无变压器式组串逆变器系统的优越性与可靠性

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，无变压器式组串逆变器已占了主导地位。2）组串式并网逆变器系统具有一定的冗余运行能力，即使某个电池组串或某台并网逆变器出现故障也只是使系统容量减小，可有效减小因局部故障而导致的整个系统停止工作所造成的电量损失，提高了系统的稳定性。同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不良的影响。

1.并网发电系统的主要组成

（1）光伏阵列。

（2）直流防雷汇流箱、交直流防雷配电柜。

（3）并网逆变器、直交流转化。

（4）漏电保护、计量等仪器、仪表。

（5）交流负载。

2.并网逆变器的主要形式

（1）组串式并网逆变器。

组串逆变器是以模块化的概念为基础的，容量一般在1～30kW，每个光伏组串连接一个光伏并网逆变器，在直流输入侧具有最大功率峰值跟踪，交流侧通过并联的方式与电网相连（图5-2）。

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图5-2　组串式结构示意图

许多大型光伏电厂使用组串逆变器。优点是不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，从而增加了发电量。技术上的这些优势不仅降低了系统成本，也增加了系统的可靠性。同时，在组串间引入“主—从”的概念，使得系统在单串电能不能使单个逆变器工作的情况下，将几组光伏组串联系在一起，让其中一个或几个工作，从而产出更多的电能。

最新的概念为几个逆变器相互组成一个“团队”来代替“主—从”的概念，使得系统的可靠性又进了一步。目前，无变压器式组串逆变器已占了主导地位。

组串式并网逆变器主要特点：

1）每路组串的逆变器都有各自的MPPT功能和孤岛保护电路，不受组串间光伏电池组件性能差异和局部遮影的影响，可以处理不同朝向和不同型号的光伏组件，也可以避免部分光伏组件上有阴影时造成巨大的电量损失，提高了发电系统的整体效率。

2）组串式并网逆变器系统具有一定的冗余运行能力，即使某个电池组串或某台并网逆变器出现故障也只是使系统容量减小，可有效减小因局部故障而导致的整个系统停止工作所造成的电量损失，提高了系统的稳定性。

3）组串式并网逆变器系统可以分散就近并网，减少了直流电缆的使用，从而减少了系统线缆成本及线缆电能损耗。

4）组串式并网逆变器体积小、重量轻，搬运和安装都非常方便，不需要专业工具和设备，也不需要专门的配电室。直流线路连接也不需要直流接线箱和直流配电柜等。

5）组串式并网逆变器分散分布于光伏系统中，为了便于管理，对信息通信技术提出了相对较高的要求，但随着通信技术的不断发展，新型通信技术和方式的不断出现，这个问题也已经基本解决。

6）组串式并网逆变器仍然存在串联功率失配和串联多波峰问题。由于每个串联阵列配备一个MPPT控制电路，该结构只能保证每个光伏组件串输出达到当前总的最大功率点，而不能保证每个光伏组件都输出在各自的最大功率点，与集中式结构比，光伏组件的利用率大大提高，但仍低于交流模块式结构。

（2）集中式并网逆变器。

集中式并网逆变器是使输入的多组串的光伏组件通过汇流箱以及直流配电装置转接成一路或几路之后输入到并网逆变器，当一次汇流达不到逆变器的输入特性和输入路数的要求时，还要进行二次汇流。容量一般在30～1000kW（图5-3）。

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图5-3　集中式结构示意图

集中逆变技术是若干个并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用DSP转换控制器来改善所产出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流，一般用于大型光伏发电站（＞10kW）的系统中。最大特点是系统的功率高，成本低，但由于不同光伏组串的输出电压、电流往往不完全匹配（特别是光伏组串因多云、树荫、污渍等原因被部分遮挡时），采用集中逆变的方式会导致逆变过程的效率降低和电能的下降。同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制以及开发新的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高效率。

集中式并网逆变器的主要特点：

1）由于光伏电池方阵要经过一次或二次汇流后输入到并网逆变器，该逆变器的最大功率跟踪（MPPT）系统不可能监控到每一路电池组串的工作状态和运行情况，也就是说不可能使每一组串都同时达到各自的MPPT模式，所以当电池方阵因照射不均匀、部分遮挡等原因使部分组串工作状况不良时，会影响到所有组串及整个系统的逆变效率。

2）集中式并网逆变器系统无冗余能力，整个系统的可靠性完全受限于逆变器本身，如其出现故障将导致整个系统瘫痪，并且系统修复只能在现场进行，修复时间较长。

3）集中式并网逆变器通常为大功率逆变器，其相关安全技术花费较大。

4）集中式并网逆变器一般体积都较大、重量较重，安装时需要动用专用工具、专业机械和吊装设备，逆变器也需要安装在专门的配电室内。

5）集中式并网逆变器直流侧连接需要较多的直流线缆，其线缆成本和线缆电能损耗相对较大。

6）采用集中式并网逆变器的发电系统可以集中并网，便于管理。在理想状态下，集中式并网逆变器还能在相对较低的投入成本下提供较高的效率。

（3）微型逆变器。

在传统的PV系统中，每一路组串型逆变器的直流输入端，会由10块左右光伏电池板串联接入。当10块串联的电池板中，若有一块不能良好工作，则这一串都会受到影响。若逆变器多路输入使用同一个MPPT，那么各路输入也都会受到影响，大幅降低发电效率。在实际应用中，云彩、树木、烟囱、动物、灰尘、冰雪等各种遮挡因素都会引起上述因素，情况非常普遍。而在微型逆变器的PV系统中，每一块电池板分别接入一台微型逆变器，当电池板中有一块不能良好工作，则只有这一块都会受到影响。其他光伏板都将在最佳工作状态运行，使得系统总体效率更高，发电量更大。在实际应用中，若组串型逆变器出现故障，则会引起几千瓦的电池板不能发挥作用，而微型逆变器故障造成的影响相当之小。

（4）功率优化器。

太阳能发电系统加装功率优化器（Optimizer）可大幅提升转换效率，并将逆变器（Inverter）功能化繁为简降低成本。为实现智慧型太阳能发电系统，装置功率优化器可确实让每一个太阳能电池发挥最佳效能，并随时监控电池耗损状态。功率优化器是介于发电系统与逆变器之间的装置，主要任务是替代逆变器原本的最佳功率点追踪功能。功率优化器借由将线路简化以及单一太阳能电池即对应一个功率优化器等方式，以类比式进行极为快速的最佳功率点追踪扫描，进而让每一个太阳能电池皆可确实达到最佳功率点追踪，除此之外，还能借置入通信晶片随时随地监控电池状态，即时回报问题让相关人员尽快维修。

3.几种不同接入方式并网逆变器特性对比（表5-1）

表5-1　不同并网逆变器特性对比表

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无变压器式组串逆变器系统的优越性与可靠性

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