光伏逆變器在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用

◎王文忠 陳淑春

光伏逆變器在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用

◎王文忠1陳淑春2

社會(huì)在發(fā)展，時(shí)代在進(jìn)步，我國(guó)當(dāng)前推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的核心力量便是能源。但是，石化能源等傳統(tǒng)型資源面臨著枯竭的嚴(yán)峻形勢(shì)，要想成功解決能源的問(wèn)題，唯一的方式就是要竭盡全力發(fā)展可再生能源，在這樣的大背景下，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)開始正式進(jìn)入到人們的視野當(dāng)中，并且在很短的時(shí)間內(nèi)受到了廣泛的關(guān)注。光伏逆變器是直流電轉(zhuǎn)化成交流電的關(guān)鍵裝置，更是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中最核心的設(shè)備。本文將就光伏逆變器在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行深入的分析與探究。

眾所周知，伴隨著傳統(tǒng)石化能源的日益枯竭，為了更好地滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，人們將關(guān)注的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了新能源領(lǐng)域之中，可再生的新型能源主要包括太陽(yáng)能、潮汐能、水能、風(fēng)能以及生物質(zhì)能等等。近些年中，新能源發(fā)電技術(shù)如雨后春筍般出現(xiàn)在社會(huì)之中，光伏發(fā)電就是其中一種方式。 太陽(yáng)能逆變器是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)當(dāng)中的關(guān)鍵部件。隨著以太陽(yáng)能為龍頭的新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及新能源技術(shù)的深入推廣到家庭，企業(yè)事業(yè)單位，太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用必然十分廣泛。以下是筆者結(jié)合自己多年的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，就光伏逆變器的應(yīng)用情況提出自己的幾點(diǎn)拙見。

關(guān)于光伏逆變器在太陽(yáng)能領(lǐng)域中的應(yīng)用背景

在近些年中，我國(guó)的太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展成就是有目共睹的，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模一直處于不斷擴(kuò)大的狀態(tài)當(dāng)中，并且其產(chǎn)業(yè)體系也越來(lái)越完整。我國(guó)已經(jīng)成為當(dāng)前可再生能源投資最多的國(guó)家之一。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在2005年，世界范圍內(nèi)可再生能源投資量已經(jīng)達(dá)到了380億美元，而我國(guó)在其中的投資大約為60億美元，位居世界前列，其投資主要集中在小水能和太陽(yáng)能兩個(gè)方面。

縱觀保定地區(qū)新能源產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，在近三年中，保定高新區(qū)新能源基地持續(xù)保持著20%以上的年均增長(zhǎng)率，目前，保定已經(jīng)擁有了5個(gè)國(guó)家級(jí)企業(yè)研發(fā)中心，25家高新區(qū)級(jí)企業(yè)研發(fā)中心，取得各種國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)17項(xiàng)，科研成果300多項(xiàng)，專利180多項(xiàng)，多項(xiàng)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

在太陽(yáng)能供電系統(tǒng)當(dāng)中，太陽(yáng)能逆變器是非常關(guān)鍵的部件，在以太陽(yáng)能為代表的新能源產(chǎn)業(yè)的開發(fā)與發(fā)展過(guò)程中，新能源技術(shù)逐漸推廣到家庭、企業(yè)事單位當(dāng)中，太陽(yáng)能逆變器的應(yīng)用必然會(huì)越來(lái)越廣泛。

光伏逆變器的原理圖

光伏逆變器六大發(fā)展趨勢(shì)

服務(wù)逆變器，硬件發(fā)展速度非常之快。眾所周知，伴隨著CAN、SiC、性能優(yōu)異的DSP等等越來(lái)越多的新型器件以及新型拓?fù)涞膹V泛應(yīng)用，逆變器的使用效率越來(lái)越高。現(xiàn)階段，光伏逆變器的最高效率已經(jīng)達(dá)到了99.5%，并且已經(jīng)達(dá)到了A級(jí)，在不久的將來(lái)，必然可以達(dá)到A+，A++的理想目標(biāo)。

功率加大、效率提高、電壓等級(jí)升高?，F(xiàn)階段，在新能源領(lǐng)域當(dāng)中，2.5MW以及更大功率等級(jí)的逆變器都被廣泛應(yīng)用其中。這與1MW方陣相比較而言，功率等級(jí)為2.5MW的逆變器，可以在很大程度上節(jié)約成本，大概在0.1元/W左右，具體來(lái)解釋，就是100MW的電站可以直接在成本上減少1000萬(wàn)的原始投資，除此之外，通過(guò)電纜匹配之后，還能夠保證直流部門的損耗相一致。

需要特別解釋的一點(diǎn)是，大型電站的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)會(huì)是1500V系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的1000V系統(tǒng)相比較而言，排出組件的因素，就可以節(jié)省0.2元/W的投資，也就是說(shuō)，對(duì)于一個(gè)100MW的電站來(lái)說(shuō)，可以節(jié)省大概2000萬(wàn)左右的原始投資，而且，1500V系統(tǒng)還可以將損耗降低大概0.27%左右。

