大型光伏電站逆變器關鍵技術發(fā)展趨勢

張磊，周洪偉，張保民

(1.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆烏魯木齊830011；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710119)

大型光伏電站逆變器關鍵技術發(fā)展趨勢

張磊1，周洪偉2，張保民2

(1.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆烏魯木齊830011；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710119)

近年來光伏發(fā)電技術獲得了飛速的發(fā)展，各項性能指標穩(wěn)步提升，同時電站單瓦價格也在快速下降。并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電的核心設備，尤其是大型光伏電站中使用的大功率集中式逆變器，在整機效率、輸出電能質(zhì)量、電網(wǎng)適應性、可靠性及安裝維護等方面都獲得了長足的進步?？偨Y(jié)了目前國內(nèi)大型光伏電站運行中存在的一些問題以及對逆變器功能和性能的進一步要求，基于此展望了當下大型光伏電站用逆變器的關鍵技術發(fā)展趨勢。

并網(wǎng)逆變器；光伏電站；集中式逆變器

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，在當今能源危機越來越嚴重的情況下，愈發(fā)受到人們的重視，各國政府都推出了一系列措施來鼓勵光伏發(fā)電。我國光伏發(fā)電裝機容量在近幾年得到了飛速的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，截止到2011年，我國光伏發(fā)電裝機容量達到3 GW，而“十二五”規(guī)劃到2015年裝機容量將達到21 GW[1]，這其中又以大型光伏電站為主，尤其是在西北地區(qū)光照條件好的地方，大型光伏電站得到了大量的應用。與此同時，光伏電站對并網(wǎng)逆變器功能和性能的要求也越來越高，這就決定了光伏逆變器必須朝著高效率、輸出電能質(zhì)量高、電網(wǎng)適應性強、高可靠性，以及易于安裝維護的技術發(fā)展趨勢前進。

1 光伏電站存在的問題以及對逆變器的要求

在西北地區(qū)光照條件好的地方，大型光伏電站的容量不斷增大，單座電站甚至達到數(shù)百兆瓦，如此大規(guī)模的應用帶來了兩個新的問題。一是弱光照下并網(wǎng)點處的電能質(zhì)量大大降低：逆變器在負載率10%時，輸出電流達到8%，如圖1所示，對于一個100 MW的電站，如果弱光照時運行于10 MW，由于并網(wǎng)電流高，整座電站就相當于一個巨大的諧波源，對并網(wǎng)點的電能質(zhì)量將造成非常大的影響；二是如此多的逆變器并聯(lián)運行后帶來的諧波疊加問題：由于每臺逆變器都輸出一定的諧波，因此多臺并聯(lián)后在并網(wǎng)點處的諧波頻譜將會非常豐富，對并網(wǎng)點處的電能質(zhì)量影響也會很大。

圖1 500 kW逆變器輸出電流諧波含量與負載率關系

光伏電站是需要并入電網(wǎng)運行的，因此就要接受電網(wǎng)的調(diào)度，光伏電站必須具備“四遙”功能，即遙調(diào)，遙信，遙測，遙控，使光伏電站能實現(xiàn)智能化接入電網(wǎng)。除此之外，GB/T19964-2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》要求光伏電站要具備低電壓穿越功能，如圖2所示，當電網(wǎng)出現(xiàn)短時跌落時，光伏電站要能夠持續(xù)并網(wǎng)，甚至要提供一定的無功，支撐電網(wǎng)恢復；零電壓穿越作為電網(wǎng)故障最嚴酷工況也已經(jīng)開始實施。而一些潛在的要求也逐漸浮出水面，如夜間自動無功補償功能、有源濾波功能等，這些都是對逆變器電網(wǎng)適應性方面的要求。

圖2 GB/T 19964-2012規(guī)定低電壓穿越能力曲線

另外，我國大型光伏電站基本都在西北荒漠地區(qū)，這些地方海拔高、氣候條件惡劣，且風沙很大，光伏逆變器作為電力電子設備，應用在這樣的環(huán)境中，對設備的可靠性要求就非常高。當然，易于安裝和維護也是必須的，西北地區(qū)存在凍土現(xiàn)象，施工窗口期短，如果逆變器安裝調(diào)試困難，會大大增加施工和調(diào)試的周期；而如果維護困難，也會減少光伏電站的發(fā)電時間，造成運維成本高，降低了投資收益率。

