无变压器光伏逆变器的优点、选择要素及其光伏系统设计要点一览

作者: | 发布日期: 2017 年 10 月 26 日 12:02 | 分类: 产业资讯

本文简述了传统光伏发电系统逆变器缺点及无变压器光伏逆变器的优点,探讨了在选择并网光伏发电系统无变压器逆变器时应该考虑的无变压器光伏逆变器在正常运行状态下的漏电电流、太阳能电池组件中的故障电流、进入交流电网的直流分量等要素。

光伏发电系统逆变器

传统光伏逆变器的每一个都必须与一个单独的或定制的隔离变压器相匹配,不论变压器与逆变器是否集成,情况都是如此。因为隔离变压器的效率通常只有98%~99%,它们最多可以让效能下降2%。

由于体积庞大而且沉重,传统逆变器会限制光伏逆变器系统的设计。采用2个500kW逆变器的系统设计需要在地面上安装逆变器,因为这种逆变器的尺寸和重量较大。即使隔离变压器可以与逆变器相互分离,由于较低的电压与较高的电流这种安装所导致昂贵的导线成本,每一个逆变器所需要较低的输出电压和多绕组也会限制相互分离的距离。

整合逆变器时的稳定性问题也是需要关注的,传统逆变器设计通常采用无阻尼大三角形滤波器,当很多设备并行放置或逆变器需要长传输线时,滤波器可能会导致系统运行的不稳定。而且,如果逆变器被并行放置在同一个柜子里,每一个500kW逆变器由4个较小的125kW单元驱动,那么这种系统就容易受到电气干扰,而且会为整个光伏系统带来多个故障点。
相比之下,真正的无变压器逆变器直接固定在建筑物的入口处,甚至是固定在一个尺寸足够大的配电安装板上。由于没有隔离变压器,从光伏模块电源获得的额外的1%~2%能源效率直接进入负载,在功率为500kW的时,这意味着多提供了5kW的输出。此外,直接转变成可用的电压,而不是较低的单极逆变器交流电压,而交流电电流降低一半以上,从而降低了交流电一端的电线成本。

如果没有一个变压器,逆变器的尺寸更小,重量更轻,为电力集成商在安装和整体系统设计方面提供了更大的自由度。由于重量的限制和必须的加固措施,若在五层楼的建筑物屋顶安装一个传统的逆变器的成本会很高,但若采用无变压器逆变器安装在商业建筑的屋顶上(而不是安装在地下室),使其直接与五楼的安装板连接。这样的设计不仅可以简化直流电布线,而且还能缩短交流电电线的长度并降低相关成本。

多个逆变器可以在不用变压器的情况下并联,而电源则可以直接使用,以便实现稳定的表现。无变压器逆变器技术采用电源优化器(LineReactor)和较小的三角形滤波电容。这些较小的三角形滤波电容器也通过一种串联电阻器进行缓冲,从而提高控制系统的稳定性,并且减少并联逆变器之间的相互作用。带有一种单一引擎设计的500kW逆变器也能减少零部件数量,从而提高整个系统的可靠性。

无变压器光伏逆变器优点

先进的无变压器光伏逆变器技术,以便降低系统的复杂性并最大限度地提高电力传输。确实有必要仔细看看无变压器光伏逆变器技术是如何通过影响系统设计、效率和系统平衡(BoS)成本来帮助改变竞争格局的。

采用可分离的两极+600和-600VDC电池组数组实现直接转换这项新技术,无需在低压三相电网上配备变压器。这种配置不仅提高了发电效率,而且不需要传统上所要求使用的逆变器变压器,降低了相关的系统平衡(BoS)成本,还避免了与单极配置有关的不必要的线路衰减。

采用了无变压器光伏逆变器技术的太阳能光伏系统在发电时,光伏模块和负载之间不需要任何变压器。可将电力从逆变器直接转换并传输到所附负载中。这要归功于采用双极±600VDC数组配置。无变压器光伏逆变器具有以下优点:

1)更高的效率,由于没有隔离变压器,从光伏模块电源获得的额外的1%到2%能源效率直接进入负载,在功率为500千瓦的时候,这意味着最低免费额外提供了5千瓦的输出。

2)缩小设备和导线规模及数量,直接转变成可用的电压,而不是较低的单极逆变器交流电压,而交流电电流降低一半以上,从而降低了交流电一端的电线成本。

3)降低材料和安装施工成本,没有一个变压器,逆变器的尺寸更小,重量更轻。无变压器光伏逆变器可安装在商业建筑的屋顶上(而不是安装在地下室),使其直接与五楼的安装板连接。这样的设计不仅可以免除昂贵的高达五层楼的直流电布线,而且还能缩短交流电电线的长度并降低相关成本。

