第2章　光伏并网逆变技术

2.1　光伏并网逆变器概述

2.1.1　光伏发电系统构成

太阳能光伏发电系统一般由光伏电池方阵、汇流箱、直流配电柜、蓄电池组、电池充放电控制器、逆变器、交流配电柜、发电监控系统、太阳能跟踪系统、环境监测系统、防雷系统等设备组成。

逆变器是把直流电能转换为50Hz交流电能的变流装置，是光伏发电系统的核心设备之一。光伏电池板发出直流电一般需要通过逆变器转换为交流电，提供给交流负载或者并入交流电网。

根据功率输出目标的不同，逆变器可以分为离网型逆变器、并网型逆变器以及并离网型逆变器。离网型逆变器的交流输出不与电网连接，太阳能电池组件通过DC/DC直流变换器将发出的电能储存在蓄电池内，再通过离网逆变器将蓄电池内的直流电转换成幅值频率稳定的交流电给负载使用。如图2-1所示。

并网型逆变器是将太阳能电池板发出来的直流电直接逆变成高压电馈入电网，蓄电池储能不是必要的中间环节。如图2-2所示。

并离网型逆变器则是既能够并网运行，也能够离网运行的逆变器，它主要适用于微电网系统，特别是户用光伏微电网系统。当外部电网出现故障时，内外电网断开，并离网逆变器立即由并网运行状态切换为离网运行状态，保证内部电网的稳定供电。当外部电网恢复以后，内外电网重新连通，并离网逆变器同时切换为并网运行状态。

2.1.2　光伏并网逆变器分类

并网逆变器有多种实现方案，主要分为电压型和电流型两大类。电压型并网逆变器方案比较普遍，这主要是因为电压型逆变器中储能元件是电容，它与电流型逆变器中储能元件电感相比，储能效率和储能器件体积、价格等方面都具有明显的优势，全控型功率器件的驱动控制比较简便，控制性能相对较好。光伏并网逆变器可以按照拓扑结构、隔离方式、输出相数、功率等级、功率流向以及光伏组串方式等进行分类。

按照拓扑结构分类，目前采用的拓扑结构包括：全桥逆变拓扑、半桥逆变拓扑、多电平逆变拓扑、推挽逆变拓扑、正激逆变拓扑、反激逆变拓扑等。其中高压大功率光伏并网逆变器可采用多电平逆变拓扑，中等功率光伏并网逆变器多采用全桥、半桥逆变拓扑，小功率光伏并网逆变器采用正激、反激逆变拓扑。

按照隔离方式分类它包括隔离式和非隔离式两类，其中隔离式并网逆变器又分为工频变压器隔离方式和高频变压器隔离方式，光伏并网逆变器发展之初多采用工频变压器隔离的方式，但由于其体积、重量、成本方面的明显缺陷，近年来高频变压器隔离方式的并网逆变器发展较快。非隔离式并网逆变器以其高效率、控制简单等优势也逐渐获得了认可，目前已经在欧洲开始推广应用，但需要解决可靠性、共模电流等关键问题。

按照输出相数可以分为单相和三相并网逆变器两类，中小功率场合一般多采用单相方式，大功率场合多采用三相并网逆变器。按照功率等级进行分类，可分为功率小于1kVA的小功率并网逆变器，功率等级1～50kVA的中等功率并网逆变器和50kVA以上的大功率并网逆变器。从光伏并网逆变器发展至今，发展最为成熟的属于中等功率的并网逆变器，目前已经实现商业化批量生产，技术趋于成熟。光伏并网逆变器未来的发展将是小功率微逆变器即光伏模块集成逆变器和大功率并网逆变器两个方向并行。微逆变器在光伏建筑集成发电系统、城市居民发电系统、中小规模光伏电站中有其独特的优势，大功率光伏并网逆变器在大规模光伏电站，如沙漠光伏电站等系统具有明显优势。

按照功率流向进行分类，它分为单方向功率流并网逆变器和双方向功率流并网逆变器两类。单向功率流并网逆变器仅用作并网发电，双向功率流并网逆变器除可用作并网发电外，还能用作整流器，改善电网电压质量和负载功率因数，近几年双向功率流并网逆变器开始获得关注，它是未来的发展方向之一。未来的光伏并网逆变器将集并网发电、无功补偿、有源滤波等功能于一身，在白天有阳光时实现并网发电，夜晚用电时实现无功补偿、有源滤波等功能。

