文档介绍：集中式发电与分布式发电
根据光伏并网发电系统规模和集中程度,可分为集中式发电系统和分布式发电系统[11]。集中式发电系统可以看作太阳能发电站,其峰值功率可以达到上兆瓦, 输出电压等级较高,直接连入中压或高压输电网。例如上世纪 90 年代在西班牙托
莱多建成的兆瓦级太阳能电站,以及 1999 年在德国慕尼黑建成的与建筑集成的兆
瓦级太阳能电站[6]。
图 位于德国 Espenhain 的 太阳能电站
MWP solar power stations in Espenhain Germany
分布式光伏并网系统容量较小,一般在几个千瓦以下,比如户用光伏并网系统(太阳能屋顶系统)。在光伏并网系统的早期应用阶段,并网发电主要为集中式发电形式。通过数量很多的太阳能电池串并联后达到较高的电压和功率等级,然后使用较大容量的并网逆变器将电能输送到电网。这种方法需要耐直流高压、大电流的电缆连接光伏阵列和逆变器,且各电池组的差异会影响最大功率点跟踪的效果,降低效率。
光伏并网逆变系统结构
光伏并网发电中逆变器的功能是:当光伏阵列输出在较大范围内变化时,能以尽可能高的效率将其输出的低压直流电转化成与电网匹配的交流电送入电网。并网逆变系统结构大致可以分为三类:单级式结构、两级式结构和多级式结构[11]。
①单级式并网逆变器结构光伏阵列的输出电压一般较低,由于结构只有一级,逆变器必须在一个功率
环节中实现升压、最大功率点跟踪(MPPT)、DC/AC 逆变以及与电网在高功率因数下的并网等多个功能,这使得控制变得较为复杂。由于没有升压环节,通常采取的解决方案是串联多个太阳能电池组件以达到足够的直流输出电压,如图 所示,逆变器拓扑通常采用全桥结构。
图 全桥逆变拓扑(无升压环节)
topology of Full-bridge
②两级式并网逆变器结构两级式结构是采用最多的拓扑结构,其设计思想是:把光伏阵列输出的直流
低压转换为直流高压,再通过逆变器并到电网[24],其拓扑结构如图 所示。逆变器包含了两个功率环节:DC/DC 升压环节和 DC/AC 逆变环节,在 DC/DC 环节中实现升压和最大功率点跟踪,在 DC/AC 环节中实现逆变并网。由于具有两个功率环节,控制功能分散到两个功率环节中,简化了控制算法。
图 两级式并网逆变器拓扑结构框图
topology of Two-stage grid-connected inverter
③多级式并网逆变器结构多级式结构会的设计思想是实现光伏阵列与电网之间的能量解耦,降低逆变
器开关频率。由于具有多个功率环节,使得其控制目标更加分散,控制复杂性低。一个基于 Boost 升压电路改进而来的多级式并网逆变器拓扑如图 所示。第一级的 Boost 电路起升压作用,同时还实现最大功率点跟踪;第二级推挽电路控制输出电流波形为正弦半波,同时也实现电网和光伏的电隔离;最后一级为 100Hz 逆变器,起换相作用。
表 列出了上述几种结构光伏并网系统特点的比较。
图 基于 Boost 升压电路改进而来的多级式并网逆变器拓扑
topology of Multi-stage grid-connected inverter
表 光伏并网系统结构比较
Table of PV system
拓扑类型
单极式(无工频变压器)
单极式(有工频变压器)
两级式
多级式
变换级数
一级
一级
两级
三级以上
效率
高
低
较高
较高
成本
较低
较高
较高
高
控制算法复杂度
高
高
较低
低
系统设计灵活性
低
低
高
高
光伏并网逆变器
常规逆变器特点
并网逆变器是光伏并网发电的核心部件,它不仅可以将直流电变换为交流电, 还可以调节交流电的频率、相位、电压、电流、有功、无功和同步等,实现与电网并联的功能。
根据输出连接电网方式的不同,并网逆变器分为单相和三相。单相并网逆变器多运用于小型光伏系统;三相逆变器多运用于大型光伏电站,以避免光伏发电对电力线路造成的负载不平衡。
目前光伏逆变器产品及研究的主电路拓扑主要是电压源型逆变器,不管电压源型逆变器还是电流源型逆变器都存在理论上的缺陷。
电压源型逆变器存在以下理论上的缺陷[13]:
1. 交流负载必须为电感性或交流电源须串联电感,使其能够工作。
2. 交流输出电压被限制,只能低于直流母线电压。对于 DC/AC 功率变换,电压源逆变器是降压式逆变器,对于直流电压较低