關于解決分布式光伏電站組串式逆變器頻繁啟停的研究

常州天合光能有限公司系統(tǒng)事業(yè)部 楊正剛 于 哲常州天合光能有限公司江蘇省分布式光伏及應用工程中心 陳 維 趙鳳閣 栗 娜

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關于解決分布式光伏電站組串式逆變器頻繁啟停的研究

常州天合光能有限公司系統(tǒng)事業(yè)部 楊正剛 于 哲
常州天合光能有限公司江蘇省分布式光伏及應用工程中心 陳 維 趙鳳閣 栗 娜

【摘要】分布式光伏電站380V低壓接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，企業(yè)負載為大功率特種設備時，可能會導致組串式逆變器受干擾而頻繁啟停。針對該現(xiàn)象，采用理論分析研究，提出解決方向。比對多種解決方案，綜合考慮性價比和可操作性，保持原有光伏接入點位置不變，采用變換特種設備接入其它的變壓器方案。方案實施并對改造后的系統(tǒng)運行情況分析。研究結果表明，分布式光伏電站的組串式逆變器運行正常。通過理論研究，為特種設備影響組串式逆變器啟停問題而提供解決方向，對保證光伏電站發(fā)電量和促進分布式光伏發(fā)電應用具有現(xiàn)實意義。

【關鍵詞】分布式光伏電站；組串式；逆變器；啟停；研究

工信部電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金資助項目(財建[2014]513號、工信部財[2014]425號); 分布式光伏系統(tǒng)大規(guī)模集成應用研究項目。

0　引言

隨著社會發(fā)展和工業(yè)化進程加快，能源危機和環(huán)境危機加劇，采用化石能源所產(chǎn)生的環(huán)境污染與人們的低碳生活相矛盾，利用可再生能源成為人們追求的目標，其中，太陽能作為清潔能源，取之不盡用之不竭，成為理想的選擇，以晶體硅基為主流的光伏電池和組件得到工業(yè)化發(fā)展，技術成熟，配套政策完善，國家鼓勵和支持光伏發(fā)電應用。近年來，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)飛速發(fā)展，西部地區(qū)光照資源豐富，因此大量的集中型電站在西部建設，然而西部市場消納困難，特高壓線路配套失衡，富余電力無法外送，光伏電站棄光現(xiàn)象嚴重，成為制約西北地區(qū)光伏新能源進一步發(fā)展的最大瓶頸[1]。而分布式光伏發(fā)電主要建設在企業(yè)、居民、公共建筑屋頂或其它用電負荷附近區(qū)域，所發(fā)電力就近消納，適合企業(yè)和居民較多的中東部地區(qū)，分布式光伏電站具有環(huán)保、經(jīng)濟、投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等特點[2]，依據(jù)國家能源局發(fā)布的光伏十三五規(guī)劃意見稿顯示，十三五分布式光伏電站規(guī)劃累計將達到70GW，分布式光伏具有廣闊的發(fā)展空間。

隨著分布式光伏電站的發(fā)展，所帶來的問題也日益凸顯，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)模式的分布式光伏電站較多采用380V電壓等級接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)[3]，廣泛使用的組串式逆變器，然而目前市場上組串式逆變器通常不帶隔離變，只有簡單濾波功能。對用電企業(yè)本身的設備，例如高頻爐、中頻爐等可能會產(chǎn)生嚴重諧波[4]及電壓波動和不平衡的阻隔作用下降，逆變器頻繁啟停，導致光伏電站運行不穩(wěn)定和發(fā)電量的損失。

同時，光伏電站一般通過逆變器將直流轉(zhuǎn)化為交流電后直接接入電網(wǎng)或通過升壓變接入電網(wǎng)[5]，這類電力電子器件的頻繁開通和關斷，容易產(chǎn)生諧波污染[6-7]，數(shù)量較多時，將可能影響電能質(zhì)量[8-9]。這些因素嚴重影響了分布式光伏電站的應用和投資回報。