總之，逆變器作為光伏電站的核心設備，必須滿足投資方發(fā)電量高、運維成本低的要求；同時也必須滿足電網(wǎng)公司電能質(zhì)量高、服從電網(wǎng)調(diào)度的要求。其下一步的技術發(fā)展趨勢為高效率、較高的電能質(zhì)量、高可靠性、電網(wǎng)適應性強以及易于安裝維護等。

2 大型光伏電站用逆變器的技術發(fā)展趨勢

大型光伏電站的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示，一般來說以1 MW為一個發(fā)電單元，光伏陣列通過匯流箱(8～16路匯流)一次匯流后進入直流配電柜(7～12路)進行二次匯流，直流經(jīng)過并網(wǎng)逆變器變換成交流，通過交流配電柜后接入升壓變壓器，然后接入10 kV/35 kV的中壓電網(wǎng)。

圖3 大型光伏并網(wǎng)電站典型結(jié)構(gòu)

2.1 高效率

整個光伏電站的效率受到多方面的影響，包括光伏陣列的灰塵覆蓋、溫度升高造成的光伏電池輸出功率下降、逆變器的損耗、變壓器的損耗，以及交直流側(cè)的線損等等。所以為了追求光伏電站整體效率，各個環(huán)節(jié)都需要盡可能減少損耗。對于大型光伏電站用逆變器來說，目前業(yè)內(nèi)應用的主流電路拓撲有兩種：一種是單級逆變拓撲結(jié)構(gòu)(DC/AC)，另一種是兩級拓撲(DC/DC+DC/AC)。從效率指標來看，單級拓撲相比二級拓撲有著天然的優(yōu)勢，因為少了一級DC/DC的損耗，整機轉(zhuǎn)換效率要高出1%。單級逆變拓撲損耗主要來自于IGBT器件損耗、電抗器損耗和散熱系統(tǒng)損耗。

降低損耗就意味著提升效率，通過選用第四代IGBT芯片，更低的CE極導通壓降可以減少其導通損耗。而通過使用最大電流開關的先進PWM算法[2]，大大降低了IGBT開關損耗。圖4為仿真波形，可以看出IGBT在輸出電流正負半周各120°區(qū)域內(nèi)均不動作，降低了開關損耗。同時，利用目前最為先進的磁集成技術，將逆變器輸出LCL濾波器的兩個電感集成在一起，可以有效降低其鐵損，在減小電感體積的同時提升電抗器的效率。

圖4 光伏逆變器PWM調(diào)制策略對比

強制風冷是目前光伏逆變器散熱系統(tǒng)的主流方式，但各個廠家對風機的控制策略不盡相同：第一種方式是逆變器開始并網(wǎng)時刻就控制風機持續(xù)運行，這種方式最為簡單，但負面影響是即使逆變器輸出功率較小，IGBT和電抗器溫升不高時，風機仍然全速運行，造成了能量損失；第二種方式是啟?？刂?，即逆變器根據(jù)IGBT的溫度來控制風機的啟停，一旦溫度超過閾值，風機開始啟動，當溫度低于閾值時，風機停止運行，這種方式相比于第一種節(jié)約了能量，但頻繁啟停會對風機的壽命造成不利影響；第三種方式為智能變頻調(diào)速風機，風機的轉(zhuǎn)速根據(jù)環(huán)境溫度和逆變器的負載率進行綜合判斷，在滿足逆變器散熱的同時，盡量降低風機轉(zhuǎn)速以節(jié)約能量，同時又避免了風機的頻繁啟停，此種方式具有節(jié)能、噪音小、可靠性高、壽命長的優(yōu)勢。

目前業(yè)界逆變器的最高轉(zhuǎn)換效率基本保持在98%以上，如圖5所示，領先廠家的產(chǎn)品在內(nèi)供電情況下已經(jīng)達到98.65%(輸入直流電壓500 V，輸出電壓315 V，負載率40%)，在外供電情況下更是超過98.7%。