功率提高，功率密度加大。組串式逆變器的功率一直處于不斷加大的狀態(tài)當(dāng)中，現(xiàn)階段，組串式逆變器的最大功率都可以達(dá)到80KW，而且組串式逆變器的功率密度更是得到了非常大的提高，重量卻不斷降低，這就在很大程度上提高了應(yīng)對(duì)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)能力。當(dāng)前，專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，最輕的40KW產(chǎn)品便是陽(yáng)光電源的40KW組串式逆變器已經(jīng)做到了39kg。關(guān)于散熱方面，智能風(fēng)扇散熱是陽(yáng)光電源一直所堅(jiān)持的散熱方式，其目的就是為了更好地降低內(nèi)部元器件的溫升，全面提升逆變器在高溫環(huán)境下的過(guò)載能力。通常情況下，所使用的風(fēng)扇防護(hù)等級(jí)是IP65，壽命一般會(huì)維持在七萬(wàn)個(gè)小時(shí)左右，質(zhì)量保證年限是20年。

MLPE越發(fā)豐富和多元化?，F(xiàn)階段，組件級(jí)產(chǎn)品的種類變得越來(lái)越豐富和多元化，諸如，以SolarEdge為代表的功率優(yōu)化器、以Enphase為代表的微型逆變器等等，在今年，MLPE設(shè)備的出貨量已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的要求，已經(jīng)超出了5GW。

適應(yīng)性提高，保護(hù)更到位，更加安全可靠。漏電流保護(hù)、SVG功能、LVRT、直流分量保護(hù)、絕緣阻抗檢測(cè)保護(hù)、PID防護(hù)、防雷保護(hù)、PV正負(fù)反接保護(hù)等不斷完善的功能，使得逆變器對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力進(jìn)一步增強(qiáng)，不斷完善的保護(hù)功能，讓系統(tǒng)更加安全可靠。

環(huán)境適應(yīng)力增強(qiáng)。伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，未來(lái)光伏電站會(huì)被更多地應(yīng)用在更多比較惡劣的環(huán)境當(dāng)中去，比如：沙漠、沿海以及高原等等，所以，對(duì)光伏逆變器的抗風(fēng)沙性、抗腐蝕性等等環(huán)境適應(yīng)性能都有著更高的要求，其目的就是為了更好地確保惡劣環(huán)境下的安全性能與可靠性能。

光伏逆變器的研究工作具體內(nèi)容分析

逆變模塊

第一級(jí)：采用帶隔離變壓器的推挽結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)換為方波。

推挽電路控制采用SG3525PWM控制器, 它是用于驅(qū)動(dòng)溝道功率。它的誤差放大器同向輸入端接入由基準(zhǔn)電源輸出端分壓提供的直流側(cè)電壓指令信號(hào), 反向輸入端接直流側(cè)電壓反饋信號(hào)。是將器補(bǔ)償信號(hào)輸入端與反向輸人端之間接人反饋網(wǎng)絡(luò),構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器, 直流母線電壓指令信號(hào)和反饋信號(hào)的誤差經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器后和三角波比較決定和的脈沖寬度來(lái)穩(wěn)定直流側(cè)電壓。

第二級(jí)：第二級(jí)變換環(huán)節(jié)是隔離變壓器的副邊經(jīng)過(guò)二極管不控整流橋把交流方波電壓轉(zhuǎn)換成不控的高壓直流電壓。高頻變壓器的磁芯選擇磁通密度較高, 溫度穩(wěn)定性好, 價(jià)格低廉的鋅錳鐵氧體材料。

第三級(jí)：變換環(huán)節(jié)是全橋逆變電路,當(dāng)高壓直流電壓變化時(shí), 通過(guò)調(diào)節(jié)T1、T4和T2、T3的輸出脈沖寬度, 使輸出交流電壓的有效值保持不變。

控制模塊

主要完成的任務(wù)：輸出電壓的穩(wěn)定度的控制；諧波失真的控制；輸出頻率的控制；輸出功率的控制；對(duì)于特定使用條件的控制：特殊使用條件比如路燈，通訊基站等要采用傳感器對(duì)逆變進(jìn)行控制。

保護(hù)模塊

硬件短路電流、欠壓保護(hù)：短路電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)；阻容濾波電路的設(shè)計(jì)；電源電壓欠壓保護(hù)。

過(guò)熱保護(hù)：主要指功率元件的熱保護(hù)

負(fù)載電流的反時(shí)限保護(hù)。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制：儀器中各伺服電路驅(qū)動(dòng)軟件的編制；顯示、人機(jī)接口及通信軟件的編制；在完成以上工作的基礎(chǔ)上，完成整機(jī)的組裝、調(diào)試；在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)際測(cè)量試驗(yàn)；并針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行完善，達(dá)到項(xiàng)目與其的目的。

