基于无变压器逆变器的光伏系统优化设计
发布时间：2012-3-14 20:30
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新一代无变压器技术降低了电力集成商（integrators）和公用电力事业机构的系统复杂性，针对两种最常见的大型光伏安装项目——大楼逆变器直接连接项目和用于并网发电输电的公用安装项目，该技术最大限度地提高了其电力传输能力。 尽管太阳能光伏电源的价格正在变得越来越有竞争力，但对整个行业来说，继续增强性能、提高效率以及降低成本才是至关重要的。提高大型投资设备的质量和性能是不断增加收益的一种途径，此外，逆变器的性能和效率与光伏模块和数组同样重要。在大型光伏系统设计方面，电力集成商和公用电力事业机构正抛开传统的逆变器设备，转而开始选择最先进的无变压器逆变器技术，以便降低系统的复杂性并最大限度地提高电力传输。确实有必要仔细看看无变压器逆变器技术是如何通过影响系统设计、效率和系统平衡（BoS）成本来帮助改变竞争格局的。 通过采用可分离的两极 +600 和 -600 VDC 电池组数组实现直接转换这项新技术，无需在低压三相电网上配备变压器。这种配置不仅提高了发电效率，而且不需要传统上所要求使用的逆变器变压器，降低了相关的系统平衡 （BoS） 成本，还避免了与单极配置有关的不必要的线路衰减。这项技术还为电力集成商和公用电力事业机构的大型商业或公用安装项目带来了更多好处。例如，通常规模在1到2兆瓦的商业项目，在连接点位于大楼入口变压器低压侧要求配有一至八个逆变器，并且每个逆变器都要配有单独的、定制的隔离变压器——即使变压器已与逆变器集成。而真正的无变压器设计的逆变器才能支持直接的连接，不需要任何其它的变压器设备和定制修改，而且也不会产生系统平衡成本。对于那些中压变压器连接点在5到12.7千伏之间的公用安装项目，可将多个无变压器逆变器整合成一个大小适当的标准中压变压器。变压器可以放在电场的任何位置，以靠近逆变器是最合适的。 无变压器逆变器技术和两极数组配置 采用了无变压器逆变器技术的太阳能光伏系统在发电时，光伏模块和负载之间不需要任何变压器——通常为高压交流电 （HVAC） 设备和商业荧光照明。尽管一些制造商声称具备了无变压器技术，但实际上，他们的产品仍需要在逆变器和负载之间配备一个隔离变压器。他们仅仅是将逆变器整合到一个逆变器箱中或对它们进行单独销售。真正的无变压器逆变器可将电力从逆变器直接转换并传输到所附负载中。这要归功于采用双极 ±600 VDC 数组配置。电力集成商和公用电力事业机构可获得系统性能改善和系统平衡成本降低的好处： •更高的效率 •缩小设备和导线规模及数量 •降低材料和安装施工成本 为了说明这些优势，让我们看看这两种最常见的大型光伏安装项目的构架，它们分别是美国本地电网的逆变器直接连接项目和并网发电输电的公用安装项目。 商用屋顶安装项目中使用的直接并网光伏逆变器 一个在设施入口处低压一端拥有连接点的1兆瓦的商用屋顶系统需要1至4个并网光伏逆变器。采用传统的逆变器时，每一个都必须与一个单独的或定制的隔离变压器相搭配——不论变压器与逆变器是否集成，情况都是如此。因此，电力供应立即被减弱了，因为隔离变压器的效率通常只有98%到99%，它们最多可以让效能下降2%。 由于体积庞大而且沉重，传统逆变器会限制光伏逆变器系统的设计。采用2个500千瓦逆变器的系统设计需要在地面上安装逆变器，因为这种逆变器/变压器搭配的尺寸和重量较大。即使隔离变压器可以与逆变器相互分离，由于较低的电压与较高的电流这种安装所导致昂贵的导线成本，每一个逆变器所需要的较低的输出电压和多绕组也会限制相互分离的距离。 整合逆变器时的稳定性问题也是需要关注的。传统逆变器设计通常采用无阻尼大三角形过滤器，当很多设备并行放置或逆变器设置在长传输在线的时候，这些过滤器可能会导致系统运行的不稳定。而且，如果逆变器被并行放置在同一个箱子里，每一个500千瓦逆变器由4个较小的125千瓦单元驱动，那么这种系统就容易受到电气干扰，而且会为整个光伏系统带来多个故障点。 