伏阵列输出功率与负载电压协调控制。

微网运行模式时，并网模式、离网模式间平滑切换，完成PQ控制方式与VF控制方式间平稳转换。

六、展望

目前技术水平

•逆变器最高转换效率为97%至99.15%；MPPT效率为98%至99.9%；

•单机最大功率2.5MW，电路结构目前以IGBT模块并联的两电平为主，少量采用三

电平逆变器并联技术，冷却方式风冷为主，少量采用热管散热器，将来也可能采用蒸发冷却技术；

•目前电站电压等级在1000V以内，将来可能是1500V。 

大小功率机型市场之争

•小功率逆变器在部分新兴市场应用中有优势，大功率逆变器在大规模地面应用中综

合表现更出色。

•用发展的眼光看待大小功率逆变器的应用。小功率逆变器在走大功率逆变器几年前

走过的提升单机功率的必经之路。

•大功率逆变器由单个MPPT发展为多个MPPT跟踪能力，模块化大功率并联结构产

品在综合优势方面更明显。

•集光伏发电、谐波补偿、无功补偿、储能技术等多功能于一体的光伏逆变器将是重

要的发展方向。