光伏并网逆变器按照光伏板组合方式的不同可以分为组串式逆变器、集中式逆变器和微型逆变器，这是应用领域中最为常用的分类方式。

2.1.2.1　组串逆变器

组串逆变器正在成为国际市场上最流行的逆变器。它是基于模块化概念的设计，多片光伏电池板根据逆变器额定输入电压要求串联成一个组串，通过一台逆变器并联入电网，逆变器在直流端进行最大功率峰值跟踪。也有允许多个组串接入并进行多路MPPT跟踪控制的组串式逆变器，其功率容量约为1～50kW，它们通常是用于光伏建筑BIPV（Building Integrated Photovoltaic）、BAPV（Building Attached Photovoltaic）或者屋顶电站（Roof Plant）等光伏系统中，因而也称作户用型或商用型光伏逆变器。

组串式逆变器特别适合应用于分布式发电系统中，以常见的多晶硅电池板250W为例，单组串可以从3块电池板到23块电池板，组合起来非常灵活，对于不规则的建筑屋顶也能有比较优化的方案。组串式光伏逆变器的优点在于每个组串都有独立的MPPT，相互之间没有影响，这避免了组串之间的不平衡，或者阴影遮挡对系统的影响。组串式逆变器另外的一个优点就是直流输入范围比较宽，这样能够延长发电时间增加发电量。最近两年用组串式逆变器设计兆瓦级的光伏电站的案例也在逐渐增多，组串式逆变器在大的发电站上应用也是具有一定优势的。

根据并入电网的情况，组串式逆变器又可以分为组串式单相逆变器和组串式三相逆变器。一般组串式逆变器都是直接并入工业或者民用电网的。单相逆变器主要应用于单相电入户的民用屋顶和商业屋顶，单机功率一般在1～5kW。三相逆变器主要应用于商业和工业屋顶，单机功率一般在6～30kW。

2.1.2.2　集中式逆变器

集中式逆变器一般用于日照均匀的大型厂房、荒漠电站、地面电站等大型发电系统中，系统总功率大，一般是100kW～1MW以上。多路光伏组串并行连接到汇流箱，然后接入一台集中式逆变器的直流输入端并网发电，它具有如下的优点：

①逆变器集成度高，功率密度大，成本低；

②逆变器元器件数量少，可靠性高；

③逆变器数量少，便于管理；

④谐波含量少，直流分量少，电能质量高；

⑤逆变器各种保护功能齐全，电站安全性高；

⑥有功率因数调节功能和低电压穿越功能，电网调节性好。

但由于并联的组串较多，光伏组件特性匹配有差别或部分遮影的影响，导致各组串最大功率点跟踪（MPPT）特性不一致，因此光伏系统的效率低。它需要专用机房和空调设施，自身功耗较大，维护工作量大。同时，某一光伏单元组工作状态不良会导致整个光伏系统的发电可靠性受到影响。单台逆变器功率较大，一旦出现故障，没有冗余措施，对电网影响较大。出于可靠性和效率优化等方面的考虑，一些大型光伏电厂也在使用组串式逆变器。其优点是不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳点与逆变器不匹配的情况，从而增加了发电量。技术上的优势不仅降低了系统成本，也增加了系统的可靠性。同时，在组串间引入“主-从”的概念，使得系统在单个组串电能不能使单个逆变器工作的情况下，将几组光伏组串联系在一起，让其中一个或几个工作，从而产出更多的电能。

2.1.2.3　微型并网逆变器

微型并网逆变器是将单块光伏电池板的直流电直接升压、逆变及并入电网的变流装置，一般功率容量小于1000W，因此称为微型逆变器。它具有组件级最大功率点跟踪能力，可以集成在光伏电池板组件上，作为单块光伏板与电网之间的适配器，这使得光伏发电系统可以即插即用，甚至不需要专业技术人员来进行运行维护。在规模并网应用时需要通过通信功能，协调控制各个模块，监视各个模块的状态，并检测出故障模块。微型逆变器有上述优点，但其单位功率成本较高，不适合大规模光伏电场的使用。

三种并网逆变器具有各自的优点和缺点，均有各自适合的应用场合，需要根据实际应用场合进行选择，也可以组合应用优化效率。