相比之下，真正的无变压器逆变器直接固定在建筑物的入口处，甚至是固定在一个尺寸足够大的配电安装板上。由于没有隔离变压器，从光伏模块电源获得的额外的1%到2%能源效率直接进入负载，在功率为500千瓦的时候，这意味着最低免费额外提供了5千瓦的输出。此外，直接转变成可用的电压，而不是较低的单极逆变器交流电压，而交流电电流降低一半以上，从而降低了交流电一端的电线成本。 如果没有一个变压器，逆变器的尺寸更小，重量更轻，为电力集成商在安装和整体系统设计方面提供了更大的自由。由于重量的限制和必须的加固措施，在五层楼的建筑物屋顶安装一个传统的逆变器从成本上来说可能会让人望而却步，但是设计人员却可以让无变压器逆变器安装在商业建筑的屋顶上（而不是安装在地下室），使其直接与五楼的安装板连接。这样的设计不仅可以免除昂贵的高达五层楼的直流电布线，而且还能缩短交流电电线的长度并降低相关成本。 最后一点，多个逆变器可以在不用变压器的情况下并联，而电源则可以直接使用，以便实现稳定的表现。无变压器逆变器技术采用大得多的电源优化器 （Line Reactor） 和较小的三角形滤波电容。这些较小的三角形滤波电容器也通过一种串联电阻器进行缓冲，从而提高控制系统的稳定性，并且减少并联逆变器之间的相互作用。带有一种单一引擎设计的500千瓦逆变器也能减少零部件数量，从而提高整个系统的可靠性。 公用安装项目中使用的并联逆变器 同样的原则也适用于公用规模的安装项目。然而，大多数公用规模的安装项目涉及大型接地光伏数组，并配备了许多逆变器，可迅速升压至中压（4160至13.8千伏）。此外，传统逆变器需要一个单独的隔离变压器与各个逆变器进行配对，而这就占到不必要损耗中的多达两个效率点。 在一个1兆瓦的模块中，可将1至4个传统逆变器安置在一个单独的垫板上，并且每个逆变器都带有中压连接。中压连接成本很高，执行这项工作的电工人员需要接受更高等级的培训和认证。需要使用更大的设备垫板或公用机箱。如果电场有一个追踪器参与运行，那么就需要单独的变压器为这些追踪器供电。这样，系统平衡设备、材料和安装成本便会迅速增加。 传统逆变器还通过公用线路自干扰（如各种 VAR 发电）来检测孤岛情况。当与许多逆变器并联时，这种干扰就会在所有逆变器之间产生 VAR拍差频率，所产生的假脱扣将使电场关闭。多个传统逆变器及它们的大型三角电容器也会产生不稳定性并吸收大量谐波电流。 这些问题都可以通过无变压器逆变器技术来避免。无变压器逆变器可以被并联到一个中压变压器的单独绕组上。每组逆变器仅需要一个独立、标准的1000、1500、2000或2500 kVAR 规格的中压变压器。这就为站点配置提供了众多可能性。由于其电流低于传统逆变器的电流，因此安置逆变器和变压器的方式还有更多灵活选择。 无变压器逆变器的尺寸约为传统逆变器的一半，可直接转换成更高的电压，这就减少了所需占地面积、运输和起重设备成本（加上递增的设备垫板或公用机箱建造成本）以及连接绕组的大小和数量。此外，一个连接到无变压器逆变器的标准配电板可以在无需单独变压器的情况下向追踪器供电。由于变压器减少，系统中的电抗组件随之减少，从而实现最稳定的运行状态。此外，每个逆变器均通过以太网进行自动和独立寻址，从而消除了一切干扰问题。 此外，完全被动的反孤岛技术（anti-islanding technique）不会干扰带 VAR偏差的公用电压，也不会在路线上设置其它瞬态，因此能够实现高效、顺畅、稳定的电源，这一起都为了相对削减安装成本。 在商业和公用安装项目中发挥新的能力 电力集成商和公用电力事业机构可以通过将多个无变压器逆变器直接整合到电网或中压的方式发挥出新的能力。由此产生的最大发电量和高功效收益将继续推动太阳能光伏发电和替代性能源成为主流。同时，新型光伏系统设计实现了前所未有的灵活性和成本节省，对电力集成商和公用电力事业机构产生了意义深远的广泛影响。目前，许多机构都纷纷采用了无变压器的逆变器技术，这种新的配置正在改变着行业面貌。 结语 通过利用无变压器的逆变器技术，电力集成商和公用电力事业机构能够降低光伏系统的复杂性并最大限度地提高电力传输，无论是在商业安装项目中直接接入电网，还是在公用安装项目中接入中压。