离网光伏发电系统对逆变器的要求

    1.离网光伏发电体系对逆变器的要求
 
    太阳能光伏发电是一种将太阳光辐射能直接转化为电能的新式发电技能,太阳光辐射能经过太阳能电池转化为电能,再经能量储存、操控与保护、能量变换等环节,使之可按人们的需求向负载供给直流电能或沟通电能。太阳能电池阵列所发出的电能为直流电,可是大多数用电设备选用的是沟通供电方法,所以体系中需求有逆变器将直流电变换为沟通电以供负载运用。
 
    在离网光伏发电体系中,逆变器的功率将直接影响到整个体系的功率,因而,太阳能光伏发电体系逆变器的操控技能具有重要的研究含义。在逆变器的规划中,一般选用模拟操控方法,然而,模拟操控体系中存在许多缺点,如元器材的老化及温漂效应,对电磁搅扰较为敏感,运用的元器材数目较多等。典型的模拟PWM逆变器操控体系选用自然采样法将正弦调制波与三角载波比较,然后操控触发脉冲,但三角波发生电路在高频(20kHz)时简单被温度、器材特性等因素搅扰,然后导致输出电压中出现直流偏移,谐波含量增加,死区时间改变等晦气影响。高速数字信号处理器(DSP)的发展使太阳能光伏发电体系中逆变器的数字化操控成为可能。因其大部分指令可在一个指令周期内完成,因而能够实现较为复杂的先进的操控算法,进一步改进输出波形的动态性能、稳态性能,并且能够简化整个体系的规划,使体系具有杰出的一致性。
 
    逆变器是一种功率电子电路,能把太阳能电池阵列发出的直流电转化为沟通电为沟通负载供电,是整个太阳能发电体系的要害组件。离网光伏逆变器有两个根本功用:一方面是为完成DC/AC转化为沟通负载供给电能,另一方面是找出最佳的作业点以优化太阳能光伏体系的功率。关于特定的太阳光辐射、温度及太阳能电池类型,太阳能光伏体系都相应有仅有的最佳电压及电流,然后使光伏发电体系发出最大功率的电能。因而,在离网太阳能光伏发电体系中对逆变器提出以下根本要求:
 
    1)逆变器要具有合理的电路结构,严格的元器材筛选,并要求逆变器具备各种保护功用,如输入直流极性接反保护,沟通输出短路保护,过热,过载保护等。
 
    2)具有较宽的直流输入电压习惯规模,因为太阳能太阳能电池阵列的端电压随负载和日照强度而改变,蓄电池尽管对太阳能电池的电压具有钳位效果,但因为蓄电池的电压随蓄电池剩下容量和内阻的改变而动摇,特别是当蓄电池老化时其端电压的改变规模很大,如12V蓄电池,其端电压可在10V~16V之间改变,这就要求逆变器有必要在较宽的直流输入电压规模内保证正常作业,并保证沟通输出电压安稳在负载要求的电压规模内。
 
    3)逆变器尽量减少电能变换的中间环节,以节省成本、进步功率。
 
    4)逆变器应具有较高的功率,因为目前太阳能电池的价格偏高,为了最大限度地运用太阳能电池,进步体系功率,有必要进步逆变器的功率。
 
    5)逆变器应具有较高的可靠性,目前离网太阳能光伏发电体系主要用于边远地区,许多离网太阳能光伏发电体系无人值守和保护。这就要求逆变器具有高的可靠性。
 
    6)逆变器的输出电压与国内市电电压同频、同幅值,以适用于通用电器负载。
 
    7)在中、大容量的离网太阳能光伏发电体系中,逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。因在中、大容量体系中,若选用方波供电,输出将含有较多的谐波重量,高次谐波将发生附加损耗,许多离网太阳能光伏发电体系的负载为通讯或仪表设备,这些设备对电源品质有较高的要求。关于离网太阳能光伏发电体系的逆变器而言,高质量的输出波形有两方面的指标要求:一是稳态精度高,包括THD值小,基波重量相对参阅波形在相位和幅度上无静差;二是动态性能好,即在外界扰动下调理快,输出波形改变小。
 
