張磊，周洪偉，張保民

(1.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆烏魯木齊830011；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710119)

大型光伏電站逆變器關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

張磊1，周洪偉2，張保民2

(1.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆烏魯木齊830011；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710119)

近年來(lái)光伏發(fā)電技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，各項(xiàng)性能指標(biāo)穩(wěn)步提升，同時(shí)電站單瓦價(jià)格也在快速下降。并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電的核心設(shè)備，尤其是大型光伏電站中使用的大功率集中式逆變器，在整機(jī)效率、輸出電能質(zhì)量、電網(wǎng)適應(yīng)性、可靠性及安裝維護(hù)等方面都獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步?？偨Y(jié)了目前國(guó)內(nèi)大型光伏電站運(yùn)行中存在的一些問(wèn)題以及對(duì)逆變器功能和性能的進(jìn)一步要求，基于此展望了當(dāng)下大型光伏電站用逆變器的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

并網(wǎng)逆變器；光伏電站；集中式逆變器

太陽(yáng)能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，在當(dāng)今能源危機(jī)越來(lái)越嚴(yán)重的情況下，愈發(fā)受到人們的重視，各國(guó)政府都推出了一系列措施來(lái)鼓勵(lì)光伏發(fā)電。我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量在近幾年得到了飛速的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2011年，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到3 GW，而“十二五”規(guī)劃到2015年裝機(jī)容量將達(dá)到21 GW[1]，這其中又以大型光伏電站為主，尤其是在西北地區(qū)光照條件好的地方，大型光伏電站得到了大量的應(yīng)用。與此同時(shí)，光伏電站對(duì)并網(wǎng)逆變器功能和性能的要求也越來(lái)越高，這就決定了光伏逆變器必須朝著高效率、輸出電能質(zhì)量高、電網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)、高可靠性，以及易于安裝維護(hù)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)前進(jìn)。

1 光伏電站存在的問(wèn)題以及對(duì)逆變器的要求

在西北地區(qū)光照條件好的地方，大型光伏電站的容量不斷增大，單座電站甚至達(dá)到數(shù)百兆瓦，如此大規(guī)模的應(yīng)用帶來(lái)了兩個(gè)新的問(wèn)題。一是弱光照下并網(wǎng)點(diǎn)處的電能質(zhì)量大大降低：逆變器在負(fù)載率10%時(shí)，輸出電流達(dá)到8%，如圖1所示，對(duì)于一個(gè)100 MW的電站，如果弱光照時(shí)運(yùn)行于10 MW，由于并網(wǎng)電流高，整座電站就相當(dāng)于一個(gè)巨大的諧波源，對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量將造成非常大的影響；二是如此多的逆變器并聯(lián)運(yùn)行后帶來(lái)的諧波疊加問(wèn)題：由于每臺(tái)逆變器都輸出一定的諧波，因此多臺(tái)并聯(lián)后在并網(wǎng)點(diǎn)處的諧波頻譜將會(huì)非常豐富，對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)處的電能質(zhì)量影響也會(huì)很大。

圖1 500 kW逆變器輸出電流諧波含量與負(fù)載率關(guān)系

光伏電站是需要并入電網(wǎng)運(yùn)行的，因此就要接受電網(wǎng)的調(diào)度，光伏電站必須具備“四遙”功能，即遙調(diào)，遙信，遙測(cè)，遙控，使光伏電站能實(shí)現(xiàn)智能化接入電網(wǎng)。除此之外，GB/T19964-2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》要求光伏電站要具備低電壓穿越功能，如圖2所示，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短時(shí)跌落時(shí)，光伏電站要能夠持續(xù)并網(wǎng)，甚至要提供一定的無(wú)功，支撐電網(wǎng)恢復(fù)；零電壓穿越作為電網(wǎng)故障最嚴(yán)酷工況也已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施。而一些潛在的要求也逐漸浮出水面，如夜間自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償功能、有源濾波功能等，這些都是對(duì)逆變器電網(wǎng)適應(yīng)性方面的要求。

