基于光伏云平臺(tái)的智能型光伏并網(wǎng)逆變柜的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧章平

(上海正泰電源系統(tǒng)有限公司，上海 201614)

0 引言

長(zhǎng)久以來(lái)，人們一直在為化石能源尋找綠色的替代能源。太陽(yáng)每小時(shí)照射向地球的能量，可以滿足人類大約1 年的能源需求，高效利用太陽(yáng)能可以節(jié)約相當(dāng)多的成本。光伏發(fā)電是一種重要的太陽(yáng)能利用方式，但目前光伏發(fā)電并網(wǎng)仍存在以下問(wèn)題。

1)瞬時(shí)云層的遮擋、太陽(yáng)輻照度的周期性變化造成了光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性的特性，使光伏發(fā)電的輸出電能變化規(guī)律與負(fù)荷的實(shí)際應(yīng)用變化規(guī)律不相符，導(dǎo)致光伏發(fā)電存在利用率低、投資成本高、回報(bào)率低的情況。

2)光伏電力滲透率的提高，給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)了威脅。隨著光伏發(fā)電并網(wǎng)電量的增加，電網(wǎng)中常發(fā)生電壓升高的情況；再加上云層遮掩對(duì)光伏電力造成的影響，并入電網(wǎng)的電力會(huì)出現(xiàn)頻率波動(dòng)，易造成大范圍脫網(wǎng)。

3)目前光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率約為80%，造成發(fā)電損失的因素很多，如匹配損失、逆變器和變壓器效率問(wèn)題、直流和交流線路損耗等。

雖然光伏發(fā)電的開(kāi)發(fā)潛力大，但其也存在很多局限，因此，光伏發(fā)電技術(shù)需要立足于自身技術(shù)創(chuàng)新，關(guān)注各個(gè)環(huán)節(jié)，不斷提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。將光伏發(fā)電系統(tǒng)與光伏云連接，已成為綠色能源與能源互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的核心，是更好實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的機(jī)遇。光伏云平臺(tái)是指利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，為光伏電站利益相關(guān)方提供數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控、運(yùn)維管理、運(yùn)營(yíng)分析、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、大屏展示等功能，有助于光伏電站實(shí)現(xiàn)更好發(fā)電、更多發(fā)電。本文介紹了一種基于光伏云平臺(tái)的智能型光伏并網(wǎng)逆變柜(以下簡(jiǎn)稱為“本文設(shè)計(jì)的逆變柜”)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，此類逆變柜有助于降低光伏發(fā)電成本，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性及發(fā)電效率[1]。

1 設(shè)計(jì)要求與依據(jù)

本文設(shè)計(jì)的逆變柜由多臺(tái)集中式光伏并網(wǎng)逆變器組成。根據(jù)項(xiàng)目所在地的地理位置、氣象條件及實(shí)際需求，參照GB/T 37408-2019《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》[2]，單臺(tái)集中式光伏并網(wǎng)逆變器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示，符合UL508C電力轉(zhuǎn)換設(shè)施的規(guī)范。

表1 單臺(tái)集中式光伏并網(wǎng)逆變器的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of intelligent PV grid-connected inverter

2 本文設(shè)計(jì)的逆變柜的構(gòu)成、逆變器的各項(xiàng)設(shè)計(jì)及所連接光伏組件的結(jié)構(gòu)形式

2.1 本文設(shè)計(jì)的逆變柜的構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的逆變柜適用于日照均勻、發(fā)電功率在0.1～1.5 MW 以上的大型光伏電站中，逆變柜中的逆變器采用“主從”結(jié)構(gòu)，“主”結(jié)構(gòu)包括2 個(gè)以上“從” 結(jié)構(gòu)?！皬摹苯Y(jié)構(gòu)中的集中式光伏并網(wǎng)逆變器通過(guò)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路與匯流箱連接，匯流箱的匯流總功率由這幾臺(tái)逆變器均分；將DC/DC部分設(shè)置在匯流部分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)MPPT 功能，避免組串之間分配不平衡造成能量損失。

采用“主從”結(jié)構(gòu)的逆變器通過(guò)逆變柜中設(shè)置的多個(gè)電壓、電流、溫度傳感器與智能控制器連接。智能控制器根據(jù)實(shí)時(shí)太陽(yáng)輻射量及DC/DC 部分正常工作組串的變換實(shí)時(shí)進(jìn)行微處理，及時(shí)進(jìn)行工作時(shí)“主從”結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變換，即當(dāng)太陽(yáng)輻射量較低時(shí)，“從”結(jié)構(gòu)中的1 臺(tái)逆變器工作，以提高光伏陣列輸出功率低時(shí)逆變器的工作效率；當(dāng)太陽(yáng)輻射量升高、光伏陣列的輸出功率增加到超過(guò)1 臺(tái)逆變器的容量時(shí)，另1 臺(tái)“從”結(jié)構(gòu)中的逆變器自動(dòng)投入運(yùn)行。

