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科技创新

无变压器结构的联网用逆变器的开发应用来源:河南汇德电气股份有限公司 时间:2019/3/19 15:16:00

目前,太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电利用和光化学利用三种形式。电能是人类能源的最主要利用形式,而光伏发电利用正是以电能作为最终表现形式,因此,光伏发电利用成为了人类最希望的利用形式。当下光伏发电的成本仍然很高,提高光伏发电系统的经济性成为了光伏发电得以普及必须跨越的障碍。除了提高光电转换效率外,提高并网逆变器的效率对推动光伏发电的大规模利用有重要意义。按照逆变器是否带有隔离变压器以及变压器的类型,可以分为工频隔离型、高频隔离型和非隔离型。工频隔离型电路简单,技术成熟,实现了电网和电池板的电气隔离,保障了人身和设备安全,并可有效抑制进网电流直流分量。但是,工频变压器体积大,重量重,价格高,降低了系统效率。采用高频变压器同样实现了电网和电池板的电气隔离,并且具有体积小、重量轻等优点。但是,与工频隔离型光伏并网逆变器相比,高频隔离型光伏并网逆变器拓扑结构和控制策略都较为复杂,所需元器件多,损耗增加,转换效率降低。非隔离型光伏并网逆变器结构不含变压器,具有效率高、体积小、重量轻、成本低等诸多优势。目前,非隔离光伏并网逆变器系统的最高效率可以达到98%以上。因此,非隔离型拓扑结构迅速得到各国科研人员的重视和工业界的追捧。


本项目根据已有的单相非隔离光伏并网逆变器的优缺点,引入了一种新型的单相非隔离光伏并网逆变器。


二、国内外研究水平综述


1国外的并网逆变器产品


目前,世界上特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视,针对其制定规划,增加投入,大力发展。光伏发电已经完成了初期开发和规模应用发展,从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并网发电,其应用范围也已遍及几乎所有的用电领域。国外光伏并网逆变器已经是一种比较成熟的市场产品,例如在欧洲光伏专用逆变器市场中就有 SMA,Kaco, Fronius, Conergy,Sun Power,西门子等众多的公司具有市场化的产品,其中SMA在市场中所占份额最大。除欧洲外,美国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及亚洲的日本在并网型逆变器方面也都己经产品化。


SMA Regelsysteme GmbH 成立于1981年,目前,SMA 光伏并网逆变器具有三大系列产品:支路逆变器、集中逆变器和多支路逆变器,其中以SWR和SB两个系列应用最为广泛。该产品具有如下特点:高效率、高功率因数、低 THD;基于微处理器的最大功率点跟踪;根据电网情况调制工作状态,工作状态自动切换;通过 LCD 显示主要工作状态;故障自诊断;测量数据和工作状态通过总线传输至 PC 机;多台逆变器可以任意组合构建系统,使系统设计更加简便、扩展更加方便。多支路逆变器是 SMA 最新推出的产品,该产品采用最大功率跟踪和并网逆变两级能量变换结构,多个不同支路共用同一个逆变环节,中间设置有内部直流母线,可以使系统的灵活性大为提高;输出端无工频变压器隔离,采用最新的电网阻抗检测和交、直流剩余电流检测来实现有效保护。


KACO GERATETECHNIK GmbH 成立于1999年,KACO 的产品有无变压器串式逆变器、隔离串式逆变器和集中式逆变器。无变压器系列产品重量轻,体积小,具有漏电保护,隔离串式逆变器是在 DC/DC变换级采用高频变压器,而30kW系列的三相集中式逆变器由3个无变压的单相逆变器分别并网至三相电网构成。产品采用RS232和RS485通信,电网监控符合VDE0126-1-1要求。KACO产品以直接逆变,无变压器技术为核心,主要为无变压器小功率产品,其直接逆变产品具有很高的效率和市场占有率。


德国Conergy公司是世界上最大的可再生能源公司之一,其中国名称为康能,为德国最大的太阳能系统生产商。在韩国,康能公司已经以30%的市场份额占据了太阳能市场第一的位置。在澳大利亚,康能的市场份额达到了15%。


西门子并网光伏逆变器则采用主从式构建系统,由主逆变器和若干个从逆变器来组建用户要求容量的并网光伏系统,灵活性和系统扩展等均没有SMA的强。


除上述公司外,美国 Xantrex 的 SunTie XR 系列并网逆变器也是根据光伏市场需要推出的产品,系列覆盖了中、大功率范围,也可将多台中功率的逆变器并联构成系统,而且逆变器中也集成了最大功率跟踪环节。综上所述,目前国外光伏并网逆变器产品的研发主要集中在最大功率跟踪和提高逆变器整机效率上,功率主要为几百瓦到五百千瓦的范围,控制电路主要采用数字控制,注重系统的安全性、可靠性和扩展性,均具有各种完善的保护电路。


2国内的并网逆变器产品


由于我国光伏发电等可再生能源发电技术的研究仍然处于初级阶段,技术水平相对国外还有一定差距。就并网型光伏发电系统的核心技术并网型逆变器而言,中国科学院电工研究所、合肥工业大学能源研究所、浙江大学、上海交通大学、合肥阳光电源、北京科诺伟业等科研单位和企业在这一方面进行了相关的研究,并且在“九五”、“十五”、“十一五”期间,国家科技部投入相当数额的经费进行开发工作。


合肥阳光电源有限公司推出了适合光伏并网系统用的逆变器。采用智能功率模块 IPM 或 IGBT 作为主回路功率器件,运用该公司先进的并网控制技术,具有结构简单、效率高、性能优良、电磁干扰小和安全可靠等优点。全新的全数字化 DSP 控制,简化控制回路,提高了系统控制性能。多项先进的并网发电控制技术,保证向电网优质送电,还能够追踪太阳能电池板的最大功率点,实时检测电网的状态,对孤岛状态迅速做出判断,并进行相关保护。该公司生产的SG100K3 大型光伏并网逆变器已通过TUV 产品认证,成为我国可再生能源电


源行业首批通过此类认证的产品。


源于中国科学院电工研究所新能源研究室的北京科诺伟业科技有限公司承建了国家多项光伏并网示范工程项目。在可再生能源系统的工程设计、调试、安装及维护方面拥有丰富的经验。其产品包括集中型太阳光伏高压并网逆变器、单、双轴跟踪太阳光伏并网发电系统和独立运行的太阳光伏正弦波逆变器。其中单、双轴跟踪太阳光伏并网发电系统以一个旋转方向、两个旋转方向控制分别实现跟踪太阳方位的要求,有效地提高并网光伏发电系统的效率,降低光伏发电系统成本。


并网型光伏发电系统在我国还没有真正地投入商业化运行的应用,目前所建并网型光伏系统都为示范工程。国内相关的并网技术研发还主要集中在工频并网逆变的开发层面与应用中,由于技术难度,国内市场上几乎没有自主知识产权的高频并网逆变器产品。高频光伏并网逆变器还主要依赖进口或者合作研究的方式获得,导致并网型光伏系统的造价升高、依赖性强,从而制约了并网型光伏系统在国内市场的发展和推广。因此掌握并网型光伏系统的核心并网型逆变器技术对推广并网型光伏系统有着至关重要的作用。


三、项目的理论和实践依据


1项目研究内容的原理简述


该项目引进的新型逆变器拓扑结构是在单相全桥逆变的基础上增加了另外一个辅助电路,用来提供续流通道,抑制共模电压的变化,减小系统的漏电流。

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