圖2 GB/T 19964-2012規(guī)定低電壓穿越能力曲線(xiàn)

另外，我國(guó)大型光伏電站基本都在西北荒漠地區(qū)，這些地方海拔高、氣候條件惡劣，且風(fēng)沙很大，光伏逆變器作為電力電子設(shè)備，應(yīng)用在這樣的環(huán)境中，對(duì)設(shè)備的可靠性要求就非常高。當(dāng)然，易于安裝和維護(hù)也是必須的，西北地區(qū)存在凍土現(xiàn)象，施工窗口期短，如果逆變器安裝調(diào)試?yán)щy，會(huì)大大增加施工和調(diào)試的周期；而如果維護(hù)困難，也會(huì)減少光伏電站的發(fā)電時(shí)間，造成運(yùn)維成本高，降低了投資收益率。

總之，逆變器作為光伏電站的核心設(shè)備，必須滿(mǎn)足投資方發(fā)電量高、運(yùn)維成本低的要求；同時(shí)也必須滿(mǎn)足電網(wǎng)公司電能質(zhì)量高、服從電網(wǎng)調(diào)度的要求。其下一步的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)為高效率、較高的電能質(zhì)量、高可靠性、電網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)以及易于安裝維護(hù)等。

2 大型光伏電站用逆變器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

大型光伏電站的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示，一般來(lái)說(shuō)以1 MW為一個(gè)發(fā)電單元，光伏陣列通過(guò)匯流箱(8～16路匯流)一次匯流后進(jìn)入直流配電柜(7～12路)進(jìn)行二次匯流，直流經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器變換成交流，通過(guò)交流配電柜后接入升壓變壓器，然后接入10 kV/35 kV的中壓電網(wǎng)。

圖3 大型光伏并網(wǎng)電站典型結(jié)構(gòu)

2.1 高效率

整個(gè)光伏電站的效率受到多方面的影響，包括光伏陣列的灰塵覆蓋、溫度升高造成的光伏電池輸出功率下降、逆變器的損耗、變壓器的損耗，以及交直流側(cè)的線(xiàn)損等等。所以為了追求光伏電站整體效率，各個(gè)環(huán)節(jié)都需要盡可能減少損耗。對(duì)于大型光伏電站用逆變器來(lái)說(shuō)，目前業(yè)內(nèi)應(yīng)用的主流電路拓?fù)溆袃煞N：一種是單級(jí)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(DC/AC)，另一種是兩級(jí)拓?fù)?DC/DC+DC/AC)。從效率指標(biāo)來(lái)看，單級(jí)拓?fù)湎啾榷?jí)拓?fù)溆兄烊坏膬?yōu)勢(shì)，因?yàn)樯倭艘患?jí)DC/DC的損耗，整機(jī)轉(zhuǎn)換效率要高出1%。單級(jí)逆變拓?fù)鋼p耗主要來(lái)自于IGBT器件損耗、電抗器損耗和散熱系統(tǒng)損耗。

降低損耗就意味著提升效率，通過(guò)選用第四代IGBT芯片，更低的CE極導(dǎo)通壓降可以減少其導(dǎo)通損耗。而通過(guò)使用最大電流開(kāi)關(guān)的先進(jìn)PWM算法[2]，大大降低了IGBT開(kāi)關(guān)損耗。圖4為仿真波形，可以看出IGBT在輸出電流正負(fù)半周各120°區(qū)域內(nèi)均不動(dòng)作，降低了開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，利用目前最為先進(jìn)的磁集成技術(shù)，將逆變器輸出LCL濾波器的兩個(gè)電感集成在一起，可以有效降低其鐵損，在減小電感體積的同時(shí)提升電抗器的效率。

