1、微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的应用研究 摘 要 微逆变器是小功率逆变器，它可以直接将每一块太阳电池组件输出的直流电转换成交流电。使用微逆变器的光伏发电系统由于各组件之间相互独立，因此它有可以减少因不匹配造成的功率损失，使光伏系统设计更加简单和灵活 ，而且没有高压部分也不需要使用直流设备，可以降低成本和提高安全性。 纵观光伏并网逆变器的发展历程，高频化、小型化、智能化、模块化将是其主要发展方向之一，微逆变器因为其具有突出的系统扩展灵活、易于集成等突出优势， 适用于小型光伏发电系统和建筑一体化光伏系统， 有较好的发展前景。 目前生产微逆变器的企业主要有美国 Enphase公司、 Enecsy
2、s、 Direct Grid、EXENDIS， SMA，国内只有英伟力新能源公司推出了微逆变器产品。 现在国内还没有光伏电站使用微逆变器，但随着小型光伏电站和光伏建筑一体化的发展，微逆变器将得到更广泛应用。 为了解微逆变器的特点，掌握微逆变器在光伏发 电系统的应用方法， 我们建设了四个基本相同的光伏实验电站，其中两个光伏电站使用SMA 逆变器 sb1200，另外两个光伏电站使用英伟力微逆变器 MAC250。 通过实验对微逆变器和传统逆变器在正常情况和有阴影遮挡的情况下的发电效率和输出电能质量进行了对比， 还对这两种系统 的经济性 进行 比较和分析 。 实验结果表明，使用微逆变器可提高光伏发电系
3、统的直流效率，微逆变器的 电流谐波畸变率比 小型逆变器 小。微逆变器在 容量 小于 30kWp 的系统中具有明显的成本优势。 关键词： 微逆变器 ， 光伏发电系统 ， 直流效率，电能质量 ， 经济分析微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的应用 研究 Research on the application of microinverters in Grid-connected photovoltaic system Abstract Microinverter is a low power inverter which can directly transform direct current i
4、nto alternating current. In photovoltaic system which use microinverter， PV modules are independent so there are no power losing caused by mismatch between PV module, that make it more easy and flexible for PV system design, and because it have no high voltage and dont need DC equipment, so it can d
5、ecrease cost and improve security. See from the development of inverter, high frequency, miniaturization, intelligentize and modularize is the major development direction. Microinverter have the advantage of enlarge easily, prone to integration, so it can be use in mini-PV system and building integr
6、ated photovoltaic system, it have a bright future. Now there are many corporations which can produce microinverter, for example, Enphase Energy , Enecsys, Direct Grid, EXENDIS, SMA, etc. In China only Involar have launch microinverter. Until recently there havnt any PV system which use microinverter
7、 in China. But with the development of building integrated photovoltaic system and mini-PV system, microinverter will be used more and more widely. In order know the characteristic of microinverter and master the application method of microinverter, we built four experiment PV system with mainly no
8、difference, two PV system use SMA inverter SB1200, others use Involar inverter MAC250. In the experiment we compare the microinverter PV system and traditional PV system under normal condition and shadow condition in the aspect of electricity power efficiency and power quality, and we compare and an
9、alyze the two systems economy. The experiment result show that microinverter can improve the PV systems direct current efficiency, and the THD value is smaller than traditional inverter. Obviously, microinverter PV system have the advantage of low cost if the systems capability is lower than 30kWp.
