光伏并网逆变器的研究及可靠性分析

光伏并网逆变器的研究及可靠性分析
摘要：能源关系到人类的存亡和发展，尤其化石能源仍占主导性地位。

尽管化石燃料的利用率相对较高，但也存在诸多不足。

如化石燃料总体有限，属于不可再生；开采石油、天然气势必会给环境带来污染。

为缓解污染和能源有限性两大问题，有必要探索一种安全、绿色的可再生能源，以取缔化石能源。

而太阳能作为一种可再生能源，完全满足上述要求，因而备受科研人员的关注。

为推动太阳能的持续性发展，缓解眼前的能源危机，全面开发发展太阳能光伏技术迫在眉睫。

关键词：光伏发电；并网逆变器；控制；可靠性
1 光伏发电系统对并网逆变器的要求
1.1并网逆变器的要求
(1)较高的效能。

广伏电池成本贵，这就需要提高并网逆变器自身的效能。

当光伏电池增加后，发电成本也会随之扩大。

针对大型光伏电站，大多选用
250kW、500kW集中型并网逆变器。

部分10MW级及以上的光伏电站，最好选择功率更高的逆变器，如单机功率＞1MW，其效费比相对也会更高。

(2)较高的可靠性。

实践中，太阳能发电基本上都是位于闭塞地区，无专人看守。

所以，逆变器电路应当建立就合适的构架，同时逆变器也要具备一定的保护功能。

(3)直流输入电压有较高的适应限度。

(4)不能干扰公用电力系统，输出必须是正弦电流。

(5)家用光伏发电系统，不能有很大的电磁干扰。

1.2光伏并网逆变器相关国际标准
2019年，我国修订并完善了《GB/T 37408-2019 光伏发电并网逆变器技术要求》，关于分布式发电，其中对并网接入点频率、谐波、电压、电压闪变以及功率因数等均有详细的说明。

现介绍其中的某几个重要方面。

(1)电压：逆变后，经过或不经过变压器条件下得到的输出电压，和并网点母线电压一致，其电压偏差必须满足GB/T 37408-2019的标准。

(2)电网频率：如50Hz工频电网，它的并网频率介于49.4Hz～50.4Hz。

(3)电压闪变：当连接点电压处于±5%区间，即实行并网。

(4)功率因数：若输出功率＞10%额定功率，那么功率因数＞85%。

2不同光伏电站逆变方案的介绍和对比
2.1集中式逆变器
大型地面光伏电站，普遍都在选择1MW及以上的“模块式发电，集中并网”方案。

该方案中，每个1MW发电单元对应的光伏组件均是利用直流汇流箱，依次和2台500KW 集中式逆变器进行连接，经逆变后，再次和1台箱式变压器进行连接。

接下来，经两条汇集线路顺利和110KV升压站进行连接，在升压处理后，最终并入到公用电网中。

电站内均是选择集中式无功补偿装置SVG，并安装于
110KV升压站。

优点：从输出功率上看，基本突破兆瓦级，但是单位发电成本非常小，适用于光伏电站。

缺点：相同阵列中，串联模块本身的特性，对于光伏器件及其输出功率均有较大的影响；当某个组件受到遮挡，该组件无法输出功率，甚至成为负载，导致发热。

2.2组串式逆变器
各个1MW光伏发电单元，每8串光伏组件需要利用电缆，与1台50KW 组串式逆变器之间进行连接；每4台组串式逆变器需要和1台（4进1出）交流汇流箱进行连接，经过5台交流汇流箱后，最终与1台（1000KVA）双绕组升压变成
功并入，升压后才能接入到110KV升压站。

电站内均是选择集中式无功补偿装置SVG，并安装于110KV升压站。

优点：组串间模块、阴影对其无半点干扰，防止组件最佳工作点、逆变器之
间不匹配，扩大发电量。

2.3微逆变器
微逆变器，归根结底是将组件、逆变器当做1个完整的单元。

该情况下，逆
变器需要和光伏组件进行连接，将电能传递至电网中，或是供给本地负载。

即便
多个逆变器共同接入电网，也不会和光伏组件有半点干扰。

就算其中某个模块失效，对系统也毫无影响。

优点：各个组件均可以在最大功率点上运行，对局部阴影有较高的抵抗能力；支持模块化设计，即插即用，拓展便利；即便单个模块完全失效，但对系统几乎
毫无影响。

另外，微逆变器具备直流高压、木桶效应等诸多优点。

从年发电量上看，PVMI微型逆变器相比集中式要高出14%。

3集中式逆变器与组串式逆变器在实际工程运用中的对比分析
（1）发电量对比：对于大型地面电站，当地势相对平坦，根据理论计算和
西北若干电站统计的发电量数据，集中式、组串式逆变器二者在发电量上基本上
持平。