圖4 光伏逆變器PWM調(diào)制策略對(duì)比

強(qiáng)制風(fēng)冷是目前光伏逆變器散熱系統(tǒng)的主流方式，但各個(gè)廠(chǎng)家對(duì)風(fēng)機(jī)的控制策略不盡相同：第一種方式是逆變器開(kāi)始并網(wǎng)時(shí)刻就控制風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，這種方式最為簡(jiǎn)單，但負(fù)面影響是即使逆變器輸出功率較小，IGBT和電抗器溫升不高時(shí)，風(fēng)機(jī)仍然全速運(yùn)行，造成了能量損失；第二種方式是啟?？刂?，即逆變器根據(jù)IGBT的溫度來(lái)控制風(fēng)機(jī)的啟停，一旦溫度超過(guò)閾值，風(fēng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，當(dāng)溫度低于閾值時(shí)，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，這種方式相比于第一種節(jié)約了能量，但頻繁啟停會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的壽命造成不利影響；第三種方式為智能變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)環(huán)境溫度和逆變器的負(fù)載率進(jìn)行綜合判斷，在滿(mǎn)足逆變器散熱的同時(shí)，盡量降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以節(jié)約能量，同時(shí)又避免了風(fēng)機(jī)的頻繁啟停，此種方式具有節(jié)能、噪音小、可靠性高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。

目前業(yè)界逆變器的最高轉(zhuǎn)換效率基本保持在98%以上，如圖5所示，領(lǐng)先廠(chǎng)家的產(chǎn)品在內(nèi)供電情況下已經(jīng)達(dá)到98.65%(輸入直流電壓500 V，輸出電壓315 V，負(fù)載率40%)，在外供電情況下更是超過(guò)98.7%。

2.2 優(yōu)良的電能質(zhì)量

電網(wǎng)公司對(duì)光伏逆變器的輸出電能質(zhì)量有一定的要求，CGC/GF004：2011《并網(wǎng)光伏發(fā)電專(zhuān)用逆變器技術(shù)條件》規(guī)定光伏逆變器在滿(mǎn)載輸出時(shí)其電流應(yīng)小于5%，但業(yè)界領(lǐng)先廠(chǎng)商在高負(fù)載率下的已經(jīng)能夠降到1%左右，保證逆變器在很大的輸出功率范圍內(nèi)能夠持續(xù)提供高質(zhì)量的電能，如圖6所示，逆變器在80%和100%負(fù)載下電流指標(biāo)在1%左右。

圖5 500 kW大型電站光伏逆變器實(shí)測(cè)效率

圖6 500 kW光伏逆變器實(shí)測(cè)輸出電流THD

5%的指標(biāo)還存在另外一個(gè)問(wèn)題，就是其遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足于逆變器低負(fù)載率下的電能質(zhì)量要求。為了達(dá)到逆變器在全功率范圍內(nèi)的低電流輸出要求，必須對(duì)逆變器在低負(fù)載率下的電流進(jìn)行抑制。基于PI與比例諧振(PR)復(fù)合的控制器以及滑模變結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性控制器的應(yīng)用解決了這個(gè)問(wèn)題。

2.3 高可靠性

逆變器作為光伏電站的核心設(shè)備，其可靠性是整個(gè)光伏電站能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的條件。逆變器的可靠性涉及了多方面，從技術(shù)角度而言，主要受設(shè)計(jì)方案、器件選型、檢測(cè)保護(hù)等因素影響；從器件選型來(lái)看，IGBT、母線(xiàn)電容、風(fēng)機(jī)等器件是逆變器內(nèi)部最為脆弱的部分，因此要格外關(guān)注，以IGBT為例，通常其標(biāo)稱(chēng)額定電流會(huì)達(dá)到逆變器額定輸出電流的2.5倍，以保證留有足夠的余量，防止IGBT溫度太高，影響其使用壽命。母線(xiàn)電容在逆變器內(nèi)部起到穩(wěn)定直流側(cè)電壓以及能量存儲(chǔ)的作用，其性能也相當(dāng)重要。業(yè)界目前普遍使用的有兩類(lèi)，一是金屬膜電容，一是鋁電解電容，金屬膜電容在耐壓、耐紋波電流、等效ESR方面都較鋁電解電容出色。根據(jù)計(jì)算，同種工況下，在外界環(huán)境40℃時(shí)，金屬膜電容的芯溫只有60℃，壽命達(dá)到200 000 h，而鋁電解電容芯溫則為70℃，壽命只有24 000 h，兩者相差8倍，因此金屬膜電容已經(jīng)成為光伏逆變器主流的應(yīng)用。

