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光伏并网微逆变器研究中的关键技术

发布日期:2016-01-30   作者:中南大学信息科学与工程学院 黄红桥 危韧勇 陈有根 中国电子科技集团第48所 杨 金   浏览次数:52410
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【摘   要】:微逆变器技术的研究成为光伏并网发电研究领域的热点之一。文章阐述了微变器的内涵、特征及其发展现状。从技术内涵角度综述了微逆变器研究中的关键技术,包括主电路拓扑结构、功率解耦技术、最大功率跟踪技术、并网电流控制技术、反孤岛保护、通信和监控技术。并给出了微逆变器未来可能的发展趋势。

1引言
随着光伏屋顶和光伏建筑市场的快速增长,光伏并网逆变器的需求也越来越多。常见的光伏并网发电逆变系统通常有集中式逆变和串式/多串式逆变两种主要形式。在这两种系统中均存在大量光伏组件的串并联,系统的最大功率点跟踪也是针对整个光伏模块进行的,无法保证每个组件均运行在最大功率点,也无法获得每个光伏组件的状态信息,不利于对每个光伏电池板管理。
在光伏屋顶和光伏建筑中太阳能电池板不可避免的存在不同安装倾斜角度、不同面向方位以及局部阴影的影响。此外,由于污垢、不同的老化程度、细小的裂缝和不光伏电池板特性的差异等因素影响,造成各个组件的发电效率彼此各不相同,若采用集中式逆变的最大功率点跟踪,容易使系统失配导致输出效率下降(尤其在局部阴影的影响下),进而导致系统整体输出功率大幅降低;甚至可能形成热斑,导致系统损坏。这些都是集中式逆变和串式/多串式逆变存在且难已解决的问题1-4
基于此,研究人员提出了一种采用微逆变器的新型分布式光伏并网逆变结构,有效的解决了集中式逆变结构所面临的各种问题。目前,分布式逆变结构主要有两种,一种是在单块光伏电池板后面安装一个DC-DC部分,进行最大功率跟踪,然后集中式逆变,另一种,在单块光伏电池板后面直接安装微逆变器,将光伏电池板产生的交流电直接转化成交流电。第二种结构已逐渐成为了市场的主流。本文在介绍国外微逆变器的研究现状的基础上,主要对微逆变器所需研究的相关关键问题进行归纳和总结,主要包括拓扑结构、功率解耦技术、通信和监控技术和并网电流控制技术等。
2微逆变器的特征及发展现状
2.1微逆变器的组成和特征
微逆变器是功率等级较少(100W-300W)的光伏并网逆变器,它直接安装在单块光伏组件上,将单块光伏组件产生的直流电直接转化为交流电,若干光伏组件并联形成系统,接入公共电网。图1所示的为采用微逆变器的分布式光伏并网系统,该系统主要由嵌入微逆变器的光伏电池板和控制中心组成。微逆变器将光伏电池的实时信息通过无线网络传送给控制中心,便于诊断和管理。这种分布式发电具有集中式逆变器无法比拟的优势主要表现以下向几方面5-10
1对单块组件的最大功率点进行跟踪,可大大提高光伏系统的发电量(可提高5~25%);
2)将微逆变器与光伏组件集成,可以实现模块化设计,实现即插即用和热插拔,系统扩展简单方便;
3)能够充分利用空间和适应不同安装方向和角度;
4)配置灵活,在家用市场可以按照用户财力安装光伏电池大小;
5)无高压电,更安全,安装简单,维护安装成本低廉,对安装服务商依赖性减少;
6)系统冗余度高、可靠性高,单个模块失效不会对整个系统造成影响。