某些情况下，前者还要略高。

（2）发电损耗对比：损耗、效率指标相同。

当MPPT电路工作时，组串式的
转换效率相对偏低，但是损耗更大。

而集中式逆变器属于一种单级逆变器，其转
换效率明显要高，损耗自然要更小。

（3）效率对比：集中式 PV电压越高，则它的效率反而会越低；与集散式相似，电压和额定电压之间越接近，代表效率也就会越高。

380Vac并网逆变器，其
直流电压和600Vdc越接近，说明效率也就会越高；500Vac并网的逆变器，起直
流电压越是靠近于750Vdc，其效率越高。

（4）安全性对比：通常，组串式逆变器需要多款不同的设备，其故障率相
对也会更高。

所以，需要耗费的运维成本多于集中式逆变器；不过，后者一次故
障引起的发电损失，明显要比前者更多。

所以，有必要定期加强维修。

（5）环境适应性：集中式逆变器大多都是搭建集装箱式机房，制定一套通
风式散热方案，其防护等级为IP54。

对于风沙、雨水或是烟雾天气，并不适用；
而组串式逆变器，它的防护等级接近于IP65，能够有力抵抗风沙、雨水或是烟雾
系列恶劣环境，保证运行安全。

4光伏逆变器的控制策略
4.1矢量三相输出水平
比较典型的三电平电压波形，其相位符合2π对称，以非线性方程为主。

任
何状态向量空间，均和三相输出比较适用。

该方案，是利用逆变器空间电压（或
是电流）来对矢量进行切换，以优化逆变器。

它可以输出正弦波，在功率器件开
关频率相对偏小的基础上，提高直流电压的利用率。

但是，该技术的不足，是空
间矢量控制需要较多的数学运算，对计算精度有较大影响。

4.2技术改进控制策略
4.2.1共模电压逆变器原理
根据以上分析，我们清楚了三相输出所处的技术状态。

可见，SVPWM方法适
合于研究谐波，其应用相对匡帆。

不过，矢量三相输出共模电压是一个载体，其
空间相对较大，振幅绝对值接近于标准值。

所以，利用控制策略技术有助于增加
输出振幅，以减小共模电压，达到抑制共模电压之目的。

当PWM输出向量是个1
个向量，经转换后变成1个支持向量，但是谐波电压最终的去除效果并无影响。

4.2.2中点电压平衡控制技术
稳定状态下，基于相位输出0°～180°、180°～360°的两个输出矢量区域，其中点电压实质上是完全相反的。

假如负载电流是一种对称的正弦波，能够使中
点电压维持平衡。

从波的180度相位，和中性点电压和波的0度相位波，在效果
上刚好相反。

对中性点电压来说，为判断两波开关模式会有何种影响，0的中性点电压的
60度的切换序列WM三相输出，从开始阶段0度波形0度到输出顺序60度的开关。

在不同时段，由于第一开关状态的三相输出均是利用切换技术，故切换序列能够
转换为一个系列：以180度的相位波模式为起点，从0-60度的切换序列逐步输
出NPN型非营利组织OPN、输出共模电压的三相输出开关序列抑制开关状态层序II：OPN OPN在NPN OPO NPN型组织。

序列比对和序列icolonne II、开关状态。

按照公式，2个切换序列上的中点电压同样也是相反的。

可见，各个周期开始进
入的战略模式，均适合对中点电压平衡进行控制。

结束语
如今，世界各国的能耗逐步在扩增、传统化石能源也面临枯竭之困境。

为此，有必要全面开发新能源。

而并网型光伏发电系统，省去了独立型光伏发电系统原
有的储能环节，有助于节省运行成本，减轻能源匮乏、环境污染等双重压力。

今后，我们应当重点探索与研究光伏并网逆变器更为高效、科学的控制策略，使输
出电压和电网电压能够在频率、相位和幅值上保持一致性，从根本上提高电网运
行水平、质量。

参考文献
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