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無隔離變壓器光伏逆變器的設(shè)計技術(shù)

發(fā)布時間:2012-01-12

中心議題:

  • 并網(wǎng)光伏逆變器的基本設(shè)計
  • 無隔離變壓器光伏逆變器的技術(shù)關(guān)鍵
  • 光伏逆變器正常運行狀態(tài)下的漏電電流分析
  • 光伏組件中的故障電流分析
  • 進入交流電網(wǎng)的直流分量之分析


并網(wǎng)光伏逆變器的基本設(shè)計

無論采用何種技術(shù),逆變器的基本設(shè)計都很明確,且非常相似。其核心就是將直流電壓(光伏組件)轉(zhuǎn)換成交流電壓(可并網(wǎng))的過程。在轉(zhuǎn)變的過程中,不停地轉(zhuǎn)換直流電的正負極連接,從而形成方向變化的交流電。所以,逆變器的關(guān)鍵部件是橋接開關(guān)(晶體管元件,見圖1a)),這個開關(guān)橋的一側(cè)連接輸入的直流電源,在另一側(cè)連接交流電網(wǎng)。在工作過程中,只有兩個相對的開關(guān)可以同時關(guān)閉。

如果將此開關(guān)橋的開關(guān)速度設(shè)置成與電網(wǎng)頻率相同,則在理論上可以將橋的輸出側(cè)與電網(wǎng)連接。但是,由于這樣輸出的電流是方波,且強度沒有變化,因此需要在輸出端安裝一個具有鐵芯的電感器,用以將輸出電流控制成為正弦波形狀。橋的斷開采用脈沖過程進行,從而形成與脈沖相關(guān)的較小電流分量。這樣的電流分量可以對電感器的電流進行控制。脈沖的頻率一般為20KHz , 這樣就完全可以形成50Hz的電流,見圖1b)。

對于光伏逆變器來說,還有一個非常重要的設(shè)備不能遺漏:輸入端的電容器,見圖1c ) 。電容器的作用是儲存電能,確保來自發(fā)電側(cè)的電流持續(xù)一致供給橋接開關(guān),并通過與電網(wǎng)頻率同步變化的橋進入電網(wǎng)。只有在輸入電容器的容量足夠大的情況下,才能夠保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的持續(xù)、正常運行。


圖1:光伏逆變器的基本設(shè)計

圖2描述了可用于直接并網(wǎng)的逆變器的基本功能。但在實際應(yīng)用中,輸入電壓的范圍具有一定的局限性。對于并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用,其輸入電壓必須在任何時刻都高于電網(wǎng)的峰值電壓。當電網(wǎng)電壓的有效值為250V時,達到正常并網(wǎng)要求的發(fā)電源側(cè)的最低電壓應(yīng)為354V。


圖2:最常用的逆變器電路圖表一覽

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與標準逆變器的基本設(shè)計不同,直接并網(wǎng)逆變器有很多方法來調(diào)整或提升輸入電壓范圍。常用的逆變器技術(shù)方案與結(jié)構(gòu)都各不相同:

上面提到的逆變器拓樸結(jié)構(gòu)不僅在電氣隔離方面不同,在可達到的效率、對電壓的依賴性等方面也各不相同。因此,沒有統(tǒng)一的公式來界定何種逆變器設(shè)計是最優(yōu)秀的設(shè)計,用戶必須要考慮到具體使用的逆變器特性。

無隔離變壓器光伏逆變器的技術(shù)關(guān)鍵

目前,只要光伏發(fā)電站設(shè)計合理,完全可以經(jīng)濟運行。直接并入電網(wǎng)的無變壓器型逆變器因為其低成本、高效率而日益受到重視。但是,該技術(shù)仍然被認為是“有問題的”。這一點將在下面進行檢驗和說明。

變壓器將電能轉(zhuǎn)化成磁能,再將磁能轉(zhuǎn)化成電能。在輸入與輸出端之間安裝的電氣隔離裝置導(dǎo)致的能量損失可達到1%,甚至高達2%。因此,無變壓器型逆變器的運行效率要比變壓器型逆變器高。這種技術(shù)還有很多其它的優(yōu)點,例如材料消耗少、重量輕等。

總而言之,無變壓器型逆變器相對體積較小、重量較輕、價格也比較便宜,在很多方面都比變壓器型逆變器更具優(yōu)勢。雖然光伏發(fā)電站的運行和安全性都不需要采用電氣隔離措施,在設(shè)計直接并網(wǎng)的逆變器時還是應(yīng)該考慮到以下幾個方面。