 
1 新型分布式光伏并网系统示意图
 
        传统的集中式逆变器由于工作在高电压、大电流的场合,寿命一般为5~15年,而光伏组件的寿命为20~25年,这就需要更换和维修集中式逆变器。相反,为使微逆变器同光伏组件的寿命匹配,微逆变器采用航空电源的技术设计及标准,具有高可靠性、高效率和长寿命的特色。同时,便于与光伏组件模块化,微逆变器应具有体积小、重量轻的特点。微逆变器大致的功能框图如图2所示,微逆变器主要由升压环节和周波变换器两部分组成(单级式微逆变器)。升压环节主要是升高光伏电池电压,保证输出端能输出220V的交流电压,同时能够实现最大功率跟踪、反孤岛保护和并网,周波变换器用于实现高频交流电变成工频交流电。

 
微逆变器的功能框图
2.2微逆变器的发展现状
美国加州的Enphase Energy2008年发布微逆变器第一代产品M190,如图3a)。之后不久,推出一系列的微逆变器产品并开始商业化量产,取得了较好的销售成绩,在2009-2010年销量累计达10万套,使得微逆变器获得了更广泛的认可,吸引了众多公司纷纷加入到微逆变器的研发行列;德国艾斯玛太阳能技术股份公司(SMA Solar Technology)2009年通过技术收购荷兰OKE-Services光伏系统电子开发商,进入了微逆变器市场。20107月,英国的Enecsys公司发布了自己的产品SMI-200/VDE,如图3b),该产品的担保期长达20年。随着国外微逆变器市场的日益火热,众多厂商也尝试开始微逆变器产品的开发。国内最早从事微逆变器研究的公司-英伟力 (Involar)新能源科技公司于20105月发布了其第一代产品MAC250,如图3c)。目前该款微逆变器产品已经推向市场,但由于刚起步,产品质量也有待市场检验。

 
3 微逆变器的产品示意图
随着电力电子元器件的发展、数字信号处理和信息通信技术的应用以及先进的控制方法的提出,微逆变器的一些技术也得到了快速发展。主要表现在以下几个方面11-16
(1)SIC整流管和GaNMOSFET出现,减少了器件的损耗,提高了微逆变器的效率;
(2)微逆变器的拓扑结构由多级的功率变换逐渐向单级的功率变换转换,减少了元器件的数量、减少了损耗和降低了成本;
(3)高频软开关技术的应用提高了系统的频率和效率,减少了体积;
 (4)从传统的需要电流电压传感器的MPPT技术,逐渐向无电流电压传感器的最大功率跟踪技术转变;
(5)传统的电解电容的功率变换技术,由于寿命短、稳定性差等缺点,许多学者开始研究薄膜电容的功率变换技术和长寿命的电解电容技术;
(6)先进的并网电流控制方法改善了微逆变器输出波形质量,从而减小滤波环节的体积,提高系统的动态响应性能和稳定性;
(7)建立了基于Web模式的可视化监视平台。
3微逆变器的关键技术
3.1高性能的主电路拓扑结构
微逆变器主电路的拓扑结构对系统的安全性、可靠性、效率息息相关,直接影响微变器的整体性能。考虑到光伏电池输出电压低、电压范围宽的特点,应选择具有升压变换功能的拓扑结构,同时考虑到安全性和可靠性需要高频变压器进行电气隔离。反激式变换器拓扑结构简洁、控制简单、可靠性高,是一种较好的拓扑方案。图4为简化的美国Enphase Energy公司微逆变器的主电路图,升压环节为交错并联反激变换器,用于产生正弦半波,再通过SCR桥换向为正弦波后并网。该电路中所有的主开关管及辅助开关管通过加辅助电路后均能实现ZVS。文献[17-20]针对小功率的发布式发电给出多种拓扑结构,像三端口的反激式拓扑结构、带耦合电感的双BOOST电路、Buck-Boost拓扑结构、双向反激拓扑结构、半桥谐振拓扑结构,准谐振拓扑结构等,这些拓扑结构为微逆变器的拓扑的选型或改进提供了参考。