大型光伏電站逆變器單機(jī)的輸出電流達(dá)到1 000 A左右，對(duì)于IGBT的直流和交流側(cè)母排設(shè)計(jì)也需要非常細(xì)致，母排的雜散參數(shù)要盡量小，均流特性要好[3]。

多路冗余設(shè)計(jì)是保證逆變器可靠性的一個(gè)思路，逆變器的控制多由DSP/MCU完成，通過(guò)雙路DSP/MCU設(shè)計(jì)，兩者之間相互分享信息并監(jiān)控對(duì)方狀態(tài)，任何一個(gè)DSP/MCU出現(xiàn)故障，另一個(gè)會(huì)及時(shí)采取措施，保證逆變器安全關(guān)機(jī)，防止更大的損失。同時(shí)，對(duì)于控制系統(tǒng)的供電，目前主流的設(shè)計(jì)也采取雙備份措施，可以通過(guò)逆變器輸出的交流側(cè)取電，也可以通過(guò)外部廠(chǎng)用電取電，且兩者可以自動(dòng)切換，設(shè)計(jì)理念更為先進(jìn)的廠(chǎng)商會(huì)同時(shí)提供直流側(cè)供電作為第三套備份，進(jìn)一步提升了整個(gè)逆變器系統(tǒng)的可靠性，如圖7所示。當(dāng)然，先進(jìn)的軟件算法也是必不可少的，在開(kāi)機(jī)前對(duì)逆變器內(nèi)部的關(guān)鍵器件進(jìn)行自診斷，可以有效獲取其狀態(tài)，并判斷是否具備并網(wǎng)條件，防止誤動(dòng)作，提高整機(jī)可靠性。

圖7 逆變器供電系統(tǒng)冗余方案

2.4 電網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)

光伏逆變器需要響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)度需求，根據(jù)《光伏電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》要求，大中型光伏電站能夠接受并自動(dòng)執(zhí)行調(diào)度部門(mén)發(fā)送的有功功率和有功功率變化的控制指令，確保光伏電站有功功率及有功功率變化按照電力調(diào)度部門(mén)的要求運(yùn)行。同時(shí)，光伏逆變器應(yīng)該根據(jù)調(diào)度指令自動(dòng)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。

以上要求屬于“靜態(tài)”的要求，而低/零電壓穿越則屬于“動(dòng)態(tài)”的適應(yīng)電網(wǎng)的要求。低/零電壓穿越是指當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落(至零)時(shí)，發(fā)電設(shè)備應(yīng)在保證本機(jī)設(shè)備安全的條件下，與繼保裝置動(dòng)作時(shí)間配合，保持并網(wǎng)運(yùn)行，并在故障清除后迅速恢復(fù)故障前運(yùn)行狀態(tài)，支撐電網(wǎng)迅速穩(wěn)定，避免短時(shí)故障擴(kuò)大化。低/零電壓穿越的關(guān)鍵技術(shù)在于當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)，逆變器能夠迅速檢測(cè)到，才能進(jìn)入低/零電壓穿越模式；在電網(wǎng)故障期間，包括鎖相環(huán)、電流控制器、功率控制器等要可靠工作，保證逆變器輸出一定的功率；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)，需要MPPT控制器和電流控制器迅速動(dòng)作，逆變器可以恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

