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      光伏并網微逆變器研究中的關鍵技術

      發布日期:2016-01-30   作者:中南大學信息科學與工程學院 黃紅橋 危韌勇 陳有根 中國電子科技集團第48所 楊 金   瀏覽次數:63736
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      【摘   要】:微逆變器技術的研究成為光伏并網發電研究領域的熱點之一。文章闡述了微變器的內涵、特征及其發展現狀。從技術內涵角度綜述了微逆變器研究中的關鍵技術,包括主電路拓撲結構、功率解耦技術、最大功率跟蹤技術、并網電流控制技術、反孤島保護、通信和監控技術。并給出了微逆變器未來可能的發展趨勢。

      1引言
      隨著光伏屋頂和光伏建筑市場的快速增長,光伏并網逆變器的需求也越來越多。常見的光伏并網發電逆變系統通常有集中式逆變和串式/多串式逆變兩種主要形式。在這兩種系統中均存在大量光伏組件的串并聯,系統的最大功率點跟蹤也是針對整個光伏模塊進行的,無法保證每個組件均運行在最大功率點,也無法獲得每個光伏組件的狀態信息,不利于對每個光伏電池板管理。
      在光伏屋頂和光伏建筑中太陽能電池板不可避免的存在不同安裝傾斜角度、不同面向方位以及局部陰影的影響。此外,由于污垢、不同的老化程度、細小的裂縫和不光伏電池板特性的差異等因素影響,造成各個組件的發電效率彼此各不相同,若采用集中式逆變的最大功率點跟蹤,容易使系統失配導致輸出效率下降(尤其在局部陰影的影響下),進而導致系統整體輸出功率大幅降低;甚至可能形成熱斑,導致系統損壞。這些都是集中式逆變和串式/多串式逆變存在且難已解決的問題1-4。
      基于此,研究人員提出了一種采用微逆變器的新型分布式光伏并網逆變結構,有效的解決了集中式逆變結構所面臨的各種問題。目前,分布式逆變結構主要有兩種,一種是在單塊光伏電池板后面安裝一個DC-DC部分,進行最大功率跟蹤,然后集中式逆變,另一種,在單塊光伏電池板后面直接安裝微逆變器,將光伏電池板產生的交流電直接轉化成交流電。第二種結構已逐漸成為了市場的主流。本文在介紹國外微逆變器的研究現狀的基礎上,主要對微逆變器所需研究的相關關鍵問題進行歸納和總結,主要包括拓撲結構、功率解耦技術、通信和監控技術和并網電流控制技術等。
      2微逆變器的特征及發展現狀
      2.1微逆變器的組成和特征
      微逆變器是功率等級較少(100W-300W)的光伏并網逆變器,它直接安裝在單塊光伏組件上,將單塊光伏組件產生的直流電直接轉化為交流電,若干光伏組件并聯形成系統,接入公共電網。圖1所示的為采用微逆變器的分布式光伏并網系統,該系統主要由嵌入微逆變器的光伏電池板和控制中心組成。微逆變器將光伏電池的實時信息通過無線網絡傳送給控制中心,便于診斷和管理。這種分布式發電具有集中式逆變器無法比擬的優勢主要表現以下向幾方面5-10
      1對單塊組件的最大功率點進行跟蹤,可大大提高光伏系統的發電量(可提高5~25%);
      2)將微逆變器與光伏組件集成,可以實現模塊化設計,實現即插即用和熱插拔,系統擴展簡單方便;
      3)能夠充分利用空間和適應不同安裝方向和角度;
      4)配置靈活,在家用市場可以按照用戶財力安裝光伏電池大;
      5)無高壓電,更安全,安裝簡單,維護安裝成本低廉,對安裝服務商依賴性減少;
      6)系統冗余度高、可靠性高,單個模塊失效不會對整個系統造成影響。