10、微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的应用 研究 Keywords: microinverter, Photovoltaic system; direct current efficiency; electricity power quality; Economic analysis 微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的应用 研究 I 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 太阳能光伏发电系统介绍 . 1 1.2 太阳能发电系统的拓扑结构 . 1 1.3 阴影遮挡对光伏发电系统的影响 . 5 1.4 微逆变器在光 伏建筑一体化系统中的应用 . 6 第二章 微逆变器介绍 . 8 2.1 光伏并网逆变
11、器的现状及发展 . 8 2.2 微逆变器的技术分析 . 8 2.3 英伟力微逆变器产品分析 . 10 第三章 实验方案及内容 . 11 3.1 实验目的 . 11 3.2 实验方法 . 11 3.3 实验内容 . 11 3.4 设计方案 . 12 第四章 实验平台建设和经济分析 . 28 4.1 实验平台建设 . 28 4.2 系统检测 . 34 4.3 设备调试 . 39 4.4 经济分析 . 42 第五章 数据分析 . 45 5.1 发电量比较 . 45 5.2 电能质量比较 . 49 第六章 结论和展望 . 54 参考文献 . 56 致 谢 . 58 微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的
12、应用 研究 1 第一章 绪论 随着石油价格的提高和保护环境意识的增强，世界各国都纷纷采取新的能源政策来促进可再生能源的应用以应对能源危机和保护环境。太阳能是可再生能源之一，它具有分布广泛、清洁、取之不尽的特点，人类可以利用太阳能的热能来给物体加热，也可以利用太阳能来发电。太阳能光伏发电具有发电过程中无污染、无噪音、免维护、使用寿命长等优点。 1.1 太阳能光伏发电系统介绍 太阳能光伏发电系统主要有三种形式： 离网型，不需要与电网连接，太阳能光伏方阵直接给负载供电，或者太阳能光伏方阵通过储电池间接给负载供电。 并网型：需要与电网连接，太阳能光伏方阵输出的电经逆变器转换后输入电网。 混合型：结合了
13、以上两者的优点，既连接电网又连接 蓄 电池。太阳能光伏方阵输出的电既可以储存起来也可以向电网输送。 离网型光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区。由于必须有蓄电池储能装置，所以 整个系统的造价很高。 在有公用电网的地区，一般采用并网运行光伏发电系统。并网运行光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池。蓄电池在存储和释放电能的过程中，伴随着能量的损失，且使用寿命通常仅为 5 8 年，报废后还将对环境造成污染。省去蓄电池后，光伏发电系统不仅可大幅度降低造价，还具有更高的发电效率和更好的环保性能，且维护简单、方便 。 1.2 太阳能发电系统的拓扑结构 太阳能光伏并网发电系统主要由太阳
14、电池组件、逆变器、配电设备组成。太阳电池组件能吸收太阳能输出直流电，逆变器使直流电转换成能供用电器使用的微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的应用 研究 2 交流电，除此以外，逆变器还有逆 变器具有最大功率跟踪、孤岛效应保护、极性反接保护、短路保护、接地保护（具有故障检测功能）、过载保护以及对地电阻监测、报警功能和运行数据监控。在现阶段，按太阳能光伏方阵与逆变器的连接方式不同，太阳能光伏并网发电系统可分为三种典型的拓扑结构（如图 1 所示）：一种是集中型、多组串型和组件型。不同的拓扑结构光伏发电系统，在安全性、系统效率、成本、维修等方面有很大差异。下面分别介绍这几种拓扑结构。 图 1-1 典型的