“從”結(jié)構(gòu)中逆變器自動(dòng)轉(zhuǎn)變成動(dòng)態(tài)的“主”逆變器，可實(shí)時(shí)消除光伏組件的特性差異或遮擋對(duì)組件造成的影響，保證光伏組件動(dòng)態(tài)最佳功率點(diǎn)與逆變器匹配，以及各組串的MPPT 特性一致，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率損耗最小，發(fā)電量實(shí)時(shí)保持最大。為了保證所有逆變器的運(yùn)行時(shí)間均等，“主”“從”結(jié)構(gòu)中的逆變器可自動(dòng)切換“主從”配置。雖然逆變器采用“主從”結(jié)構(gòu)的逆變柜的初始成本較高，但其可以提高各個(gè)逆變器運(yùn)行時(shí)的效率，對(duì)于大型光伏電站而言，效率的提高能夠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 單臺(tái)集中式光伏并網(wǎng)逆變器的各項(xiàng)設(shè)計(jì)

以500 kW 集中式光伏并網(wǎng)逆變器為例進(jìn)行分析。此處僅給出所需的設(shè)計(jì)公式，為選型設(shè)計(jì)校核提供參考依據(jù)。

2.2.1 智能功率模塊(IPM)的設(shè)計(jì)

IGBT 是IPM 的關(guān)鍵部件，所以根據(jù)開(kāi)關(guān)速度、額定電壓和額定電流情況選取IGBT。考慮到集中式光伏并網(wǎng)逆變器是由多個(gè)IGBT 的橋臂構(gòu)成三相全橋電路，根據(jù)單臺(tái)集中式光伏并網(wǎng)逆變器的技術(shù)要求，其直流母線最高電壓為850 V，關(guān)斷尖峰電流可以達(dá)到20%以上，IGBT 耐壓要超過(guò)20%，即IGBT 耐壓要超過(guò)1020 V。單臺(tái)集中式光伏并網(wǎng)逆變器的額定功率P為500 kW，則流經(jīng)單個(gè)IGBT 的額定電流I的計(jì)算式為：

式中，U為逆變器交流側(cè)的工作電壓，此處取270 V。

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，可得到流經(jīng)單個(gè)IGBT 的額定電流為1069 A，考慮到1.4 倍以上的裕量，則額定電流取1600 A、額定電壓取1200 V，即單個(gè)IGBT 的基本參數(shù)為1600 A/1200 V/半橋。

1 個(gè)IPM 包括6 個(gè)IGBT。每個(gè)IGBT 半橋電路兩端并聯(lián)1 個(gè)吸收電容，可以抑制開(kāi)關(guān)管切斷瞬間產(chǎn)生的電壓尖峰。

IGBT 的兩端通過(guò)復(fù)合母排連接到吸收電容的兩極。采用復(fù)合母排不但可以減少IGBT 開(kāi)、關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓，還可以降低電磁干擾，提高逆變器的電磁兼容性能。

2.2.2 濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)

為了防止高次諧波進(jìn)入電網(wǎng)和光伏組件內(nèi)，同時(shí)防止電網(wǎng)和光伏組件的強(qiáng)烈干擾影響逆變器的正常運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)逆變器的功率大小，直流側(cè)和交流側(cè)的濾波器選擇適當(dāng)?shù)碾妷号c電流。

2.2.3 直流支撐電容的設(shè)計(jì)

700 V)，在以700 V 工作時(shí)，當(dāng)逆變器突然增加50%負(fù)載、逆變器載波的周期為278 μs 時(shí)，直流母線電壓的最大波動(dòng)應(yīng)小于5%。此時(shí)直流支撐電容C的計(jì)算式可表示為：

式中，Udc為逆變器直流母線電壓；Pt為負(fù)載。

2.2.4 吸收電容的設(shè)計(jì)

為了吸收IGBT 母排上雜散電感引發(fā)的尖峰電壓，在電路中增加吸收電容，電壓等級(jí)與IGBT 相同。吸收電容CS的計(jì)算式可表示為：

式中，Lp為母線寄生電感；i為關(guān)斷電流；ΔU為尖峰電壓。

2.2.5 網(wǎng)側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)

網(wǎng)側(cè)濾波器的選取由網(wǎng)側(cè)濾波電感決定，逆變器的輸出電流的紋波電流系數(shù)決定濾波電感的最小值，在額定工作時(shí)，紋波電流通常取峰值電流的15%～20%。則網(wǎng)側(cè)電感的紋波電流ΔILmax的計(jì)算式為：