       
      1 新型分布式光伏并網系統示意圖
       
              傳統的集中式逆變器由于工作在高電壓、大電流的場合,壽命一般為5~15年,而光伏組件的壽命為20~25年,這就需要更換和維修集中式逆變器。相反,為使微逆變器同光伏組件的壽命匹配,微逆變器采用航空電源的技術設計及標準,具有高可靠性、高效率和長壽命的特色。同時,便于與光伏組件模塊化,微逆變器應具有體積小、重量輕的特點。微逆變器大致的功能框圖如圖2所示,微逆變器主要由升壓環節和周波變換器兩部分組成(單級式微逆變器)。升壓環節主要是升高光伏電池電壓,保證輸出端能輸出220V的交流電壓,同時能夠實現最大功率跟蹤、反孤島保護和并網,周波變換器用于實現高頻交流電變成工頻交流電。

       
      微逆變器的功能框圖
      2.2微逆變器的發展現狀
      美國加州的Enphase Energy2008年發布微逆變器第一代產品M190,如圖3a)。之后不久,推出一系列的微逆變器產品并開始商業化量產,取得了較好的銷售成績,在2009-2010年銷量累計達10萬套,使得微逆變器獲得了更廣泛的認可,吸引了眾多公司紛紛加入到微逆變器的研發行列;德國艾斯瑪太陽能技術股份公司(SMA Solar Technology)2009年通過技術收購荷蘭OKE-Services光伏系統電子開發商,進入了微逆變器市場。20107月,英國的Enecsys公司發布了自己的產品SMI-200/VDE,如圖3b),該產品的擔保期長達20年。隨著國外微逆變器市場的日益火熱,眾多廠商也嘗試開始微逆變器產品的開發。國內最早從事微逆變器研究的公司-英偉力 (Involar)新能源科技公司于20105月發布了其第一代產品MAC250,如圖3c)。目前該款微逆變器產品已經推向市場,但由于剛起步,產品質量也有待市場檢驗。

       
      3 微逆變器的產品示意圖
      隨著電力電子元器件的發展、數字信號處理和信息通信技術的應用以及先進的控制方法的提出,微逆變器的一些技術也得到了快速發展。主要表現在以下幾個方面11-16
      (1)SIC整流管和GaNMOSFET出現,減少了器件的損耗,提高了微逆變器的效率;
      (2)微逆變器的拓撲結構由多級的功率變換逐漸向單級的功率變換轉換,減少了元器件的數量、減少了損耗和降低了成本;
      (3)高頻軟開關技術的應用提高了系統的頻率和效率,減少了體積;
       (4)從傳統的需要電流電壓傳感器的MPPT技術,逐漸向無電流電壓傳感器的最大功率跟蹤技術轉變;
      (5)傳統的電解電容的功率變換技術,由于壽命短、穩定性差等缺點,許多學者開始研究薄膜電容的功率變換技術和長壽命的電解電容技術;
      (6)先進的并網電流控制方法改善了微逆變器輸出波形質量,從而減小濾波環節的體積,提高系統的動態響應性能和穩定性;
      (7)建立了基于Web模式的可視化監視平臺。
      3微逆變器的關鍵技術
      3.1高性能的主電路拓撲結構
      微逆變器主電路的拓撲結構對系統的安全性、可靠性、效率息息相關,直接影響微變器的整體性能?紤]到光伏電池輸出電壓低、電壓范圍寬的特點,應選擇具有升壓變換功能的拓撲結構,同時考慮到安全性和可靠性需要高頻變壓器進行電氣隔離。反激式變換器拓撲結構簡潔、控制簡單、可靠性高,是一種較好的拓撲方案。圖4為簡化的美國Enphase Energy公司微逆變器的主電路圖,升壓環節為交錯并聯反激變換器,用于產生正弦半波,再通過SCR橋換向為正弦波后并網。該電路中所有的主開關管及輔助開關管通過加輔助電路后均能實現ZVS。文獻[17-20]針對小功率的發布式發電給出多種拓撲結構,像三端口的反激式拓撲結構、帶耦合電感的雙BOOST電路、Buck-Boost拓撲結構、雙向反激拓撲結構、半橋諧振拓撲結構,準諧振拓撲結構等,這些拓撲結構為微逆變器的拓撲的選型或改進提供了參考。