    8)逆变器要具有必定的过载才能,一般能过载125%~150%。当过载150%时,应能继续30s;当过载125%时,应能继续60s以上。逆变器应在任何负载条件(过载状况除外)和瞬态状况下,都应保证规范的额外正弦输出。
 
    目前,逆变器存在的问题主要是可靠性不高,影响逆变器可靠性的主要因素有电解电容器、光电耦合器及磁性材料。进步逆变器可靠性要从规划方面着手,如下降器材的结温,减少器材的电应力,下降运转电流及选用优质的磁性材料等措施可大大进步其可靠性。若规划中选用第一代磁性材料,如TDK的H35、FDK的H45等,因为这种磁性材料的饱满磁通密度及居里温度点较低,因而在功率较大长时间作业极易出毛病。而选用第三代磁性材料,如TDK的H7C4、FDK的H63B和H45C、西门子的N47和N67,不光能有效地进步转化功率,并且大大进步了逆变器可靠性。
 
    要进步逆变器的功率,就有必要减小其损耗。逆变器中的损耗一般可分为两类:导通损耗和开关损耗。导通损耗是因为器材具有必定的导通电阻Rds,因而当有电流流过期将会发生必定的功耗,导通损耗功率Pc由下式核算:
 
    Pc=I2×Rds
 
    在器材注册和关断过程中,器材不只流过较大的电流,并且还接受较高的电压,因而器材也将发生较大的损耗,这种损耗称为开关损耗。开关损耗可分为注册损耗、关断损耗和电容放电损耗。
 
    注册损耗:
 
    Pon=(1/2)×Ip×Vp×ts×f
 
    关断损耗:
 
    Poff=(1/2)×Ip×Vp×ts×f
 
    电容放电损耗:
 
    Pcd=(1/2)×Cds×Vc2×f
 
    总的开关损耗
 
    Pcf=Ip×Up×ts×f+(1/2)×Cds×Vc2×f
 
    式中:Ip为器材开关过程中流过的电流最大值;Vp为器材开关过程中接受的电压最大值;ts为注册关断时间;f为作业频率;Cds为功率MOSFET的漏源寄生电容。
 
    要减小上述这些损耗,就有必要对功率开关管施行零电压或零电流转化,即选用谐振型变换结构。
 
    2.光伏逆变器的根本规划
 
    光伏逆变器的根本规划规范包括额外电压、容量、功率、太阳能电池能效、输出AC电源质量、最大功率点跟踪(MPPT)效能、通讯特性和安全性。
 
    1)额外电压。光伏逆变器的主要功用是把来自太阳能电池(有时是经过稳压的DC电压)的可变DC电压转化为AC电压以给沟通负载供电。最常用的单相和三相AC电压分别为120V/220V以及208V/380V;而对工业使用来说,480V也很常见。对选定的逆变器拓扑来说,输出AC电压的规模将决定DC母线电压以及每个半导体开关的额外电压。
 
    2)容量。它是光伏逆变器额外功率的另一个说法,该数值在200W(太阳能电池组件集成模块)到数百千瓦之间。容量越大,逆变器的体积越大、价格越高。光伏逆变器的成本以美元/瓦来衡量。就一个恰到好处的规划而言,确定容量时,有必要把浪涌、过载以及接连作业形式等状况考虑在内。
 
    3)功率。每个光伏逆变器都对功率(输出功率/输入功率)提出较高的要求,例如,一个数千瓦逆变器的典型功率要求到达95%以上。基于太阳能电池阵列的能量转化功率相对低(约在15%左右)的现实,所以,就以最小的太阳能电池容量取得最多的输出功率来说,高效逆变器具有十分重要的含义。
 