2.2 優(yōu)良的電能質(zhì)量

電網(wǎng)公司對光伏逆變器的輸出電能質(zhì)量有一定的要求，CGC/GF004：2011《并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術條件》規(guī)定光伏逆變器在滿載輸出時其電流應小于5%，但業(yè)界領先廠商在高負載率下的已經(jīng)能夠降到1%左右，保證逆變器在很大的輸出功率范圍內(nèi)能夠持續(xù)提供高質(zhì)量的電能，如圖6所示，逆變器在80%和100%負載下電流指標在1%左右。

圖5 500 kW大型電站光伏逆變器實測效率

圖6 500 kW光伏逆變器實測輸出電流THD

5%的指標還存在另外一個問題，就是其遠遠不能滿足于逆變器低負載率下的電能質(zhì)量要求。為了達到逆變器在全功率范圍內(nèi)的低電流輸出要求，必須對逆變器在低負載率下的電流進行抑制?；赑I與比例諧振(PR)復合的控制器以及滑模變結(jié)構(gòu)非線性控制器的應用解決了這個問題。

2.3 高可靠性

逆變器作為光伏電站的核心設備，其可靠性是整個光伏電站能夠連續(xù)穩(wěn)定運行的條件。逆變器的可靠性涉及了多方面，從技術角度而言，主要受設計方案、器件選型、檢測保護等因素影響；從器件選型來看，IGBT、母線電容、風機等器件是逆變器內(nèi)部最為脆弱的部分，因此要格外關注，以IGBT為例，通常其標稱額定電流會達到逆變器額定輸出電流的2.5倍，以保證留有足夠的余量，防止IGBT溫度太高，影響其使用壽命。母線電容在逆變器內(nèi)部起到穩(wěn)定直流側(cè)電壓以及能量存儲的作用，其性能也相當重要。業(yè)界目前普遍使用的有兩類，一是金屬膜電容，一是鋁電解電容，金屬膜電容在耐壓、耐紋波電流、等效ESR方面都較鋁電解電容出色。根據(jù)計算，同種工況下，在外界環(huán)境40℃時，金屬膜電容的芯溫只有60℃，壽命達到200 000 h，而鋁電解電容芯溫則為70℃，壽命只有24 000 h，兩者相差8倍，因此金屬膜電容已經(jīng)成為光伏逆變器主流的應用。

大型光伏電站逆變器單機的輸出電流達到1 000 A左右，對于IGBT的直流和交流側(cè)母排設計也需要非常細致，母排的雜散參數(shù)要盡量小，均流特性要好[3]。

多路冗余設計是保證逆變器可靠性的一個思路，逆變器的控制多由DSP/MCU完成，通過雙路DSP/MCU設計，兩者之間相互分享信息并監(jiān)控對方狀態(tài)，任何一個DSP/MCU出現(xiàn)故障，另一個會及時采取措施，保證逆變器安全關機，防止更大的損失。同時，對于控制系統(tǒng)的供電，目前主流的設計也采取雙備份措施，可以通過逆變器輸出的交流側(cè)取電，也可以通過外部廠用電取電，且兩者可以自動切換，設計理念更為先進的廠商會同時提供直流側(cè)供電作為第三套備份，進一步提升了整個逆變器系統(tǒng)的可靠性，如圖7所示。當然，先進的軟件算法也是必不可少的，在開機前對逆變器內(nèi)部的關鍵器件進行自診斷，可以有效獲取其狀態(tài)，并判斷是否具備并網(wǎng)條件，防止誤動作，提高整機可靠性。

圖7 逆變器供電系統(tǒng)冗余方案

2.4 電網(wǎng)適應性強

光伏逆變器需要響應電網(wǎng)的調(diào)度需求，根據(jù)《光伏電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》要求，大中型光伏電站能夠接受并自動執(zhí)行調(diào)度部門發(fā)送的有功功率和有功功率變化的控制指令，確保光伏電站有功功率及有功功率變化按照電力調(diào)度部門的要求運行。同時，光伏逆變器應該根據(jù)調(diào)度指令自動在一定范圍內(nèi)進行無功功率補償。