光伏逆變器在新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用案例

助力奧運(yùn)，推動(dòng)綠色科技。眾所周知，我國(guó)在籌備奧運(yùn)會(huì)期間，北京科諾偉業(yè)承擔(dān)了一項(xiàng)非常重要的項(xiàng)目，也是當(dāng)前非常受矚目的一個(gè)項(xiàng)目，那就是奧運(yùn)公園節(jié)能與可再生能源利用示范，科諾偉業(yè)主要承擔(dān)的是奧運(yùn)公園太陽(yáng)能利用示范項(xiàng)目的實(shí)施工作，這不僅僅向世界充分展示出了我們國(guó)家關(guān)于奧運(yùn)會(huì)，提出的“科技奧運(yùn)、綠色奧運(yùn)”的理念，而且也是對(duì)并網(wǎng)逆電器應(yīng)用的最好詮釋。

在科技奧運(yùn)、綠色奧運(yùn)的舉辦過(guò)程當(dāng)中，并網(wǎng)逆變器在其中擔(dān)任著至關(guān)重要的角色，但是，其更像是一個(gè)默默無(wú)聞的工作人員，雖然不顯眼，但是卻發(fā)揮出了自己該有的價(jià)值。國(guó)家體育館，之所以能夠成為光伏和建筑一體化的經(jīng)典之作，其根源就在于國(guó)家體育館100千瓦并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和國(guó)家體育館的建筑主體完美地結(jié)合在了一起，這是綠色與科技完美融合的經(jīng)典電表作品。

國(guó)家體育館中，關(guān)于太陽(yáng)能電池組件，一共有1124塊，其組件都是根據(jù)體育館屋頂?shù)牟晒鈳?lái)進(jìn)行安裝的，基本上都集中在了屋頂和南立面，原來(lái)的一部分建筑材料也被其有效地替代掉，非常好地滿足了節(jié)能建筑的要求。其工作原理是：太陽(yáng)能電池組將其吸收到的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化成為直流電，然后由專項(xiàng)線路輸送到地下一層太陽(yáng)能發(fā)電控制室，再通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)化成為交流電，再經(jīng)專用設(shè)備并網(wǎng)輸送到低壓配電系統(tǒng)。太陽(yáng)能電池組每天額定輸出功率達(dá)到100千瓦,這樣,館內(nèi)2萬(wàn)平方米地下場(chǎng)所的照明就有了保障。

以新能源創(chuàng)造新生活。在近些年的發(fā)展過(guò)程中，我國(guó)關(guān)于太陽(yáng)能的開發(fā)利用取得了舉世矚目的成就，無(wú)論是太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)水平還是實(shí)用化程度都有著非常顯著地提高，其實(shí)際應(yīng)用的范圍和規(guī)模也都在迅速擴(kuò)大，并網(wǎng)逆變器也隨之得到了更加廣泛的應(yīng)用，發(fā)展空間也得到很大的拓展。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用體現(xiàn)了我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的告訴重視，也在很大程度上警醒并提升了社會(huì)大眾的環(huán)保意識(shí)以及節(jié)約能源的意識(shí)。國(guó)家不斷出臺(tái)各種各樣的政策來(lái)支持太燙能產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)與發(fā)展，在2009年，國(guó)務(wù)院財(cái)政部就連續(xù)發(fā)布了三個(gè)重要的文件，讓社會(huì)大眾的眼光迅速聚焦在了太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)上面。

在我國(guó)范圍內(nèi)，各個(gè)省份和地區(qū)都開始更提出了興建大型太陽(yáng)能發(fā)電站的計(jì)劃，并且也積極投入到建設(shè)工作當(dāng)中，我們從中不難發(fā)現(xiàn)，集中式大型光伏并網(wǎng)電站是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行中一個(gè)必然的發(fā)展方向與發(fā)展趨勢(shì)，與這一發(fā)展趨勢(shì)有著緊密關(guān)聯(lián)的光伏逆變器必然有著非常廣闊的發(fā)展前景。

在2012年8月20日，青海省格爾木200兆瓦大型荒漠并網(wǎng)光伏電站一期20兆瓦工程在格爾木市郊荒漠戈壁上的正式開工，標(biāo)志著我國(guó)最大的太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目正式施工，同時(shí)，其工程的開工，也標(biāo)志著青海省在柴達(dá)木盆地打造“中國(guó)西部光電風(fēng)電產(chǎn)業(yè)基地”的戰(zhàn)略構(gòu)想邁出實(shí)質(zhì)性步伐。

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委可再生能源發(fā)展規(guī)劃,我國(guó)的光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量在 2020年將達(dá)到1.8GWp。那么,光伏并網(wǎng)逆變器必將繼續(xù)在“以新能源創(chuàng)造新生活”的進(jìn)程中大展身手了。

綜上所述，在光伏發(fā)電站中，必須要借助光伏逆變器來(lái)完成直流電向交流電的轉(zhuǎn)變，光伏逆變器是發(fā)電系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，所以，必須要對(duì)光伏逆變器的工作原理以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的了解，進(jìn)而更好地設(shè)計(jì)與優(yōu)化光伏發(fā)電站，充分發(fā)揮光伏逆變器的重要價(jià)值。

（作者單位：1.保定眾騰電氣科技有限公司； 2.河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

2016年保定市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計(jì)劃（第二批），項(xiàng)目編號(hào)：16ZG024