式中，σ 為網(wǎng)側(cè)電感的紋波電流系數(shù)；Poutmax為逆變器的輸出功率；Uout為逆變器輸出電壓的有效值；η 為逆變器的輸出效率。

由于逆變器開(kāi)關(guān)頻率的限制，網(wǎng)側(cè)濾波電感不宜取值太小，否則會(huì)引起劇烈的電流波動(dòng)，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的諧波含量增大，此時(shí)主電路無(wú)法正常工作，因此濾波器電感L 的取值需滿足式(5)，即：

式中，fs為逆變器開(kāi)關(guān)頻率。

2.2.6 濾波器電容的設(shè)計(jì)

對(duì)于高于濾波器轉(zhuǎn)折頻率的高次諧波，LC低通濾波器將會(huì)以40dB/dec 的速度衰減。若選擇遠(yuǎn)低于開(kāi)關(guān)頻率的轉(zhuǎn)折頻率，則會(huì)對(duì)諧波有較為明顯的抑制作用。濾波器電容Cf的計(jì)算式為：

式中，fn為轉(zhuǎn)折頻率。

2.3 逆變器所連接組件的結(jié)構(gòu)形式

對(duì)于單臺(tái)集中式光伏并網(wǎng)逆變器(500 kW)而言，其所連接的光伏組件的串聯(lián)數(shù)量可通過(guò)式(7)進(jìn)行計(jì)算。

式中，Vmpptmin為最大功率點(diǎn)時(shí)的電壓最小值，V；Vmpptmax為最大功率點(diǎn)時(shí)的電壓最大值，V；Vpm為光伏組件的電壓，V；K′V為光伏組件的電壓溫度系數(shù)，%/℃；N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)量，且N取整數(shù)；t為光伏組件工作時(shí)的極限低溫，℃；t′為光伏組件工作時(shí)的極限高溫，℃。

集中式光伏并網(wǎng)逆變器所連接的光伏組串的結(jié)構(gòu)同樣采用“主從”結(jié)構(gòu)，當(dāng)某個(gè)光伏組串出現(xiàn)不良，本文設(shè)計(jì)的逆變柜輸出電能不合格且逆變柜不能正常工作時(shí)，由于光伏云平臺(tái)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控每塊光伏組件的電壓、電流、溫度、MPPT 等數(shù)據(jù)，基于IEC 61550 標(biāo)準(zhǔn)，逆變柜能分析出每塊光伏組件的不良狀況與正常狀況，可通過(guò)切斷不良光伏組件并重新組合成正常組串來(lái)智能化控制每塊組件，改善并優(yōu)化了光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)特性。從“從”結(jié)構(gòu)中剔除不良光伏組件，從“主”結(jié)構(gòu)中重新均分光伏組件，將電壓、電流正常的組件判斷為健康的組件，并將它們串聯(lián)在一起，再并聯(lián)接入逆變器，使原本不能正常工作的逆變柜可以輸出更多的合格電能。

圖1 光伏組件的智能化控制Fig. 1 Intelligent control of PV modules

3 本文設(shè)計(jì)的逆變柜、光伏組件與光伏云平臺(tái)之間的關(guān)系

本文中的云平臺(tái)采用正泰光伏云平臺(tái)，其與光伏組件、本文設(shè)計(jì)的逆變柜之間的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 本文設(shè)計(jì)的逆變柜與光伏組件及正泰光伏云平臺(tái)的關(guān)系圖Fig. 2 Relationship diagram of inverter cabinet designed in this paper, the PV modules and Chint PV cloud platform

本文設(shè)計(jì)的逆變柜基于IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485/DI 輸送到監(jiān)控通信柜，再由英特網(wǎng)NET/GPRS 輸送到正泰光伏云平臺(tái)，最后并入能源互聯(lián)網(wǎng)。光伏云平臺(tái)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析處理；對(duì)逆變柜故障前異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)報(bào)警；對(duì)光伏組件和逆變器的健康度進(jìn)行診斷，并實(shí)時(shí)提出預(yù)防型措施和優(yōu)化型措施指導(dǎo)光伏發(fā)電；對(duì)于逆變柜故障前、后進(jìn)行故障錄波、定位和推送；并對(duì)數(shù)據(jù)深度挖掘、統(tǒng)計(jì)分析、歸類比較，對(duì)提高光伏發(fā)電效率和降低成本的運(yùn)行模型進(jìn)行不斷優(yōu)化。