以上要求屬于“靜態(tài)”的要求，而低/零電壓穿越則屬于“動態(tài)”的適應電網(wǎng)的要求。低/零電壓穿越是指當電網(wǎng)電壓跌落(至零)時，發(fā)電設備應在保證本機設備安全的條件下，與繼保裝置動作時間配合，保持并網(wǎng)運行，并在故障清除后迅速恢復故障前運行狀態(tài)，支撐電網(wǎng)迅速穩(wěn)定，避免短時故障擴大化。低/零電壓穿越的關鍵技術在于當電網(wǎng)出現(xiàn)故障狀態(tài)時，逆變器能夠迅速檢測到，才能進入低/零電壓穿越模式；在電網(wǎng)故障期間，包括鎖相環(huán)、電流控制器、功率控制器等要可靠工作，保證逆變器輸出一定的功率；當電網(wǎng)恢復時，需要MPPT控制器和電流控制器迅速動作，逆變器可以恢復到正常工作狀態(tài)。

圖8所示為500 kW光伏逆變器零電壓穿越及恢復的實驗波形，其中淡藍色正弦為電網(wǎng)電壓波形，紫色正弦為電流波形，可以看出在整個穿越期間，保證向電網(wǎng)提供一定的能量。

圖8 500 kW光伏逆變器零電壓穿越實驗波形

2.5 易于安裝維護

光伏電站的施工周期決定了其前期投資的大小，且后期運營費用也會影響收益率，因此逆變器的設計需要兼顧安裝的快捷和維護的方便，模塊化設計和集成化設計成為逆變器的發(fā)展趨勢。所謂模塊化設計，就是將逆變器的各個子單元，如功率部分、散熱部分、控制部分等設計成一個個獨立的子系統(tǒng)，任意一個子系統(tǒng)發(fā)生故障后可以快速地更換。如圖9所示，該500 kW逆變器將功率單元和風機單元都做成抽屜式模塊，方便維護，單個模塊的維護更換可以保證在20 min之內(nèi)完成，可有效降低光伏電站的后期運維費用。

大型光伏電站除了逆變器外，還有直流配電柜，通信柜等設備，將這些設備集成在一起，形成一個箱式逆變站，如圖10所示，這就是目前的集成化設計趨勢。所有的設備在工廠安裝至箱式逆變站內(nèi)并調(diào)試完畢，作為一個整體運至現(xiàn)場后只需要完成接線就可以并網(wǎng)發(fā)電，與原有的土建房屋相比，可以大大減少施工周期，降低施工費用。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，箱式逆變站的施工、安裝、調(diào)試的工期縮短為原土建逆變器室的10%，可有效降低光伏電站的前期投資費用。

圖9 模塊化設計思路

圖10 1 MW箱式逆變站

3 結(jié)論

本文介紹了大型光伏電站發(fā)展過程中遇到的一些問題，以及對逆變器新的需求，基于此總結(jié)了光伏逆變器的技術發(fā)展趨勢。隨著市場應用的進一步增多以及各方面要求的提高，光伏逆變器在各項關鍵技術上還需要不斷地完善和突破，從而促進光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[1]陳志磊，牛晨暉，李臻，等.光伏發(fā)電并網(wǎng)標準發(fā)展[J].電力電子技術，2013，47(3)：15-17.

[2]張桂斌，徐政.最小開關損耗VSVPWM技術的研究與仿真[J].電工技術學報，2001，16(2)：34-40.

[3]楊笑宇，劉偉增，馬超群，等.交流銅排結(jié)構(gòu)對功率模塊并聯(lián)均流的影響[J].電力電子技術，2013(5)：100-103.

Key technology development trend of inverter used in large-scale PV power station

ZHANG Lei1,ZHOU Hong-wei2,ZHANG Bao-min2

In recent years,PV power generation technology was rapidly developed,the various performance was steadily rose,and the single Watt price was rapidly declined at the same time.Moreover,as the core part of PV power generation,especially the large power centralized inverter used in the large-scale PV power station,it was gradually increased along with the application in the PV power station.The inverter got considerable progress in the machine efficiency,output power quality,grid adaptability,reliability as well as installation and maintenance,etc.The current problems in the operation of the domestic large-scale PV power stations were summarized,as well as to the further requirements on inverter function and performance.Based on this,the key technology development trend of the inverter used in large-scale PV power station was put forward.

grid-connected inverter;PV power station;central inverter

TM 464

A

1002-087 X(2015)03-0633-04

2014-08-15

國家高技術研究發(fā)展(“863”)計劃(2011AA05A305)

張磊(1979—)，男，安徽省人，博士，主要研究方向為光伏并網(wǎng)逆變控制策略。