第2章　光伏并網逆變技術

2.1　光伏并網逆變器概述

2.1.1　光伏發電系統構成

太陽能光伏發電系統一般由光伏電池方陣、匯流箱、直流配電柜、蓄電池組、電池充放電控制器、逆變器、交流配電柜、發電監控系統、太陽能跟蹤系統、環境監測系統、防雷系統等設備組成。

逆變器是把直流電能轉換為50Hz交流電能的變流裝置，是光伏發電系統的核心設備之一。光伏電池板發出直流電一般需要通過逆變器轉換為交流電，提供給交流負載或者并入交流電網。

根據功率輸出目標的不同，逆變器可以分為離網型逆變器、并網型逆變器以及并離網型逆變器。離網型逆變器的交流輸出不與電網連接，太陽能電池組件通過DC/DC直流變換器將發出的電能儲存在蓄電池內，再通過離網逆變器將蓄電池內的直流電轉換成幅值頻率穩定的交流電給負載使用。如圖2-1所示。

并網型逆變器是將太陽能電池板發出來的直流電直接逆變成高壓電饋入電網，蓄電池儲能不是必要的中間環節。如圖2-2所示。

并離網型逆變器則是既能夠并網運行，也能夠離網運行的逆變器，它主要適用于微電網系統，特別是戶用光伏微電網系統。當外部電網出現故障時，內外電網斷開，并離網逆變器立即由并網運行狀態切換為離網運行狀態，保證內部電網的穩定供電。當外部電網恢復以后，內外電網重新連通，并離網逆變器同時切換為并網運行狀態。

2.1.2　光伏并網逆變器分類

并網逆變器有多種實現方案，主要分為電壓型和電流型兩大類。電壓型并網逆變器方案比較普遍，這主要是因為電壓型逆變器中儲能元件是電容，它與電流型逆變器中儲能元件電感相比，儲能效率和儲能器件體積、價格等方面都具有明顯的優勢，全控型功率器件的驅動控制比較簡便，控制性能相對較好。光伏并網逆變器可以按照拓撲結構、隔離方式、輸出相數、功率等級、功率流向以及光伏組串方式等進行分類。

按照拓撲結構分類，目前采用的拓撲結構包括：全橋逆變拓撲、半橋逆變拓撲、多電平逆變拓撲、推挽逆變拓撲、正激逆變拓撲、反激逆變拓撲等。其中高壓大功率光伏并網逆變器可采用多電平逆變拓撲，中等功率光伏并網逆變器多采用全橋、半橋逆變拓撲，小功率光伏并網逆變器采用正激、反激逆變拓撲。

按照隔離方式分類它包括隔離式和非隔離式兩類，其中隔離式并網逆變器又分為工頻變壓器隔離方式和高頻變壓器隔離方式，光伏并網逆變器發展之初多采用工頻變壓器隔離的方式，但由于其體積、重量、成本方面的明顯缺陷，近年來高頻變壓器隔離方式的并網逆變器發展較快。非隔離式并網逆變器以其高效率、控制簡單等優勢也逐漸獲得了認可，目前已經在歐洲開始推廣應用，但需要解決可靠性、共模電流等關鍵問題。

按照輸出相數可以分為單相和三相并網逆變器兩類，中小功率場合一般多采用單相方式，大功率場合多采用三相并網逆變器。按照功率等級進行分類，可分為功率小于1kVA的小功率并網逆變器，功率等級1～50kVA的中等功率并網逆變器和50kVA以上的大功率并網逆變器。從光伏并網逆變器發展至今，發展最為成熟的屬于中等功率的并網逆變器，目前已經實現商業化批量生產，技術趨于成熟。光伏并網逆變器未來的發展將是小功率微逆變器即光伏模塊集成逆變器和大功率并網逆變器兩個方向并行。微逆變器在光伏建筑集成發電系統、城市居民發電系統、中小規模光伏電站中有其獨特的優勢，大功率光伏并網逆變器在大規模光伏電站，如沙漠光伏電站等系統具有明顯優勢。

按照功率流向進行分類，它分為單方向功率流并網逆變器和雙方向功率流并網逆變器兩類。單向功率流并網逆變器僅用作并網發電，雙向功率流并網逆變器除可用作并網發電外，還能用作整流器，改善電網電壓質量和負載功率因數，近幾年雙向功率流并網逆變器開始獲得關注，它是未來的發展方向之一。未來的光伏并網逆變器將集并網發電、無功補償、有源濾波等功能于一身，在白天有陽光時實現并網發電，夜晚用電時實現無功補償、有源濾波等功能。