    4)蓄电池。在逆变器的DC侧加装蓄电池组起着能量缓存器的效果,它能平抑DC电压可能的动摇并把负载还未运用的能量存储起来。
 
    5)输出电能质量。源于逆变器内在的开关形式特性,其AC输出波形并非理想的正弦波,且一般还包括由脉宽调制(PWM)引入的宽规模高频谐波。对许多电子负载来说,这些谐波有害无益。
 
    6)MPPT效能。太阳能电池的输出将遵从其电流-电压曲线中的不同光照条件下的一系列特性曲线,因而,为取得最大功率输出,需对电压进行动态调理。
 
    7)通讯特性。对一个数千瓦的光伏逆变器来说,构建一个用于监控和数据存储的通讯连接很有必要,作为一种通用操控器的微处理器(MCU)很合适该功用。
 
    8)安全性。有两个含义:一是要保证光伏发电体系的安全安稳运转,二是在操作、保护和维修时,保证作业人员应没安全风险。
 
    3.光伏逆变器规划的要害要素
 
    规划光伏逆变器时要考虑的两个要害要素是功率和谐波失真,功率可分成两个部分:太阳能电池的功率和逆变器的功率。逆变器的功率在很大程度上取决于规划运用的外部元件,而不是操控器;而太阳能电池的功率与操控器怎么操控太阳能电池阵列有关。每个太阳能电池阵列的最大作业功率在很大程度上取决于太阳能电池阵列的温度和光照。MCU有必要操控太阳能电池阵列的输出负载,以使太阳能电池阵列的作业功率最大。因为这不是一个数学密集型算法,因而可运用低成本MCU来完成任务。
 
    目前,大多数光伏逆变器只能从太阳能电池阵列的某个最佳方位对太阳能电池阵列的整体功率进行优化。这种优化方法严峻限制了太阳能发电体系的功率。假设光伏体系在非最佳电压及电流水平下运转,体系的功率就十分低,白白浪费收集太阳能的良机。在光伏发电体系中,太阳能电池是由多个串联组在并联后构成的。就像节日灯饰一样,假设串联中的某个太阳能电池发生毛病,就会导致整个太阳能电池组失效。此外,当有局部暗影等遮盖太阳能电池时,这种状况也会发生。
 
    为了处理上述问题,目前太阳能电池都集成了旁路二极管,然后使电流能够绕过被遮盖的失效太阳能电池部份。发动二极管后,它可将电流从头路由,即改道绕过失效的太阳能电池。这样一来,不只浪费了受遮盖太阳能电池的供电潜能,并且会下降整个太阳能电池组的总电压。基于选取太阳能电池最佳作业点的准则,逆变器有必要决定是应该优化受影响太阳能电池串的电压,仍是应该优化其他没受影响太阳能电池组所发生的能量。在大多数的状况下,逆变器都会选择优化没有影响的太阳能电池组,并相应地下降受影响太阳能电池组所发生的能量,甚至是完全关闭受影响的太阳能电池组。所导致的结果是,太阳能光伏发电体系只要出现10%的遮盖,便会使太阳能光伏发电量下降一半。发生这一现象的原因主要是现行的太阳能光伏发电体系并不能与极度敏感的太阳能电池相匹配。因而,需求选用更高智能的技能和产品来开发太阳能。
 
    位于光伏逆变器前端的旁路二极管,严格来说尽管不属于逆变部分,可是作为太阳能发电设备的一部分,关于逆变器运转乃至整个体系的可靠性也至关重要。美高森美新针对此使用推出两款新产品:LX2400和SFDS1045。LX2400融入了最新的散热封装技能(CoolRUNTM工艺),无需散热器,经过10A电流时温升小于10℃。以30年安稳运转为方针的可靠性规划保证了100μA以下漏电流,20A的稳态电流才能和双向抗闪电功用。其最大特点是业界最低温升。SFDS1045是新一代肖特基二极管,也是迄今为止业界最薄的旁路二极管,只有0.74mm厚度并置于玻璃封装之下,特别合适直接使用于太阳能电池阵列。另外其共同的柔韧铜引脚具有卫星使用级别的可靠性。
 
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