 
简化的Enphase微逆变器主电路图
3.2功率解耦技术和高频软开关技术
微逆变器馈入电网的电流与电网电压同频同相,输出功率存在瞬时功率为零的时刻。而光伏阵列发出的功率时一个比较稳定的直线功率,这就需要一个大的储能装置实现功率解耦。一般采用电容作为解耦环节,传统的解耦电容一般都采用电解电容,而电容解电容的寿命低,同时大体积的电解电容,也不符合逆变器小体积的特殊要求。为了使微逆变器的寿命与光伏组件相匹配,一些研究者,一方面致力于开发长寿命的电解电容,另一方面,通过研究各种方法(如功率解耦技术)减少解耦电容的大小,再用长寿命高性能的薄膜电容来取代电解电容。文献[4]对功率技术进行了概述,给出了三种不同解耦方法:光伏端解耦;DC直流环节解耦;AC端解耦。然后对不同的解耦方法,给出了不同的拓扑结构,并对各种拓扑结构的控制复杂程度、解耦电容的大小、效率等方面做了归纳总结,为微逆变器解耦提供了借鉴。
高频软开关技术可以在不增长开关耗损的前提下,将微逆变器的工作频率提高到几百千赫兹,对减少微逆变器中高频变压器的体积和提高系统的效率起着重要的作用。
3.3高品质的并网电流控制技术
传统的并网电流控制技术主要有PI控制、重复控制、滞环控制、单周控制方法、预测电流控制、比例谐振控制等。这些传统的并网电流控制技术都有其适用范围和优缺点,许多研究者,针对传统的并网电流控制技术一些缺点,做了一些改进。文献[21]针对常规比例谐振控制器对电网频率变化和电网参数敏感等缺点,给出了一种准比例谐振控制并网电流控制技术,使该控制器既可以保持谐振控制器的高增益,还可以减小由于电网频率偏移对逆变器输出电流的影响。文献[22]表明电流双闭环控制策略具有谐振抑制能力强,入网电流相位直接可控的优点,且系统稳定性也较好。对电流双闭环方案的谐振抑制原理和系统稳定条件进行了具体分析,并给出了闭环控制器的设计方法和外特性的改善措施。开发新型的高品质、低成本小功率并网电流控制技术是微逆变器开发需要解决的一个关键性问题。
3.4新型的最大功率跟踪技术(MPPT)
微逆变器的MPPT技术应选用无电压电压传感器的MPPT技术,不能像传统的集中式逆变器,先从光伏电池端采样电压电流,然后进行最大功率跟踪,额外的霍尔传感器必然会增加系统成本及逆变器体积。文献[23]提出了直接电流控制的MPPT算法,它以变换器输出电流作为判断依据进行最大功率点跟踪,不仅可以省去了光伏端采样的两个传感器,而且无需乘法运算,在继承扰动观测法算法简单、受环境因素影响小等优点的基础上,进一步降低系统成本,减轻单片机运算负担。文献[14-1524-28]也提出多种不同的只需一种光伏侧采样的传感器(电压或电流传感器)和不需要光伏侧采样的电压电流传感器,实际上这些算法都是从中间直流环节或者输出侧间接得到电压电流,这些电压电流的变化会反应出光伏电池板功率的变化,从而进行最大功率跟踪。而输出侧和中间环节的电压或电流,在实际当中必须要测量的物理里,因此,节约了从光伏电池板的直接取样的电压电流传感器,降低了成本。迎合了微逆变器低成本、小体积的特殊要求。
3.5微逆变器的反孤岛检测和保护技术
在发生大电网故障等情况时,出于用电安全和用电质量的考虑,微逆变器须迅速检测出孤岛,对分离系统部分和孤岛采取相应的调控措施,至系统故障消除后再恢复并网运行。孤岛检测技术可以划分为主动检测和被动检测。针对被动检测的缺陷,许多学者研究了多种主动检测的方法。主动检测的方法可以分为两类:基于正反馈的主动检测方法和基于谐波注入的主动检测方法。