此外，无变压器逆变器技术可缩小光伏系统安装规模，并降低系统平衡成本，从而扭转了发展趋势。新趋势强调平准化发电成本 （LCOE），本文讨论的新一代无变压器逆变器能够大幅降低 LCOE，而这些只需提供直接的转换即可实现——这是一个值得在未来探讨的议题。 来源：中国电子网 无变压器逆变器构造及其应用分析 本文介绍了现今商业和公用光伏安装项目所使用的无变压器逆变器的构造。它分析了电力集成商和公用电力事业机构如何通过将多个逆变器直接整合到电网中或仅配备一个中压变压器来发挥新的能力。最后，本文还详细列出了系统复杂性降低和发电效率最大化所带来的诸多好处。 新一代无变压器技术降低了电力集成商和公用电力事业机构的系统复杂性，针对两种最常见的大型光伏安装项目——大楼逆变器直接连接项目和用于并网发电输电的公用安装项目，该技术最大限度地提高了其电力传输能力。 尽管太阳能光伏电源的价格正在变得越来越有竞争力，但对整个行业来说，继续增强性能、提高效率以及降低成本才是至关重要的。提高大型投资设备的质量和性能是不断增加收益的一种途径，此外，逆变器的性能和效率与光伏模块和数组同样重要。在大型光伏系统设计方面，电力集成商和公用电力事业机构正抛开传统的逆变器设备，转而开始选择最先进的无变压器逆变器技术，以便降低系统的复杂性并最大限度地提高电力传输。确实有必要仔细看看无变压器逆变器技术是如何通过影响系统设计、效率和系统平衡成本来帮助改变竞争格局的。 过采用可分离的两极+600和-600VDC电池组数组实现直接转换这项新技术，无需在低压三相电网上配备变压器。这种配置不仅提高了发电效率，而且不需要传统上所要求使用的逆变器变压器，降低了相关的系统平衡成本，还避免了与单极配置有关的不必要的线路衰减。这项技术还为电力集成商和公用电力事业机构的大型商业或公用安装项目带来了更多好处。例如，通常规模在1到2兆瓦的商业项目，在连接点位于大楼入口变压器低压侧要求配有一至八个逆变器，并且每个逆变器都要配有单独的、定制的隔离变压器——即使变压器已与逆变器集成。而真正的无变压器设计的逆变器才能支持直接的连接，不需要任何其它的变压器设备和定制修改，而且也不会产生系统平衡成本。对于那些中压变压器连接点在5到12.7千伏之间的公用安装项目，可将多个无变压器逆变器整合成一个大小适当的标准中压变压器。变压器可以放在电场的任何位置，以靠近逆变器是最合适的。 无变压器逆变器技术和两极数组配置 采用了无变压器逆变器技术的太阳能光伏系统在发电时，光伏模块和负载之间不需要任何变压器--通常为高压交流电设备和商业荧光照明。尽管一些制造商声称具备了无变压器技术，但实际上，他们的产品仍需要在逆变器和负载之间配备一个隔离变压器。他们仅仅是将逆变器整合到一个逆变器箱中或对它们进行单独销售。真正的无变压器逆变器可将电力从逆变器直接转换并传输到所附负载中。这要归功于采用双极±600VDC数组配置。电力集成商和公用电力事业机构可获得系统性能改善和系统平衡成本降低的好处： 更高的效率 缩小设备和导线规模及数量 降低材料和安装施工成本 为了说明这些优势，让我们看看这两种最常见的大型光伏安装项目的构架，它们分别是美国本地电网的逆变器直接连接项目和并网发电输电的公用安装项目。 商用屋顶安装项目中使用的直接并网光伏逆变器 一个在设施入口处低压一端拥有连接点的1兆瓦的商用屋顶系统需要1至4个并网光伏逆变器。采用传统的逆变器时，每一个都必须与一个单独的或定制的隔离变压器相搭配--不论变压器与逆变器是否集成，情况都是如此。因此，电力供应立即被减弱了，因为隔离变压器的效率通常只有98%到99%，它们最多可以让效能下降2%。 由于体积庞大而且沉重，传统逆变器会限制光伏逆变器系统的设计。采用2个500千瓦逆变器的系统设计需要在地面上安装逆变器，因为这种逆变器/变压器搭配的尺寸和重量较大。即使隔离变压器可以与逆变器相互分离，由于较低的电压与较高的电流这种安装所导致昂贵的导线成本，每一个逆变器所需要的较低的输出电压和多绕组也会限制相互分离的距离。 整合逆变器时的稳定性问题也是需要关注的。