4 本文設(shè)計(jì)的逆變柜的電氣原理

本文設(shè)計(jì)的逆變柜中的集中式光伏并網(wǎng)逆變器采用“主從”結(jié)構(gòu)，匯流箱通過(guò)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路與逆變器連接，逆變器將直流電逆變?yōu)榻涣麟婐伻腚娋W(wǎng)。

本文設(shè)計(jì)的逆變柜輸出的波形為功率因數(shù)接近“1”的正弦波，其電路系統(tǒng)分為主電路和微處理電路。主電路包括接入的多路光伏陣列的電路、電涌隔離熔斷電路、接地故障檢測(cè)中斷裝置GFDI、直流濾波器、預(yù)充電路、IPM、主隔離變壓器、預(yù)充電路、交流濾波器、交流防雷模塊等；微處理電路主要包括智能控制器模塊(DSP 控制器、MPPT 跟蹤、微處理部分)及其他外圍電路器件；二者共同組成了本文設(shè)計(jì)的逆變柜的硬件系統(tǒng)[3]。

在該逆變柜的主電路實(shí)現(xiàn)DC-DC-AC 逆變后，微處理電路需要完成光伏電力的并網(wǎng)控制過(guò)程。該控制過(guò)程是當(dāng)DSP 控制器判斷光伏組串為健康組串時(shí)，才會(huì)將直流電輸入至逆變器，相應(yīng)的經(jīng)過(guò)逆變柜逆變后的交流電電壓值、波形、相位等才是符合要求的。因此DSP 控制器與管控電路需要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)周期相位實(shí)時(shí)檢測(cè)、電流相位反應(yīng)檢測(cè)、光伏組件電壓和溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制、實(shí)時(shí)MPPT 跟蹤、實(shí)時(shí)正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生等內(nèi)容。本文設(shè)計(jì)的逆變柜的電氣原理圖如圖3。

本文設(shè)計(jì)的逆變柜的工作過(guò)程為：逆變柜將要并入電網(wǎng)的光伏電力的電壓和相位經(jīng)霍爾電壓傳感器傳給A/D 轉(zhuǎn)換器，微處理器將回饋電流的相位與公用電網(wǎng)的相位作比較，其誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)智能控制器中的PID運(yùn)算器后，傳送給PWM調(diào)解，完成逆變柜電能1.0 功率因數(shù)的回饋過(guò)程。

本文設(shè)計(jì)的逆變柜中傳感器檢測(cè)出光伏陣列的輸出電壓和電流后可得到其輸出功率，而后智能控制器對(duì)PWM 的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此來(lái)調(diào)節(jié)回饋電壓的大小，從而完成逆變柜控制逆變功率最大功率的尋優(yōu)[3]。

圖3 本文設(shè)計(jì)逆變柜的電氣原理圖Fig. 3 Electrical schematic of inverter cabinet designed in this paper

5 本文設(shè)計(jì)的逆變柜的優(yōu)勢(shì)

1)高效率的硬件設(shè)計(jì)。逆變柜的設(shè)計(jì)既要滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的要求，又要滿足長(zhǎng)期可靠的負(fù)載用電需求[1]。本文設(shè)計(jì)的逆變柜采用的是高效率的硬件設(shè)計(jì)，具體如圖4所示。

2)使用壽命長(zhǎng)。該逆變柜的平均無(wú)故障時(shí)間超過(guò)了10 萬(wàn)h。

圖4 高效率的硬件設(shè)計(jì)Fig. 4 Design of high-efficiency hardware

3)采用智能變步長(zhǎng)MPPT 算法。采用智能判斷、自動(dòng)變步長(zhǎng)的多模式MPPT 算法，采用MPPT 電壓下限自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)，MPPT 靜態(tài)效率可達(dá)99.9%、動(dòng)態(tài)效率可達(dá)99.5%。

4)采用最低開(kāi)關(guān)損耗SVPWM 調(diào)制方法，500 kW 滿載損耗降低1400 W，效率提升了0.2%。

6 結(jié)論

本文介紹了一種基于光伏云平臺(tái)的智能型光伏并網(wǎng)逆變柜及其電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該逆變柜經(jīng)北美客戶廣泛應(yīng)用后給予了好評(píng)和認(rèn)可。本設(shè)計(jì)的逆變柜具有大容量、高效率、強(qiáng)可靠性的電網(wǎng)友好型特性，500 k W 滿載損耗降低1400 W，平均無(wú)故障時(shí)間超過(guò)了10 萬(wàn)h，為完成光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)打下了基礎(chǔ)，容易形成規(guī)模效益和廣泛推廣應(yīng)用的趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)可為從事大功率三相光伏并網(wǎng)逆變器研究和設(shè)計(jì)的人員提供很好的參考價(jià)值。