15、拓扑结构 在集中型拓扑结构中，多个太阳电池组件通过相互串并联连接后与逆变器的输入端连接，它的优点是逆变 器的直流输入端电压较高，功率较大，从而逆变器的效率较高，并且多数集中型拓扑结构光伏系统使用主从式逆变器， 最高 效率在98%左右。 集中型主从式逆变器中有三、四个或者更多小逆变器，它们在直流端相互并联连接，但各个逆变器的启动优先级别不同，主控制器根据输入功率决定工作小逆变器的数量。这样即使在低辐照下，逆变器也有较高的效率。 集中型逆变器具有成本低，效率高的优点。但是在这种结构中每一个组串的太阳电池组件的型号和数量都必须一致。如果某一块组件受到阴影遮挡，那么其他组件将向它供电，从而使它温度过高
16、而损坏，为防止这种现 象发生，每个组件都要并联一个旁路二极管，每个组串也要串联一个防反二极管。组件的最大功率点随组件的温度和太阳辐照度有关（如图 1-2 所示），而在同一个太阳能光伏方微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的应用 研究 3 阵中各个组件的温度和太阳辐照度都稍有不同，各个组件虽然型号一样但输出参数也有差异，组件之间存在失配问题，而且它们都使用同一个最大功率跟踪器，因此会造成功率损失。 图 1-2 最大功率点与温度和辐照度的关系 多组串型拓扑结构中每一串太阳电池组件连接逆变器的一路输入端，每个逆变器有 4、 5路甚至 6路输入端。多组串型逆变器使用两级电路架构，在第一级架构中分别对各个
17、组串进行最大功率跟踪，而且把各组串输出的直流电压转换成相同的直流电压后进行汇流；在第二级架构中将直流电转换成交流电。这种结构的优点是各组串分别对应一个最大功率跟踪器，相互独立工作，由于能对每一串太阳电池方阵进行最大功率跟踪，减少了组件失配造成的能量损失，提高了效率，而且不同的组串可以使用不同型号和不同倾角的组件，增加了设计的灵活性。但是这种结构的逆变器成本较 高，而且直流电缆较多，增加了电缆和直流配电的成本。 集中型和多组串型太阳电池方阵包含一个或者多个太阳电池组件串，因为串内的太阳能电池组件是串联的，所以整个串的性能是由串内性能最差的那个组件决定的一个组串的最大功率，而且多个太阳电池组件共用
18、一个最大功率跟踪器会损失部分能量，降低系统效率。 当一个组串中的某块 太阳电池组件 因为遮挡使输出电流减小时 ,整个组串的电流也会减少 ,从而 大大减小整个的效率。 为 减轻不匹配造成效率减小的问题 ，微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的应用 研究 4 逆变器生产企业于是将目光转向了新的逆变器，微逆变器就是其中的一种，在组件型结构中，每一个 太阳电池组件配一个逆变器，相互独立工作，由于输出交流电压相同，各微逆变器的的输出端并联后并网。 组件型拓扑结构有如下几个优点： 1、 解决了组件失配问题可以提高系统的效率； 2、 可以对每个太阳电池组件进行监控，方便用户使用和检修； 3、 由于不需要直流配
19、电和直流电缆，不用考虑组件之间串并联与逆变器搭配的问题使系统设计过程简化，从而降低系统成本。微逆变器固定在支架上，组件之间独立工作，使系统设计和安装更加简便，扩容更加容易； 4、 用交流低压进行电能传输，更加安全。 微逆变器与传统逆变器相比有了很大变化，使用微逆变 器的光伏发电系统中各组件完全独立，微逆变器的大量使用将促进太阳能光伏应用向小型化、模块化和标准化方向发展。 首先，扩大了太阳能光伏并网发电系统的容量范围。太阳电池组件的 峰值 功率约为 100Wp 250Wp，也就是说使用微逆变器，可以使太阳能光伏并发电系统的最小容量可以达到 100Wp。 其次，降低了太阳能光伏并网发电系统的安装要
20、求。有烟囱、树木或者其他物体遮挡阳光的地方，如果使用传统逆变器将会使发电效率大大降低，而且会因为热斑效应减短太阳电池组件的寿命，所以一般都不能安装太阳电池组件。当太阳能光伏发电系统与建筑 结合时往往对美观的要求比较高，同一个太阳能光伏方阵中可能有不同倾角甚至不同型号的组件，这时组件型拓扑结构更符合这些要求。 最后，微逆变器能与太阳电池组件结合，组成交流光伏组件，甚至与太阳电池组件和支架结合起来组成太阳电池模块等模块化的产品。这些模块化的产品可以进一步降低成本，易于安装和维护，没有相关专业知识的人都可以安装和使用，将会使太阳能光伏产品像家用电器一样在商店销售。 但是由于采用 220V 交流电传输