在文献[29-31]综述了基于正反馈不同的主动检测方法,包括输出的有功和无功变化法、Sandia电压漂移(SVS)Sandia频率漂移,主动频率漂移法(AFD),文献[32]对以上几种适用于微逆变器的主动检测方法和基于谐波注入的检测方法做了仿真分析,仿真表明基于谐波注入的检测方法比基于正反馈的主动检测方法更能快速的检测出孤岛,原因正反馈的检测方法需要相当长的时间才能达到/过电压和/过频率,而注入谐波的主动检测方法,允许较少的阻抗变化值,能快速的检测出孤岛效应。在多光伏系统并网运行时由于输出功率变化大,也有可能造成电压闪变和电网不稳,因此,怎样在进行孤岛检测时不影响并网电流质量的孤岛检测技术成为亟待解决的难题。
3.6信息通信和监控技术
当多个微逆变器组成分布式发电系统时,微逆变器将光伏电池板的实时状况和性能发送给控制中心。用户和安装者可以随时查看每块电池板的发电量和性能。这种独特的设计为用户和安装者提供实时的详细数据以确保光伏发电系统正常运行。这些信息也能用于快速诊断单块光伏电池可能出现的问题和出现的位置,它提供了必要的精确维护向导,这是集中式逆变器不具备的。控制中心将微逆变器收集的光伏电池板的信息,通过网关连接到互联网,用户和安装者通过互联网在任何地方都可以观察每个电池的性能和发电量,以实现有效、准确、实时的监测与管理。
目前微逆变器之间的通信方式主要有电力载波通信和无线通信。电力线载波通信技术通过电网交流母线就可以采集各个微逆变器和光伏组件的输出功率和状态信息,很方便的实现整个系统的监控,同时不需要额外的通信线路,对系统连线没有任何负担,极大的简化了系统结构。其中EnphaseSolarBridge、英伟力等公司,采用了电力载波通信。无线通信的技术主要有PoEZigBeeGPRS等,其中Enecsys公司采用ZigBee无线通信,英伟力公司部分产品也采用无线WiFi网络技术[5-10]
4微逆变器研究的发展发向
近几年,微逆变器作为一个较前沿的研究领域,以其高可靠性、高效率、高品质等特点在欧美发达国家得到了大力发展,在我国很多高校和科研院所在光伏发电技术方面已开展了大量研究,但对微逆变器的研究还处于尝试阶段。未来几年,微逆变器的理论及相关技术将会通过示范性工程验证,进而得到广泛实践与应用。今后,微逆变器可能研究的主要方向如下:
1)简化主电路结构
采用模块化设计、集成芯片的开发、减少元器件的数量、简化滤波装置等措施,以实现微逆变器的低成本、长寿命、高效率、高品质和高可靠性;
2)高效率的无电压电流传感器的最大功率跟踪技术的研究;
3)新型的并网电流控制技术;
它应具备快速响应电网瞬态变化、抗干扰性强、控制简单等特点,同时也能够实现无功补偿和谐波补偿的功能;
4)新型的反孤岛保护算法的研究和反孤岛保护装置的研制
在分布式光伏发电系统中,若每个微逆变器都进行主动反孤岛保护,都对系统加一个扰动量,可能会对电能质量产生影响。因此,需要建立适合分布式光伏逆变特点的反孤岛保护;
5)智能故障诊断系统
根据采集的信息对设备进行全面的分析,得出设备运行的最佳状况和故障的原因,指导现场操作人员进行参数调整,使设备运行在最佳状态,从而达到延长设备使用寿命的目的。
6)基于Web模式智能化、可视化的监控平台的开发。
5结束语
微逆变器技术的发展和推广对我国未来的光伏屋顶计划和光伏建设一体化的应用具有重要意义。随着国家对可再生能源开发、利用重视程度的加大,光伏并网发电的发展前景良好。在此背景下,本文主要归纳和总结了微逆变器关键技术,并给出了并网微逆变器的未来可能发展趋势,为微逆变器的研究提供借鉴和参考。
作者简介
黄红桥(1986-)男 中南大学硕士研究生,研究方向为光伏发电技术及光伏并网微逆变器。
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