传统逆变器设计通常采用无阻尼大三角形过滤器，当很多设备并行放置或逆变器设置在长传输在线的时候，这些过滤器可能会导致系统运行的不稳定。而且，如果逆变器被并行放置在同一个箱子里，每一个500千瓦逆变器由4个较小的125千瓦单元驱动，那么这种系统就容易受到电气干扰，而且会为整个光伏系统带来多个故障点。 相比之下，真正的无变压器逆变器直接固定在建筑物的入口处，甚至是固定在一个尺寸足够大的配电安装板上。由于没有隔离变压器，从光伏模块电源获得的额外的1%到2%能源效率直接进入负载，在功率为500千瓦的时候，这意味着最低免费额外提供了5千瓦的输出。此外，直接转变成可用的电压，而不是较低的单极逆变器交流电压，而交流电电流降低一半以上，从而降低了交流电一端的电线成本。 如果没有一个变压器，逆变器的尺寸更小，重量更轻，为电力集成商在安装和整体系统设计方面提供了更大的自由。由于重量的限制和必须的加固措施，在五层楼的建筑物屋顶安装一个传统的逆变器从成本上来说可能会让人望而却步，但是设计人员却可以让无变压器逆变器安装在商业建筑的屋顶上（而不是安装在地下室），使其直接与五楼的安装板连接。这样的设计不仅可以免除昂贵的高达五层楼的直流电布线，而且还能缩短交流电电线的长度并降低相关成本。 最后一点，多个逆变器可以在不用变压器的情况下并联，而电源则可以直接使用，以便实现稳定的表现。无变压器逆变器技术采用大得多的电源优化器和较小的三角形滤波电容。这些较小的三角形滤波电容器也通过一种串联电阻器进行缓冲，从而提高控制系统的稳定性，并且减少并联逆变器之间的相互作用。带有一种单一引擎设计的500千瓦逆变器也能减少零部件数量，从而提高整个系统的可靠性。 
图1.商业安装。a）新的双极系统连接；b）传统的单极系统连接 公用安装项目中使用的并联逆变器 同样的原则也适用于公用规模的安装项目。然而，大多数公用规模的安装项目涉及大型接地光伏数组，并配备了许多逆变器，可迅速升压至中压（4160至13.8千伏）。此外，传统逆变器需要一个单独的隔离变压器与各个逆变器进行配对，而这就占到不必要损耗中的多达两个效率点。 在一个1兆瓦的模块中，可将1至4个传统逆变器安置在一个单独的垫板上，并且每个逆变器都带有中压连接。中压连接成本很高，执行这项工作的电工人员需要接受更高等级的培训和认证。需要使用更大的设备垫板或公用机箱。如果电场有一个追踪器参与运行，那么就需要单独的变压器为这些追踪器供电。这样，系统平衡设备、材料和安装成本便会迅速增加。 传统逆变器还通过公用线路自干扰（如各种VAR发电）来检测孤岛情况。当与许多逆变器并联时，这种干扰就会在所有逆变器之间产生VAR拍差频率，所产生的假脱扣将使电场关闭。多个传统逆变器及它们的大型三角电容器也会产生不稳定性并吸收大量谐波电流。 这些问题都可以通过无变压器逆变器技术来避免。无变压器逆变器可以被并联到一个中压变压器的单独绕组上。每组逆变器仅需要一个独立、标准的1000、1500、2000或2500kVAR规格的中压变压器。这就为站点配置提供了众多可能性。由于其电流低于传 统逆变器的电流，因此安置逆变器和变压器的方式还有更多灵活选择。 无变压器逆变器的尺寸约为传统逆变器的一半，可直接转换成更高的电压，这就减少了所需占地面积、运输和起重设备成本（加上递增的设备垫板或公用机箱建造成本）以及连接绕组的大小和数量。此外，一个连接到无变压器逆变器的标准配电板可以在无需单独变压器的情况下向追踪器供电。由于变压器减少，系统中的电抗组件随之减少，从而实现最稳定的运行状态。此外，每个逆变器均通过以太网进行自动和独立寻址，从而消除了一切干扰问题。 此外，完全被动的反孤岛技术不会干扰带VAR偏差的公用电压，也不会在路线上设置其它瞬态，因此能够实现高效、顺畅、稳定的电源，这一起都为了相对削减安装成本。 