光伏并網逆變器按照光伏板組合方式的不同可以分為組串式逆變器、集中式逆變器和微型逆變器，這是應用領域中最為常用的分類方式。

2.1.2.1　組串逆變器

組串逆變器正在成為國際市場上最流行的逆變器。它是基于模塊化概念的設計，多片光伏電池板根據逆變器額定輸入電壓要求串聯成一個組串，通過一臺逆變器并聯入電網，逆變器在直流端進行最大功率峰值跟蹤。也有允許多個組串接入并進行多路MPPT跟蹤控制的組串式逆變器，其功率容量約為1～50kW，它們通常是用于光伏建筑BIPV（Building Integrated Photovoltaic）、BAPV（Building Attached Photovoltaic）或者屋頂電站（Roof Plant）等光伏系統中，因而也稱作戶用型或商用型光伏逆變器。

組串式逆變器特別適合應用于分布式發電系統中，以常見的多晶硅電池板250W為例，單組串可以從3塊電池板到23塊電池板，組合起來非常靈活，對于不規則的建筑屋頂也能有比較優化的方案。組串式光伏逆變器的優點在于每個組串都有獨立的MPPT，相互之間沒有影響，這避免了組串之間的不平衡，或者陰影遮擋對系統的影響。組串式逆變器另外的一個優點就是直流輸入范圍比較寬，這樣能夠延長發電時間增加發電量。最近兩年用組串式逆變器設計兆瓦級的光伏電站的案例也在逐漸增多，組串式逆變器在大的發電站上應用也是具有一定優勢的。

根據并入電網的情況，組串式逆變器又可以分為組串式單相逆變器和組串式三相逆變器。一般組串式逆變器都是直接并入工業或者民用電網的。單相逆變器主要應用于單相電入戶的民用屋頂和商業屋頂，單機功率一般在1～5kW。三相逆變器主要應用于商業和工業屋頂，單機功率一般在6～30kW。

2.1.2.2　集中式逆變器

集中式逆變器一般用于日照均勻的大型廠房、荒漠電站、地面電站等大型發電系統中，系統總功率大，一般是100kW～1MW以上。多路光伏組串并行連接到匯流箱，然后接入一臺集中式逆變器的直流輸入端并網發電，它具有如下的優點：

①逆變器集成度高，功率密度大，成本低；

②逆變器元器件數量少，可靠性高；

③逆變器數量少，便于管理；

④諧波含量少，直流分量少，電能質量高；

⑤逆變器各種保護功能齊全，電站安全性高；

⑥有功率因數調節功能和低電壓穿越功能，電網調節性好。

但由于并聯的組串較多，光伏組件特性匹配有差別或部分遮影的影響，導致各組串最大功率點跟蹤（MPPT）特性不一致，因此光伏系統的效率低。它需要專用機房和空調設施，自身功耗較大，維護工作量大。同時，某一光伏單元組工作狀態不良會導致整個光伏系統的發電可靠性受到影響。單臺逆變器功率較大，一旦出現故障，沒有冗余措施，對電網影響較大。出于可靠性和效率優化等方面的考慮，一些大型光伏電廠也在使用組串式逆變器。其優點是不受組串間模塊差異和遮影的影響，同時減少了光伏組件最佳點與逆變器不匹配的情況，從而增加了發電量。技術上的優勢不僅降低了系統成本，也增加了系統的可靠性。同時，在組串間引入“主-從”的概念，使得系統在單個組串電能不能使單個逆變器工作的情況下，將幾組光伏組串聯系在一起，讓其中一個或幾個工作，從而產出更多的電能。

2.1.2.3　微型并網逆變器

微型并網逆變器是將單塊光伏電池板的直流電直接升壓、逆變及并入電網的變流裝置，一般功率容量小于1000W，因此稱為微型逆變器。它具有組件級最大功率點跟蹤能力，可以集成在光伏電池板組件上，作為單塊光伏板與電網之間的適配器，這使得光伏發電系統可以即插即用，甚至不需要專業技術人員來進行運行維護。在規模并網應用時需要通過通信功能，協調控制各個模塊，監視各個模塊的狀態，并檢測出故障模塊。微型逆變器有上述優點，但其單位功率成本較高，不適合大規模光伏電場的使用。

三種并網逆變器具有各自的優點和缺點，均有各自適合的應用場合，需要根據實際應用場合進行選擇，也可以組合應用優化效率。