       
      簡化的Enphase微逆變器主電路圖
      3.2功率解耦技術和高頻軟開關技術
      微逆變器饋入電網的電流與電網電壓同頻同相,輸出功率存在瞬時功率為零的時刻。而光伏陣列發出的功率時一個比較穩定的直線功率,這就需要一個大的儲能裝置實現功率解耦。一般采用電容作為解耦環節,傳統的解耦電容一般都采用電解電容,而電容解電容的壽命低,同時大體積的電解電容,也不符合逆變器小體積的特殊要求。為了使微逆變器的壽命與光伏組件相匹配,一些研究者,一方面致力于開發長壽命的電解電容,另一方面,通過研究各種方法(如功率解耦技術)減少解耦電容的大小,再用長壽命高性能的薄膜電容來取代電解電容。文獻[4]對功率技術進行了概述,給出了三種不同解耦方法:光伏端解耦;DC直流環節解耦;AC端解耦。然后對不同的解耦方法,給出了不同的拓撲結構,并對各種拓撲結構的控制復雜程度、解耦電容的大小、效率等方面做了歸納總結,為微逆變器解耦提供了借鑒。
      高頻軟開關技術可以在不增長開關耗損的前提下,將微逆變器的工作頻率提高到幾百千赫茲,對減少微逆變器中高頻變壓器的體積和提高系統的效率起著重要的作用。
      3.3高品質的并網電流控制技術
      傳統的并網電流控制技術主要有PI控制、重復控制、滯環控制、單周控制方法、預測電流控制、比例諧振控制等。這些傳統的并網電流控制技術都有其適用范圍和優缺點,許多研究者,針對傳統的并網電流控制技術一些缺點,做了一些改進。文獻[21]針對常規比例諧振控制器對電網頻率變化和電網參數敏感等缺點,給出了一種準比例諧振控制并網電流控制技術,使該控制器既可以保持諧振控制器的高增益,還可以減小由于電網頻率偏移對逆變器輸出電流的影響。文獻[22]表明電流雙閉環控制策略具有諧振抑制能力強,入網電流相位直接可控的優點,且系統穩定性也較好。對電流雙閉環方案的諧振抑制原理和系統穩定條件進行了具體分析,并給出了閉環控制器的設計方法和外特性的改善措施。開發新型的高品質、低成本小功率并網電流控制技術是微逆變器開發需要解決的一個關鍵性問題。
      3.4新型的最大功率跟蹤技術(MPPT)
      微逆變器的MPPT技術應選用無電壓電壓傳感器的MPPT技術,不能像傳統的集中式逆變器,先從光伏電池端采樣電壓電流,然后進行最大功率跟蹤,額外的霍爾傳感器必然會增加系統成本及逆變器體積。文獻[23]提出了直接電流控制的MPPT算法,它以變換器輸出電流作為判斷依據進行最大功率點跟蹤,不僅可以省去了光伏端采樣的兩個傳感器,而且無需乘法運算,在繼承擾動觀測法算法簡單、受環境因素影響小等優點的基礎上,進一步降低系統成本,減輕單片機運算負擔。文獻[14-15,24-28]也提出多種不同的只需一種光伏側采樣的傳感器(電壓或電流傳感器)和不需要光伏側采樣的電壓電流傳感器,實際上這些算法都是從中間直流環節或者輸出側間接得到電壓電流,這些電壓電流的變化會反應出光伏電池板功率的變化,從而進行最大功率跟蹤。而輸出側和中間環節的電壓或電流,在實際當中必須要測量的物理里,因此,節約了從光伏電池板的直接取樣的電壓電流傳感器,降低了成本。迎合了微逆變器低成本、小體積的特殊要求。
      3.5微逆變器的反孤島檢測和保護技術
      在發生大電網故障等情況時,出于用電安全和用電質量的考慮,微逆變器須迅速檢測出孤島,對分離系統部分和孤島采取相應的調控措施,至系統故障消除后再恢復并網運行。孤島檢測技術可以劃分為主動檢測和被動檢測。針對被動檢測的缺陷,許多學者研究了多種主動檢測的方法。主動檢測的方法可以分為兩類:基于正反饋的主動檢測方法和基于諧波注入的主動檢測方法。在文獻[29-31]綜述了基于正反饋不同的主動檢測方法,包括輸出的有功和無功變化法、Sandia電壓漂移(SVS)Sandia頻率漂移,主動頻率漂移法(AFD),文獻[32]對以上幾種適用于微逆變器的主動檢測方法和基于諧波注入的檢測方法做了仿真分析,仿真表明基于諧波注入的檢測方法比基于正反饋的主動檢測方法更能快速的檢測出孤島,原因正反饋的檢測方法需要相當長的時間才能達到/過電壓和/過頻率,而注入諧波的主動檢測方法,允許較少的阻抗變化值,能快速的檢測出孤島效應。在多光伏系統并網運行時由于輸出功率變化大,也有可能造成電壓閃變和電網不穩,因此,怎樣在進行孤島檢測時不影響并網電流質量的孤島檢測技術成為亟待解決的難題。