本文針對采用自發(fā)自用，余電上網(wǎng)，380V電壓等級接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的典型分布式光伏電站案例進行研究，提出并分析導致逆變器頻繁啟停的原因，理論分析多種解決方案，綜合考慮性價比和可操作性選定解決方案，實施并對逆變器運行情況進行觀察驗證。

1　光伏電站接入系統(tǒng)

1.1主系統(tǒng)圖

光伏電站接入的企業(yè)為重工型企業(yè)，用電量大，企業(yè)采用35kV廠區(qū)進線，多臺變壓器，用電設備主要為高頻爐、中頻爐、電弧爐等特種設備，光伏電站采用380V電壓等級多點接入企業(yè)降壓變壓器低壓側(cè)，如圖1所示。

其中，該并網(wǎng)點處光伏電站裝機容量617.76MW，采用18臺規(guī)格為30KW的組串式逆變器，組件容量與逆變器容量比為1.14:1。

1.2光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)

光伏電站建有監(jiān)控系統(tǒng)，能對逆變器、并網(wǎng)點運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)主接線圖

圖2　光伏監(jiān)控系統(tǒng)圖

通過后臺計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以觀察到整個光伏電站的運行情況。實際監(jiān)控平臺監(jiān)控逆變器運行情況如圖3所示。

圖3　實際光伏監(jiān)控系統(tǒng)圖

圖3中，綠色表示逆變器正常運行，灰色表示逆變器關機。由于可見，部分逆變器因受企業(yè)內(nèi)網(wǎng)干擾而關機。

2　逆變器啟停的理論分析

光伏逆變器需要通過NB/T32004-2013，標準認證，具有一定的抗干擾能力。本文采用某品牌30KW組串式逆變器為例，其主電路示意圖，如圖4所示。

圖4　逆變器主電路示意圖

由圖4可知，并網(wǎng)逆變器將光伏直流電通過濾波器進行濾波，然后通過BOOST升壓電路后再通過全橋逆變電路，變成正弦波電流通過斷路器，在經(jīng)過交流濾波器濾波，最后輸出至電網(wǎng)。

組串式逆變器結構中包含濾波裝置，具有一定的濾波抗干擾能力，但是由于本身缺乏電氣隔離能力，受電爐影響，使得逆變器頻繁停機，對核心器件IGBT損傷較大。

3　方案選擇

3.1調(diào)整逆變器頻率參數(shù)

該品牌的光伏逆變器本身具備頻率參數(shù)設定功能，在工頻條件下，國標要求逆變器的頻率可調(diào)范圍為±5％,以工頻為計算基準即頻率調(diào)整范圍為±2.5Hz。該方案為最簡單的方案，但電爐的頻率較高，通常中頻150-500Hz、高頻500Hz以上，該方案不一定能滿足要求。

3.2在光伏并網(wǎng)點加隔離變壓器

隔離變壓器是指輸入繞組與輸出繞組帶電氣隔離的變壓器。隔離變壓器的原邊和副邊之間沒有電的連接，只有磁場連接，其輸出端與輸入端完全是呈“斷路”的隔離狀態(tài)[10]，隔離變壓器具有如下的特點[11-14]：

(1)電氣隔離：使用變壓器來實現(xiàn)光伏電源與電網(wǎng)之間的電氣隔離。

(2)阻止電流的直流分量注入電網(wǎng)：由于直流電不會導致磁通量的變化，因此光伏逆變系統(tǒng)的直流分量將不會通過隔離變壓器流入電網(wǎng)。

(3)抗干擾作用：一定聯(lián)接方式的變壓器可以消除3次及3的整數(shù)倍次諧波，降低高次諧波、電壓波動對電網(wǎng)的影響。

(4)穩(wěn)定電壓作用：當系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以有效地抑制光伏逆變系統(tǒng)的諧振過電壓和穩(wěn)態(tài)過電壓。