圖5:外觀相同,內(nèi)部電路不同:變壓器型和無變壓器型兩種Sunny Boy效率特性。

正常運行狀態(tài)下的漏電電流

將來自光伏組件的電壓采用高頻率(20kHz)轉(zhuǎn)換過程中,高頻電壓應(yīng)等同于電網(wǎng)電壓峰值;這些電壓在逆變器內(nèi)部被認為是干擾,濾波器可以阻斷這些干擾,防止其進入電網(wǎng)。但在理論上,阻止來自發(fā)電電源側(cè)的直流分量進入交流電網(wǎng)是不可能絕對實現(xiàn)的。
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這樣,根據(jù)所采用逆變器結(jié)構(gòu)的不同,在交流輸出中也將存在不同的對地直流電壓分量。如果太陽能電池組和/或者其接線端對地存在交流電壓,將產(chǎn)生“漏電電流”,通過寄生電容流向電池組接地點。


圖6:Sunny Boy 2100TL逆變器光伏電池組對地電壓

圖7:Sunny Boy 5000TL HC多組串逆變器光伏電池組對地電壓

下面我們以Sunny Boy 2100TL和Sunny Boy 5000TL HC兩種逆變器為例。如上圖所示。這兩種逆變器的運行會在其電子部分產(chǎn)生與時間相關(guān)的電勢,它們的光伏組件對地電壓也不相同。Sunny Boy 2100TL采用H型橋結(jié)構(gòu),加在光伏組件上的電壓為電網(wǎng)電壓有效值的一半。

多組串逆變器SB5000TL HC則采用電容半橋結(jié)構(gòu)。橋的中線直接連接在電網(wǎng)的中線上。這樣的結(jié)果就是產(chǎn)生的對地電壓只是50Hz的低電壓值,其分量只是電網(wǎng)電壓很小的一部分,只相當于變壓器拓撲結(jié)構(gòu)中的電壓紋波量。

除了電網(wǎng)電壓提升方面的考慮,漏電電流的大小還取決于光伏組件寄生電容的大小,該電容值大小與電池面積及組件與邊框之間的距離相關(guān)。因此,關(guān)于漏電電流情況,應(yīng)該在設(shè)計系統(tǒng)時就仔細考慮逆變器的結(jié)構(gòu)和光伏組件尺寸。面積越大、電池與光伏組件邊框之間的距離越小,產(chǎn)生的漏電電流就越大。無邊框結(jié)構(gòu)光伏組件的漏電電流值很低。然而,安裝在不銹鋼箔上的非晶電池會產(chǎn)生很大的漏電電流。

外部條件也會對漏電電流產(chǎn)生影響,因此不可避免會產(chǎn)生一定的波動。如果沉淀物或者清潔液弄濕了光伏組件,漏電電流就會增加;這些液體中的電子物質(zhì)成分縮短電池與電池間的距離,造成漏電電流升高。

總之,光伏組件在運行時的漏電電流(正常情況下)取決于很多運行條件,沒有定值來衡量。以H型橋逆變器(如Sunny Boy 2100TL)為例,在運行過程中光伏組件的漏電電流值在1-30mA/KWp范圍內(nèi)。

光伏組件中的故障電流

在并網(wǎng)應(yīng)用的光伏電站中,只能使用電池片與邊框有可靠絕緣的光伏組件。組件要具有雙倍或超強的絕緣措施,并且要充分考慮光伏組件的系統(tǒng)耐壓性,以保證即使在光伏系統(tǒng)運行狀態(tài)下也可以觸摸組件表面,不會造成危險。目前,所有的光伏組件可以達到Ⅱ級防護,在選擇時并沒有太嚴格的限制。

如上所述, 對于無變壓器型逆變器,在運行時光伏組件上的電壓可以是疊加了交流電網(wǎng)的同步電壓值。當觸摸組件表面時,可能會產(chǎn)生對地的故障電流。如果組件的絕緣足夠好,一般來說很難有這樣的電流產(chǎn)生。但是,故障電流放電的強度會隨一些條件的變化而增加,如光伏電池距離縮短(這種情況下透明玻璃或塑料板厚度減少)、接觸面積增加等。比如:由于清潔光伏組件的液體中含有導(dǎo)電物質(zhì),會造成導(dǎo)電面積擴大,從而導(dǎo)致意外的故障電流。在這種情況下雖然無法對危險電流預(yù)先檢測,但如果發(fā)生意外會造成一定的危險。為了避免由此(類似突然從梯子上掉下來等)產(chǎn)生的安全隱患,也為了避免危險,在建設(shè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)時,用戶應(yīng)該遵循以下步驟:

1)將光伏組件的邊框以及其他導(dǎo)電氣部分與接地線連接
2)在對系統(tǒng)進行維護或?qū)夥M件進行清理時,斷開逆變器與電網(wǎng)的連接

有了這些保護措施,人員安全就能夠得到完全的保障。設(shè)計精密的無變壓器型逆變器還有額外的保護,即使超過電氣隔離型逆變器要求的安全標準,也勿需擔心安全問題。

在該類型逆變器中, 要對組件可能產(chǎn)生的DC或AC漏電電流進行持續(xù)監(jiān)測, 一旦產(chǎn)生故障電流( 大于3 0mA) , 逆變器立即斷開與電網(wǎng)的連接。然而,現(xiàn)實應(yīng)用中對故障電流的監(jiān)測比簡單監(jiān)測漏電電流大小更為復(fù)雜。漏電電流在系統(tǒng)運行狀態(tài)下是隨時變化的,在并網(wǎng)之前無從得知當前的數(shù)值。因此,在每次逆變器接入電網(wǎng)前,會檢測光伏組件的絕緣電阻。只有當絕緣電阻超過要求的電阻值( 大于1M歐姆)時,才能證明沒有故障電流注入電網(wǎng),這時可以連接電網(wǎng)。因此,識別故障電流不僅通過監(jiān)測漏電電流的增加,還要通過測量電流的變化率來獲知。所有故障電流監(jiān)控裝置都必須具有漏電電流檢測功能(雙重的),各監(jiān)測系統(tǒng)必須能夠獨立識別故障電流。這樣,人身安全就會得到更多的保障。RCD保護在調(diào)試之后很少或者根本不需要再進行人工測試,但上述保護措施遠比一般的RCD保護更有效。
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進入交流電網(wǎng)的直流分量

直接與電網(wǎng)并接,通常會導(dǎo)致直流電直接進入交流電網(wǎng)。該直流電成分會影響電網(wǎng)上的設(shè)備( 局域電網(wǎng)變壓器) 的正常運行和RCD的工作特性,同時會使與電網(wǎng)并接的用電器中的變壓器發(fā)生內(nèi)耗,產(chǎn)生磁飽和,而這并不是用電器所要求的使用環(huán)境。雖然這種情況不一定會損壞設(shè)備,但可以引發(fā)啟動電網(wǎng)中防止直流成分的保護設(shè)備工作。所以,理論上并網(wǎng)型逆變器都設(shè)置有防止直流電進入電網(wǎng)的預(yù)防措施(通過50Hz變壓器或電容器進入電網(wǎng))。

還有一點非常重要,即逆變器向電網(wǎng)送入直流電的能力不僅僅取決于是否存在隔離變壓器。而與電容器相結(jié)合,變壓器只是可以在電氣隔離的情況下傳輸功率。事實上,我們關(guān)心的是電路中的電氣部件向電網(wǎng)輸入直流電流的能力。對于直接與電網(wǎng)連接的高頻變壓器型逆變器,普通的逆變橋無論是否有變壓器,都能夠向電網(wǎng)輸送直流電流。

對于SMA逆變器,電容是橋的一部分。變壓器型逆變器的變壓器設(shè)置在橋的電網(wǎng)側(cè),從而只能向電網(wǎng)提供交流電流(如Sunny Boy 5000TLHC和所有變壓器型逆變器)。

即使逆變橋發(fā)生故障,也不可能向電網(wǎng)繼續(xù)送入直流電流。原因是逆變器中串連的兩個雙極繼電器會在這種情況下切斷與電網(wǎng)的連接,該方案應(yīng)用于所有SMA無變壓器型逆變器。假設(shè)繼電器失效,橋的短路會造成過流發(fā)生,逆變器中的過載保護(過載開關(guān))仍會啟動,并切斷與電網(wǎng)的連接。

結(jié)論

采用無隔離變壓器型逆變器的光伏電站,具有發(fā)電量很高的優(yōu)點。就安全而言,完全可以與采用物理電氣隔離裝置的發(fā)電站相媲美。由于內(nèi)部采用了完善的人員保護裝置,該裝置的驅(qū)動由來自具有自動監(jiān)測漏電電流功能的系統(tǒng)完成,保護能力更加理想。在設(shè)計光伏電站時,要充分考慮如下幾點:

  • 選用絕緣好的光伏組件和電纜(Ⅱ級保護)
  • 將光伏組件和/或者光伏組件邊框與接地連接
  • 選用具有完善故障電流檢測、監(jiān)控的無變壓器型逆變器
  • 注意電容與電網(wǎng)連接時,需監(jiān)測送入電網(wǎng)的直流分量
  • 當需要在電源接點進行故障電流檢測時,應(yīng)注意組件運行時的漏電電流(如設(shè)置漏電電流監(jiān)測值為100mA或更高)
  • 在對光伏發(fā)電站進行維修時,要斷開逆變器

由于光伏發(fā)電站投資回收周期主要取決于發(fā)電量,可見逆變器的轉(zhuǎn)換效率尤為重要。鑒于SMA系統(tǒng)的條件優(yōu)勢,無變壓器型逆變器將在光伏市場的競爭中占有更加重要的地位。

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