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光伏并网微逆变器发展及关键技术分析

2012-05-23 14:47:07点击:

光伏并网微逆变器发展及关键技术分析

常见的光伏并网发电系统结构包括集中式、串式、多串式和交流模块式等几种方案。集中式、串式和多串式系统中,都存在光伏组件的串联和并联,因此系统的最大功率点跟踪时针对整个串并联光伏阵列,无法兼顾系统中每个光伏阵列,单个光伏阵列利用率低、系统抗局部阴影能力差,且系统扩展灵活性不够。光伏并网微逆变器(简称微逆变器)与单个光伏组件相连,可以将光伏组件输出的直流电直接变换成交流电并传输到电网,具有以下优点:(1)保证每个组件均运行在最大功率点,具有很强的抗局部阴影能力;(2)将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)并网逆变器基本不独立占用安装空间,分布式安装便于配置,能够充分利用空间和适应不同安装方向和角度的应用;(4)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。

逆变器的概念由来已久,但最初并没有引起人们的注意,近年来随着太阳能发电技术的发展以及技术的进步,使得微逆变器十分具有吸引力。美国加州Petaluma的Enphase从2008年开始微逆变器的商业化量产,并取得了不错的销售成绩,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(SMASolarTechnology)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。国内众多的光伏并网逆变器生产厂商主要从事大功率集中并网逆变器产品的开发,随着国内外微逆变器市场的日益火热,众多厂商也纷纷蠢蠢欲动,尝试开始微逆变器产品的开发.

微逆变器不同于传统大功率集中式逆变器,本文重点分析微逆变器的关键性技术。

微逆变器的特点及设计考虑因素

微逆变器区别于传统逆变器的特点:

(1)逆变器输入电压低、输出电压高

单块光伏组件的输出电压范围一般为20~50V,而电网的电压峰值约为311V(220VAC)或156V(110VAC),因此,微逆变器的输出峰值电压远高于输入电压,这要求微逆变器需要采用具备升降压变换功能的逆变器拓扑;而集中式逆变器一般为降压型变换器,其通常采用桥式拓扑结构,逆变器输出交流侧电压峰值低于输入直流侧电压;

(2)功率小

单块光伏组件的功率一般在100W~300W,微逆变器直接与单块光伏组件相匹配,其功率等级即为100W~300W,而传统集中式逆变器功率通过多个光伏组件串并联组合产生足够高的功率,其功率等级一般在1kW以上。

微逆变器的设计考虑因素:

(1)变换效率高

并网逆变器的变换效率直接影响整个发电系统的效率,为了保证整个系统较高的发电效率,要求并网逆变器具有较高的变换效率。

(2)可靠性高

由于微逆变器直接与光伏组件集成,一般与光伏组件一起放于室外,其工作环境恶劣,要求微逆变器具有较高的可靠性

(3)寿命长

光伏组件的寿命一般为二十年,微逆变器的使用寿命应该与光伏组件的寿命相当。

(4)体积小

微逆变器直接与光伏组件集成在一起,其体积越小越容易与光伏组件集成。

(5)成本低

低成本是产品发展的必然趋势,也是微逆变器市场化的需求。

微逆变器的关键性技术

(1)微逆变器拓扑

微逆变器的特殊应用需求决定了其不能采用传统的降压型逆变器拓扑结构,如全桥、半桥等拓扑,而应该选择能够同时实现升降压变换功能的变换器拓扑,除能够实现升降压变换功能外,还应该实现电气隔离;另一方面,高效率、小体积的要求决定了其不能采用工频变压器实现电气隔离,需要采用高频变压器。

可选的拓扑方案包括:高频链逆变器、升压变换器与传统逆变器相组合的两级式变换、基于隔离式升降压变换器的Flyback逆变器等几种,其中Flyback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,目前Enphase、Involar(英伟力)等公司开发的微逆变器产品均是基于Flyback变换器。

(2)高效率变换技术

为了减小微逆变器的体积,要求提高逆变器的开关频率,而开关频率的提高必然导致开关损耗升高、变换效率下降,因此小体积与高效率两者之间是矛盾的,高频软开关技术是解决两者矛盾的有效方法,软开关技术可以在不增加开关损耗的前提下提高开关频率。

研究和开发简单有效的软开关技术并将软开关技术与具体的微逆变器拓扑相结合是微逆变器开发需要解决的关键问题之一,据报道,英伟力公司引入谐振软开关技术有效改善了微逆变器的变换效率,其发布的MAC250微逆变器产品最高效率达到95%以上,CEC效率达到94.5%以上。

(3)并网电流控制技术

传统的集中式并网逆变器中一般采用电流闭环控制技术保证进网电流与电网电压同频同相,实现高质量的并网电流控制,如采用PI控制、重复控制、预测电流控制、滞环控制、单周期控制、比例谐振控制等控制方法,上述方法都需要采用电流霍尔等元件采样进网电流,进而实现并网电流的控制。

由于微逆变器的小功率特色,为了降低单位发电功率的成本,且考虑到体积要求,开发新型的高可靠性、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另一个关键性问题。

(4)高效率、低成本最大功率点跟踪(MPPT)技术

光伏发电系统的效率为电池板的光电转换效率、MPPT效率和逆变器效率三部分乘积,高效率MPPT技术对光伏发电系统的效率提高和成本降低有十分重要的意义。

常见的MPPT算法包括开路电压法、短路电流法、爬山法、扰动观察法、增量电导法以及基于模糊和神经网络理论的智能跟踪算法等,上述MPPT方法中一般需要同时检测光伏输出侧电压和电流,进而计算出并网功率。

微逆变器的光伏侧输入电压低,因此光伏侧的电流较大,如果采用电阻检测输入侧电流,对微逆变器的整机效率影响较大,而采用霍尔元件采样光伏侧电流则会增加系统成本及逆变器体积,因此针对微逆变器的特殊要求,需要开发新型的无需电流检测的高效率MPPT技术。据报道,英伟力公司研究了一种无电流传感器MPPT技术来适应微逆变器的应用需求,MPPT效果良好,跟踪精度达到99.9%以上。

(5)孤岛检测技术

孤岛检测是光伏并网发电系统必备的功能,是人员和设备安全的重要保证。针对微逆变器的特殊应用需求,开发简单、有效、零检测盲区、不影响进网电流质量的孤岛检测技术是微逆变器开发需要解决的一个重要课题。

(6)无电解电容变换技术

光伏组件的寿命一般为20~25年,要求微逆变器的寿命必须接近光伏组件,而电解电容式功率变换器寿命的瓶颈,要使微逆变器达到光伏组件的寿命,必须减少或避免电解电容的使用,因此研究和开发无电解电容功率变换技术是微逆变器开发需要解决的另一个课题。

(7)信息通信技术

当多个微逆变器组成分布式发电系统时,系统需要实时收集每个微逆变器的信息,以实现有效的监测与管理,因此需要低成本、高效、高可靠性信息通信技术作为保证,可以利用的通信技术包括PLC、ZigBee、Z-Wave、6LowPA、PoE、GPRS、GSM技术等。