21、，输出相同功率时电流比较大，可能增加传输损耗或电缆成本。而且逆变器的输入电压和功率都较低，导致逆变器的效 率较低，成本也增加了不少。 微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的应用 研究 5 表 1-1 三种拓扑结构比较 结构 直流输入电压 直流 损耗 逆变器效率 运行数据监控 单元 交流 损耗 环境 要求 集中型 34 800V 多 97%以上 每个方阵 少 高 多组串型 150 800V 较少 95%左右 每个组串 少 中 组件型 17 90V 极少 92%左右 每个组件，但没有直流输入数据 多 低 未来光伏并网发电系统主要有以下三个发展方向： 1、大型并网发电系统； 2、中型商业楼或者厂房并网
22、光伏发电系统； 3、小型户用并网发电系统。从以上分析可以看出，集中型逆变器 技术成熟，单位成本较低， 由于使用的逆变器较少，也可减少故障 ，适用于大型光伏发电系统， ；组串型逆变器 采用多个 MPPT,解决了组串之间不匹配的问题从而提高系统发电效率，但成本较集中型逆变器高且 功率较小 适 用于中型光伏电站；组件型逆变器对环境要求较低 但价格相对较高，1.5kW 的集中型逆变器的价格为每瓦 3 元左右，功率越大单位价格越低，而微逆变器每瓦的价格为 5元左右， 它的价格是不会跟着安装容量的变化而改变的，所以不适用于大型电站，只 适用于小型光伏电站，以上只是大概的划分，逆变器的选择还要根据实际情况和
23、用户需求。 1.3 阴影遮挡对光伏发电系统的影响 为延长光伏发电系统的寿命 ,原则上要求在早上 9点到下午 15点光伏方阵不能有阴影遮挡，其实除了这段时间之外光伏发电系统的发电量也是不能忽视的，微逆变器在太阳能光伏并网发电系统中的应用 研究 6 而且有时为满足客户要求或 者达到一定的安装容量，不得不在有阴影遮挡的地方安装光伏发电系统，所以研究如何在有阴影遮挡的情况下提高光伏发电系统的发 电量仍然有实际应用价值。 在有地面阴影物体遮挡的条件下，国外在这方面已经做了很多相关研究，造成组件失配的原因主要有云层遮挡、表面污垢、地面物体遮挡和组件参数差异等。其中最引人关注的问题是在有地面物体遮挡时应用组
24、件型拓扑结构是否比其他结构更合适。 Graaf、 Weiden 和 Haan 等人的研究表明，阴影遮挡对组件型和组串型拓扑结构的影响较小。 Beuth 在 1998 年在一个实验中用组串型、集中型和组件型拓扑结构光伏系统做阴影条件下的性能比较实验，得出的结论是组件型拓扑结构并不具有优势，从安装成本和可靠性方面考虑，阴影条件下使用组串型和集中型逆变器更合适。但 Gross 等人在 1997 年的实验表明，使用组件型逆变器比使用集中型逆变器可减少阴影造成损失的 19.5% 25%。从他们的研究中我们找不到问题的答案，但有一点是肯定的，在阴影条件下，使用组件型逆变器可减少组件失配问题造成的损失，同时
25、在另一方面，在发生阴影遮挡时，光伏方阵的输出 I-V 曲线发生了变化（如下图所示），这时逆变器的最大功率跟踪质量对于效率影响 很大。而且由于每个组件都有旁路二极管，组件中部分电池片被遮挡时，旁路二极可能导通，导致组件的电压急骤下降，可能使电压降到逆变器的最大功率跟踪范围以下，这时逆变器的最大功率跟踪范围对于效率影响很大。 1-3 有部分阴影遮挡时的光伏组件输出曲线 1.4 微逆变器在 光伏建筑一体化系统 中的应用 光伏 建筑一体化 （ BIPV）系统 是 通过将光伏组件 代替传统建筑材料 ,来实现太阳能光伏发电与建筑的完美结合 。 目前比较常见的光伏建筑一体化形式有光伏153I-VSTC 153PwrSTCV o lt a g e V 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34Current A012345678Power W0510152025303540455055
