光伏并網系統拓撲概述
時間:2013-06-03 點擊:2220 次

 

 
 

 

目前,光伏發電系統主要有獨立運行模式和并網發電模式兩種。在這里主要以并網發電模式為重點介紹。光伏并網發電系統是指將光伏陣列輸出的直流電轉化為與電網電壓同幅值、同頻、同相的交流電,并實現與電網連接的系統。

1.1 可調度式與不可調度式系統

    目前常見的光伏并網發電系統,根據其系統功能可以分為兩類:一種為不含蓄電池的“不可調度式光伏并網發電系統”;另一種為系統包括蓄電池組作為儲能環節的“可調度式光伏并網發電系統”。兩者的系統配置示意圖如圖1和圖2所示??烧{度式并網光伏系統設置有儲能裝置,兼有不間斷電源和有源濾波的功能,而且有益于電網調峰。但是,其儲能環節通常存在壽命短、造價高、體積笨重以及集成度低的缺點,因此,目前這種形式的應用較少??烧{度式光伏并網發電系統與不可調度式相比,最大的不同是系統中配有儲能環節,通常采用鉛酸蓄電池組,其容量可根據實際需要進行配置。在功能上,可調度式系統有一定擴展和提高,主要包括:
(1). 系統控制器中除了并網逆變器部分外,還包括蓄電池充放電控制器,根據系統功能要求進行蓄電池組能量管理;
(2). 在交流電網斷電時,可調度式系統可以實現不間斷電源(UPS)的功能,為本地重要交流負載供電;
(3). 較大容量的可調度式光伏并網發電系統還可以根據運行需要控制并網輸出功率,實現一定的電網調峰功能。
雖然在功能上優于不可調度式光伏并網系統,但由于增加了儲能環節,可調度式光伏并網系統存在著明顯的缺點。這些缺點是目前限制可調度式光伏并網系統廣泛應用的主要原因,包括:
(1). 增加蓄電池組導致系統成本增加;
(2). 蓄電池的壽命較短,遠低于系統其他部件壽命:目前免維護鉛酸蓄電池在合
理使用下壽命通常為3到5年,而光伏陣列一般可以穩定工作20年以上;
(3). 廢棄的鉛酸蓄電池必須進行回收處理,否則將造成嚴重的環境污染。
 
 
圖1 不可調度式
圖2 可調度式

1.2 光伏并網發電系統的結構

大多數用電設備以交流供電方式為主,光伏陣列發出的直流電需用逆變器將其轉化為交流電供負載使用。所以在光伏并網發電系統中,逆變器起到了關鍵的作用。光伏并網發電系統的結構與其功率等級有著密切的關系。目前光伏并網發電系統常用的結構主要有集中式逆變器、集成式逆變器、串型逆變器和多重串型逆變器四種。其中集中式逆變器主要用于光伏電站,后三種逆變器則廣泛應用于分布式光伏并網發電系統中。

1.2.1 集中式逆變器(Central inverters)

集中式逆變器結構主要由光伏陣列、逆變器及直流母線構成。它是光伏發電系統最早采用的逆變器形式。在該系統中所有的光伏器件通過串并聯構成一個光伏陣列,該陣列的能量通過一個逆變器集中轉換為交流電,因此稱這種結構為集中式逆變器,其構成如圖3所示。
集中式逆變器的優點輸出功率可達到兆瓦級,單位發電成本低,主要用于光伏電站等功率等級較大的場合。為了獲取足夠的功率和電壓,它的光伏陣列由光伏模塊串、并聯構成。
 