      3.6信息通信和監控技術
      當多個微逆變器組成分布式發電系統時,微逆變器將光伏電池板的實時狀況和性能發送給控制中心。用戶和安裝者可以隨時查看每塊電池板的發電量和性能。這種獨特的設計為用戶和安裝者提供實時的詳細數據以確保光伏發電系統正常運行。這些信息也能用于快速診斷單塊光伏電池可能出現的問題和出現的位置,它提供了必要的精確維護向導,這是集中式逆變器不具備的?刂浦行膶⑽⒛孀兤魇占墓夥姵匕宓男畔,通過網關連接到互聯網,用戶和安裝者通過互聯網在任何地方都可以觀察每個電池的性能和發電量,以實現有效、準確、實時的監測與管理。
      目前微逆變器之間的通信方式主要有電力載波通信和無線通信。電力線載波通信技術通過電網交流母線就可以采集各個微逆變器和光伏組件的輸出功率和狀態信息,很方便的實現整個系統的監控,同時不需要額外的通信線路,對系統連線沒有任何負擔,極大的簡化了系統結構。其中Enphase、SolarBridge、英偉力等公司,采用了電力載波通信。無線通信的技術主要有PoE、ZigBee、GPRS等,其中Enecsys公司采用ZigBee無線通信,英偉力公司部分產品也采用無線WiFi網絡技術[5-10]。
      4微逆變器研究的發展發向
      近幾年,微逆變器作為一個較前沿的研究領域,以其高可靠性、高效率、高品質等特點在歐美發達國家得到了大力發展,在我國很多高校和科研院所在光伏發電技術方面已開展了大量研究,但對微逆變器的研究還處于嘗試階段。未來幾年,微逆變器的理論及相關技術將會通過示范性工程驗證,進而得到廣泛實踐與應用。今后,微逆變器可能研究的主要方向如下:
      1)簡化主電路結構
      采用模塊化設計、集成芯片的開發、減少元器件的數量、簡化濾波裝置等措施,以實現微逆變器的低成本、長壽命、高效率、高品質和高可靠性;
      2)高效率的無電壓電流傳感器的最大功率跟蹤技術的研究;
      3)新型的并網電流控制技術;
      它應具備快速響應電網瞬態變化、抗干擾性強、控制簡單等特點,同時也能夠實現無功補償和諧波補償的功能;
      4)新型的反孤島保護算法的研究和反孤島保護裝置的研制
      在分布式光伏發電系統中,若每個微逆變器都進行主動反孤島保護,都對系統加一個擾動量,可能會對電能質量產生影響。因此,需要建立適合分布式光伏逆變特點的反孤島保護;
      5)智能故障診斷系統
      根據采集的信息對設備進行全面的分析,得出設備運行的最佳狀況和故障的原因,指導現場操作人員進行參數調整,使設備運行在最佳狀態,從而達到延長設備使用壽命的目的。
      6)基于Web模式智能化、可視化的監控平臺的開發。
      5結束語
      微逆變器技術的發展和推廣對我國未來的光伏屋頂計劃和光伏建設一體化的應用具有重要意義。隨著國家對可再生能源開發、利用重視程度的加大,光伏并網發電的發展前景良好。在此背景下,本文主要歸納和總結了微逆變器關鍵技術,并給出了并網微逆變器的未來可能發展趨勢,為微逆變器的研究提供借鑒和參考。
      作者簡介
      黃紅橋(1986-)男 中南大學碩士研究生,研究方向為光伏發電技術及光伏并網微逆變器。
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