(5)升壓功能：隔離變壓器具備升壓功能，能大大降低對直流電壓的要求。

因此，在光伏電站并網(wǎng)點前加裝1:1隔離變壓器，如圖5所示：

圖5　加裝隔離變壓器后的系統(tǒng)圖

如圖5可見，加裝630KVA的干式隔離變壓器，置于并網(wǎng)點之前，阻隔低壓側(cè)高頻爐等特種設備對逆變器的干擾。該方案作為備選方案之一。

3.3采用集中型逆變器

采用集中型逆變器，根據(jù)光照條件可選擇500KW集中型逆變器，輸出電壓315V，加裝工頻變壓器，變壓至400V，如圖6所示：

圖6　采用集中型逆變器加工頻變后的系統(tǒng)圖

由于該項目已經(jīng)使用組串式逆變器，更改為集中型逆變器難度較大，可行性不強。但對后期選用有啟示作用。

3.4調(diào)整光伏并網(wǎng)點位置

因該光伏并網(wǎng)點與電爐公用一臺降壓變，因此電爐的運行對逆變器的影響較大，考慮避開干擾，將光伏電站的并網(wǎng)點更改移至其它位置，選擇未接電爐的變壓器，但是經(jīng)過實際考察配電房的位置、空間、線路走向，可操作性不強。

3.5調(diào)整特種設備接入其它變壓器

將該特種設備接入另外的變壓器，這樣，光伏電站與特種設備接在不同的變壓器，從而避免特種設備對光伏逆變器的干擾。

4　實施

經(jīng)過現(xiàn)場實際勘察，綜合比較性價比和可操作性，采用3.5方案調(diào)整特種設備接入其它變壓器，如圖7所示：

圖7　調(diào)整特種設備接入位置后的系統(tǒng)圖

考察改造后的電站運行情況，如圖8所示：

圖8　改造后光伏監(jiān)控系統(tǒng)圖

由圖8可見，所有逆變器均正常運行。

5　結論

(1) 針對采用380V電壓等級接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的分布式光伏電站，其組串式逆變器存在受到企業(yè)高頻爐、電弧爐等大功率特種設備的干擾而頻繁啟停的風險。

(2) 對比五種方案，調(diào)整逆變器頻率參數(shù)、并網(wǎng)點前增加隔離變壓器、采用集中型逆變器和工頻變壓器結合、調(diào)整光伏并網(wǎng)點位置、調(diào)整特種設備接入其它變壓器，為解決逆變器受干擾頻繁啟停提供了解決方向，有利于分布式光伏電站的推廣應用。

(3) 根據(jù)該電站實際情況，采取調(diào)整特種設備接入其它變壓器方案，有效解決了逆變器頻繁啟停問題，逆變器運行正常。

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楊正剛【通信作者】（1980—），男，碩士研究生，常州天合光能有限公司光伏電站事業(yè)部技術經(jīng)理，中級職稱、國家一級注冊建造師（機電專業(yè)）、高壓電工，擁有晶體硅電池專利2項、晶體硅電池技術國際學術文章1篇，發(fā)表于光伏技術期刊雜志英國PV TECH、光伏組件專利1項。有著近10年的光伏從業(yè)經(jīng)歷，歷經(jīng)晶體硅電池技術、組件技術研發(fā)、光伏電站技術、現(xiàn)場工程管理、電站項目開發(fā)，研究方向：光伏系統(tǒng)工程應用。

于哲（1987—），男，大學本科，研究方向：光伏系統(tǒng)工程應用。

陳維（1977—），男，博士后，研究方向：分布式光伏發(fā)電應用研究。

趙鳳閣（1987—），男，大學本科，研究方向：光伏系統(tǒng)工程應用。

栗娜（1986—），女，研究生，研究方向：材料應用。

作者簡介：