圖8所示為500 kW光伏逆變器零電壓穿越及恢復(fù)的實(shí)驗(yàn)波形，其中淡藍(lán)色正弦為電網(wǎng)電壓波形，紫色正弦為電流波形，可以看出在整個(gè)穿越期間，保證向電網(wǎng)提供一定的能量。

圖8 500 kW光伏逆變器零電壓穿越實(shí)驗(yàn)波形

2.5 易于安裝維護(hù)

光伏電站的施工周期決定了其前期投資的大小，且后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也會(huì)影響收益率，因此逆變器的設(shè)計(jì)需要兼顧安裝的快捷和維護(hù)的方便，模塊化設(shè)計(jì)和集成化設(shè)計(jì)成為逆變器的發(fā)展趨勢(shì)。所謂模塊化設(shè)計(jì)，就是將逆變器的各個(gè)子單元，如功率部分、散熱部分、控制部分等設(shè)計(jì)成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，任意一個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生故障后可以快速地更換。如圖9所示，該500 kW逆變器將功率單元和風(fēng)機(jī)單元都做成抽屜式模塊，方便維護(hù)，單個(gè)模塊的維護(hù)更換可以保證在20 min之內(nèi)完成，可有效降低光伏電站的后期運(yùn)維費(fèi)用。

大型光伏電站除了逆變器外，還有直流配電柜，通信柜等設(shè)備，將這些設(shè)備集成在一起，形成一個(gè)箱式逆變站，如圖10所示，這就是目前的集成化設(shè)計(jì)趨勢(shì)。所有的設(shè)備在工廠(chǎng)安裝至箱式逆變站內(nèi)并調(diào)試完畢，作為一個(gè)整體運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后只需要完成接線(xiàn)就可以并網(wǎng)發(fā)電，與原有的土建房屋相比，可以大大減少施工周期，降低施工費(fèi)用。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，箱式逆變站的施工、安裝、調(diào)試的工期縮短為原土建逆變器室的10%，可有效降低光伏電站的前期投資費(fèi)用。

圖9 模塊化設(shè)計(jì)思路

圖10 1 MW箱式逆變站

3 結(jié)論

本文介紹了大型光伏電站發(fā)展過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題，以及對(duì)逆變器新的需求，基于此總結(jié)了光伏逆變器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。隨著市場(chǎng)應(yīng)用的進(jìn)一步增多以及各方面要求的提高，光伏逆變器在各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)上還需要不斷地完善和突破，從而促進(jìn)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[1]陳志磊，牛晨暉，李臻，等.光伏發(fā)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展[J].電力電子技術(shù)，2013，47(3)：15-17.

[2]張桂斌，徐政.最小開(kāi)關(guān)損耗VSVPWM技術(shù)的研究與仿真[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，16(2)：34-40.

[3]楊笑宇，劉偉增，馬超群，等.交流銅排結(jié)構(gòu)對(duì)功率模塊并聯(lián)均流的影響[J].電力電子技術(shù)，2013(5)：100-103.

Key technology development trend of inverter used in large-scale PV power station

ZHANG Lei1,ZHOU Hong-wei2,ZHANG Bao-min2

In recent years,PV power generation technology was rapidly developed,the various performance was steadily rose,and the single Watt price was rapidly declined at the same time.Moreover,as the core part of PV power generation,especially the large power centralized inverter used in the large-scale PV power station,it was gradually increased along with the application in the PV power station.The inverter got considerable progress in the machine efficiency,output power quality,grid adaptability,reliability as well as installation and maintenance,etc.The current problems in the operation of the domestic large-scale PV power stations were summarized,as well as to the further requirements on inverter function and performance.Based on this,the key technology development trend of the inverter used in large-scale PV power station was put forward.

grid-connected inverter;PV power station;central inverter

TM 464

A

1002-087 X(2015)03-0633-04

2014-08-15

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展(“863”)計(jì)劃(2011AA05A305)

張磊(1979—)，男，安徽省人，博士，主要研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)逆變控制策略。