但光伏器件的這種串、并聯連接方式容易帶來了以下的缺點:
①同一陣列中光伏器件不僅受串聯模塊特性的相互影響,也受并聯模塊之間特性的相互影響,因此會影響光伏器件的輸出功率,該逆變器對光伏器件的利用率低于其它方式。
②光伏陣列中某一個組件被陰影覆蓋時,該組件不僅不能輸出功率,還會成為系統的負載,引起該組件的發熱。
實驗表明:在環境溫度12攝氏度時,正常工作的組件溫度為22攝氏度,而受陰影影響的組件溫度可達70攝氏度。這不僅降低了系統的輸出功率,還會使組件的壽命縮短。另外,這種結構需要高壓直流總線連接逆變器與光伏陣列,增加了成本,降低了安全性。
合肥陽光電源、SMA等公司均將100KW的額定功率定位于集中式逆變器的下限功率。以陽光電源的SG100K3型光伏并網逆變電源為例,從直流輸入端來看,它提供了6路直流輸入端子。
并且在直流輸入前端需要外加一個匯流箱才能滿足要求,這與逆變器本身的技術參數限制有關。這主要涉及到光伏組件串聯條件的限制,對于SG100K3型光伏并網逆變電源,其涉及到光伏組件的重要參數是Udc范圍(450-650),最大跟蹤電壓范圍MPPT(550-620),以及最大開路電壓范圍Uoc(700-780) 。
以某公司的多晶硅170Wp 為例(STC 條件下,25攝氏度,Vmp=35V,Voc=44.5V,Pm=270W),那么SG100K3型號逆變器的推薦Voc 和 Vmp 配置及光伏組件串聯的個數的方法為:
串聯數最小值 n1=V1/Vmp,使用進一法進行取整,V1 為推薦MPPT 范圍的下限值;
串聯數最大值 n2=V2/Voc,使用舍去法進行取整,V2 為推薦Uoc 范圍的上限值。
 根據上述的計算,每串光伏組件的串聯數應為16-18個,即使選擇18個,那么其一串的額定功率也僅為3.06KW,如果不采用匯流箱,則最大功率不會超過20KW,不及額定功率的20%,所以匯流箱是必不可少的。

1.2.2 集成式逆變器(Module Integrated Inverter)

集成式逆變器(也叫做交流光伏模塊系統)是指把逆變器和光伏模塊集成在一起作為一個光伏發電系統模塊。集成式逆變器系統的缺點是:功率較低,一般在50W—400W。每一個集成式逆變器均有自己的MPPT電路,可以最大程度的發揮光伏器件的效能。這種逆變器與光伏模塊集成在一起的優點是:效率高,不需要直流母線,輸出端直接連接到電網上,提高了系統的安全性。
 
 
圖4 集成式逆變器
 
如圖4所示,集成式逆變器和它所連接的光伏模塊本身就是一個可以獨立工作的完整的光伏系統。這個特性給系統的擴充提供了很大的靈活性:用戶可根據所需要的功率選擇相應數目的集成式逆變器。
另外,這種連接方式提高了整個系統工作的可靠性,即使某個逆變器發生故障,系統的其它部分也能正常工作。集成式逆變器還可工作在某些遠離電網但需要交流電的應用場合。但在同等功率水平條件下,集成式逆變器價格高于其它拓撲,與大功率逆變器相比效率較低。由于集成式逆變器的結構限制,一旦逆變器或光伏器件發生故障將會給逆變器的維修和替換帶來不便。

1.2.3 組串型逆變器(string Inverter)

組串型逆變器是指光伏器件通過串聯構成光伏陣列給光伏發電系統提供能量的拓撲結構。它的優點是可以避免并聯模塊因電壓跌落造成系統不能工作的缺點。
 
 
圖5 組串型光伏逆變器示意圖
    如圖5組串型逆變器的原理圖所示: 組串逆變器是基于模塊化概念,每個光伏組串(1kW-5kW)通過一個逆變器,在直流端具有最大功率峰值跟蹤,在交流端并聯并網。許多大型光伏電廠使用組串逆變器,優點是不受組串間模塊差異和遮影的影響,同時減少了光伏組件最佳工作點與逆變器不匹配的情況,從而增加了發電量。組串逆變器在組串間引入“主-從”的概念,使得系統在單串電能不能使單個逆變器工作的情況下,將幾組光伏組串并聯在一起,讓其中一個或幾個工作,從而產出更多的電能。

1.3 拓撲結構概述

單級式拓撲和雙級式拓撲的選擇:
以合肥陽光為例:
   
 
1.5/2.5/4 kw拓撲示意圖
 
5k/6kw 拓撲示意圖
 
 
 
 
 
10k/30k/50kw 拓撲示意圖
 
100kw
 
 
250kw(LCL濾波)
 
 
500kw(LCL濾波)
 
250kw tl(無變壓器系列)
 
500kw tl(無變壓器系列)
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