图2.公用电场连通逆变器。a）全新双极连接，变压器数量减少；b）传统单极连接，每个逆变器配备一个变压器 在商业和公用安装项目中发挥新的能力 电力集成商和公用电力事业机构可以通过将多个无变压器逆变器直接整合到电网或中压的方式发挥出新的能力。由此产生的最大发电量和高功效收益将继续推动太阳能光伏发电和替代性能源成为主流。同时，新型光伏系统设计实现了前所未有的灵活性和成本节省，对电力集成商和公用电力事业机构产生了意义深远的广泛影响。目前，许多机构都纷纷采用了无变压器的逆变器技术，这种新的配置正在改变着行业面貌。 结语 通过利用无变压器的逆变器技术，电力集成商和公用电力事业机构能够降低光伏系统的复杂性并最大限度地提高电力传输，无论是在商业安装项目中直接接入电网，还是在公用安装项目中接入中压。此外，无变压器逆变器技术可缩小光伏系统安装规模，并降低系统平衡成本，从而扭转了发展趋势。新趋势强调平准化发电成本（LCOE），本文讨论的新一代无变压器逆变器能够大幅降低LCOE，而这些只需提供直接的转换即可实现--这是一个值得在未来探讨的议题。 太阳能光伏并网发电系统原理 太阳能并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网。太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是21世纪最具吸引力的能源利用技术。与离网太阳能发电系统相比，并网发电系统具有以下优点： 1.利用清洁干净，可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的，资源有限的含碳化石能源，使用中无室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。 2.所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达25%—45%，从而使发电成本大为降低。省掉蓄电池并可提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。 3.光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，并且还使建筑物科技含量提高，增加卖点。 4.分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。 5.可起调峰作用。联网太阳能光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。 并网发电系统的原理及组成： 太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于P－N结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。并网发电系统通过光伏数组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，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。 
并网发电系统的组成 1.太阳能电池组件： 一个太阳能电池只能产生大约0.5伏的电压，远低于实际使用所需电压。为了满足实际应用的需要，需要把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。如一个组件上，太阳能电池的数量是36片，这意味着一个太阳能组件大约能产生17伏的电压。 通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐，防风，防雹，防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。 2.逆变器： 将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池发出的是直流电，而一般的负载是交流负载，所以逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。 |
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