太阳能光伏并网逆变器选型研究

国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院 卢天琪

太阳能光伏并网逆变器选型研究

国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院 卢天琪

光伏并网逆变器的选型在太阳能光伏系统研设计中具有至关重要的作用，直接关系到太阳能光伏系统的太阳能能利用率和太阳能光伏发电系统能否正常运行。本文结合作者实际工作经历，详细论述选择光伏并网逆变器应考虑的几个重要因素，并通过实际工程举例说明。

逆变器；效率；孤岛

0 引言

我国目前的能源将近70%由煤炭供给，这种过度依赖化石燃料的能源结构已经造成了很大的环境、经济和社会负面影响。大量的煤炭开采、运输和燃烧，对我国的环境已经造成了极大的破坏。初步估算煤炭发电造成的污染的经济损失以及由此引致的环境污染治理成本高达1,606亿元。大力开发利用太阳能、风能等可再生能源是保证我国能源供应安全和可持续发展的必然选择。光伏并网发电作为其进入电力规模应用的必然结果，将会是未来最大的光伏发电市场。太阳能电池板阵列和逆变器是光伏并网发电系统中两个最重要的部件。太阳能电池板阵列将太阳的光能转化为电能，输出直流电。但民用电力以交流供电为主，因此由太阳能电池板输出的直流电必须通过逆变器转换为交流电后方可并入电网。由此可见，逆变器在太阳能并网发电系统中具有举足轻重的作用。

1 光伏并网逆变器工作原理

1.1 逆变器的概述

通常，把将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。

1.2 并网光伏逆变器

并网发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。通过光伏组件将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后转换后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。逆变装置的核心，是逆变开关电路，简称为逆变电路。该电路通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能。

2 光伏并网逆变器选型应考虑的因素

2.1 额定输出功率

额定输出功率表示光伏逆变器向负载供电的能力。额定输出功率高的光伏逆变器可以带更多的用电负载。选用光伏逆变器时应首先考虑具有足够的额定功率，以满足最大负荷下设备对电功率的要求，以及系统的扩容及一些临时负载的接入。当用电设备以纯电阻性负载为生或功率因数大于0.9时，一般选取光伏逆变器的额定输出功率比用电设备总功率大10%-15%。

2.2 输出电压的调整性能

图1 不同太阳光辐射强度下的太阳能电池输出特性曲线

图2 不同电池温度下的太阳能电池输出特性曲线

输出电压的调整性能表示光伏逆变器输出电压的稳压能力。一般光伏逆变器产品都给出了当直流输入电压在允许波动范围变动时，该光伏逆变器输出电压的波动偏差的百分率，通常称为电压调整率。高性能的光伏逆变器应同时给出当负载由零向100%变化时，该光伏逆变器输出电压的偏差百分率，通常称为负载调整率。性能优良的光伏逆变器的电压调整率应小于等于±3%，负载调整率就小于等于±6%。

2.3 逆变效率

逆变器的效率是指在规定的工作条件下，其输出功率与输入功率之比，以百分数表示，一般情况下，光伏逆变器的标称效率是指纯阻负载，80%负载情况下的效率。由于光伏系统总体成本较高，因此应该最大限度地提高光伏逆变器的效率，降低系统成本，提高光伏系统的性价比。目前主流逆变器标称效率在80%～95%之间，对小功率逆变器要求其效率不低于85%。在光伏系统实际设计过程中，不但要选择高效率的逆变器，同时还应通过系统合理配置，尽量使光伏系统负载工作在最佳效率点附近。

太阳光的辐射强度随天气和一天中的不同时间而变化，太阳能电池阵列极少在稳定的外部环境下运行，其输出特性曲线也将不断变化。如图2和图3所示。光伏逆变器负责管理整个光伏并网系统的电力输出，它必须对太阳能电池输出曲线的变化进行动态响应，运用最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)技术，实时调整太阳能电池的工作点,使之始终工作在最大功率点附近，这是太阳能电池持续实现最大的转换效率从而提高系统整体效率的唯一途径。MPPT效率的数学表达式为：

其中t)表示逆变器从太阳能电池获得的实时功率表示太阳能电池理论上提供的实时的最大功率点功率。

2.4 防孤岛效应

2.4.1 孤岛效应定义

根据美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）提供的报告指出，孤岛效应就是当电力公司的供电系统，因故障事故或停电维修等原因停止工作时，安装在各个用户端的光伏并网发电系统未能及时检测出停电状态而不能迅速将自身切离市电网络，而形成的一个由光伏并网发电系统向周围负载供电的一种电力公司无法掌控的自给供电孤岛现象。一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，因此在光伏逆变器选型上应该选择能及时检测出孤岛效应得逆变器。

2.4.2 孤岛效应的检测与控制

图4 sunny Team 技术方案工作效率曲线图

孤岛效应的检测一般分成被动式与主动式。被动式检测是利用电网监测状态如电压、频率、相位等作为判断电网是否故障的依据。主动检测法则是通过电力逆变器定时产生干扰信号,以观察电网是否受到影响作为判断依据,如脉冲电流注入法、输出功率变化检测法、主动频率偏移法和滑模频率偏移法等。所有并网逆变器必须具有过频/欠频(OFP/UFP)和过压/欠压(OVP/UVP)保护方法，以便当电网电压或频率超出可接受的范围时，防止逆变器为电网供电。逆变器的输出功率为P +jQ，本地负载为Pld+jQld，其余功率由电网ΔP +jΔQ提供。电网断开后，系统是否运转由ΔP和ΔQ的值决定。当电压幅值和频率变化范围小于某一值时,以上方法无法检测到孤岛效应,即存在不可检测区。不可检测区(NDZ)的概念用于确定在给定ΔQ、ΔP值的条件下防孤岛算法的有效性。孤岛检测的反应时间取决于NDZ。ΔQ的NDZ值的计算公式如下：

为了解决这个问题,光伏并网的有功和无功综合控制方法经常被提出来，因此，在选择逆变器型号时应尽量选择孤岛效应检测与控制技术相对先进的逆变器，尽量躲开不可检测区。

3 工程举例

下面以2011年广州亚运村体育馆太阳能光伏并网工程为例进行具体介绍。本系统选择德国3台SMA SC100型集中型并网逆变器，由并网逆变器的技术参数知其最高输入电压为820V，输入电压范围为450～820V，而组件的开路电压为44.2V，峰值功率电压为35.2V。

为了更大限度获取太阳能，提高系统的整体发电效率，增强发电站的可靠性。在系统设计过程中增加了Sunny Team 的功能，它应用于多台逆变器的系统，并联组内的直流输入端，在直流功率较低时，则可以控制其中的一台逆变器处于激活状态并承担逆变工作，而其它逆变器则可以停止工作。这将大提高了在日照较弱的低功率输入状态下的系统效率。从图4可以看出，光电站即便是在10%的额定功率下工作时，仍可以达到95%的高效率。

在防孤岛效应方面，当电网断电时，该系统无法独立为电网供电，计算机控制系统能够迅速地切断与电网的联系，使系统处于独立地运行的状态，并保证系统的安全。

4 结论

无论是从社会经济发展,还是从环境的角度来考虑,光伏发电技术的研究均具有重大现实意义,而逆变器在太阳能并网发电系统中具有举足轻重的作用。本文从逆变器的额定输出功率、输出电压、逆变器效率、放、防孤岛效应几个方面论述，综合多种因素考虑后确定出适合的光伏逆变器，已达到提高太阳能利用率，提高系统运行安全稳定性的目的。

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