4)无变压器光伏逆变器技术采用大得多的电源优化器(LineReactor)和较小的三角形滤波电容。这些较小的三角形滤波电容器也通过一种串联电阻器进行缓冲,从而提高控制系统的稳定性,并且减少并联逆变器之间的相互作用。带有一种单一引擎设计的500千瓦逆变器也能减少零部件数量,从而提高整个系统的可靠性。

传统逆变器还通过公用线路自干扰(如各种VAR发电)来检测孤岛情况。当与许多逆变器并联时,这种干扰就会在所有逆变器之间产生VAR拍差频率,所产生的假脱扣将使电场关闭。多个传统逆变器及它们的大型三角电容器也会产生不稳定性并吸收大量谐波电流。

这些问题都可以通过无变压器光伏逆变器技术来避免。无变压器光伏逆变器可以被并联到一个中压变压器的单独绕组上。每组逆变器仅需要一个独立、标准的1000、1500、2000或2500kVAR规格的中压变压器。这就为站点配置提供了众多可能性。由于其电流低于传统逆变器的电流,因此安置逆变器和变压器的方式还有更多灵活选择。

无变压器逆变器的尺寸约为传统逆变器的一半,可直接转换成更高的电压,这就减少了所需占地面积、运输和起重设备成本(加上递增的设备垫板或公用机箱建造成本)以及连接绕组的大小和数量。此外,一个连接到无变压器光伏逆变器的标准配电板可以在无需单独变压器的情况下向追踪器供电。由于变压器减少,系统中的电抗组件随之减少,从而实现最稳定的运行状态。此外,每个逆变器均通过以太网进行自动和独立寻址,从而消除了一切干扰问题。

此外,完全被动的反孤岛技术(anti-islandingtechnique)不会干扰带VAR偏差的公用电压,也不会在路线上设置其它瞬态,因此能够实现高效、顺畅、稳定的电源,这一起都为了相对削减安装成本。

无变压器光伏逆变器选择要素

无变压器型逆变器相对体积较小、重量较轻、价格也比较便宜,在很多方面都比变压器型逆变器更具优势。虽然光伏发电系统的运行和安全性都不需要采用电气隔离措施,在选择并网光伏发电系统中的无变压器逆变器时应该考虑的无变压器光伏逆变器在正常运行状态下的漏电电流、太阳能电池组件中的故障电流、进入交流电网的直流分量等要素。

■1)正常运行状态下的漏电电流

将来自太阳能电池组件的电压采用高频率(20kHz)转换过程中,高频电压应等同于电网电压峰值;这些电压在逆变器内部被认为是干扰,滤波器可以阻断这些干扰,防止其进入电网。但在理论上,阻止来自发电侧的直流分量进入交流电网是不可能绝对实现的。这样,根据所采用逆变器结构的不同,在交流输出中也将存在不同的对地直流电压分量。如果太阳能电池组件或其接线端对地存在交流电压,将产生“漏电电流”,通过寄生电容流向太阳能电池组件接地点。

SunnyBoy2100TL和SunnyBoy5000TLHC两种逆变器的运行会在其电子部分产生与时间相关的电势,它们的太阳能电池组件对地电压也不相同。SunnyBoy2100TL采用H型桥结构,加在太阳能电池组件上的电压为电网电压有效值的一半。

多组串逆变器SB5000TLHC则采用电容半桥结构,桥的中线直接连接在电网的中线上。这样的结果是产生的对地电压只是50Hz的低电压值,其分量只是电网电压很小的一部分,只相当于变压器拓扑结构中的电压纹波量。

除了电网电压提升方面的考虑,漏电电流的大小还取决于太阳能电池组件寄生电容的大小,该电容值大小与太阳能电池面积及组件与边框之间的距离相关。因此,关于漏电电流情况,应该在设计系统时就仔细考虑逆变器的结构和太阳能电池组件尺寸。太阳能电池面积越大、太阳能电池与太阳能电池组件边框之间的距离越小,产生的漏电电流就越大。无边框结构太阳能电池组件的漏电流值很低。然而,安装在不锈钢箔上的非晶太阳能电池会产生很大的漏电电流。

外部条件也会对漏电电流产生影响,因此不可避免会产生一定的波动。如果沉淀物或清洁液弄湿了太阳能电池组件,漏电电流就会增加;这些液体中的电子物质成分缩短电池与电池间的距离,造成漏电电流升高。

总之,太阳能电池组件在运行时的漏电电流(正常情况下)取决于很多运行条件,没有定值来衡量。以H型桥逆变器(如SunnyBoy2100TL)为例,在运行过程中太阳能电池组件的漏电电流值在1~30mA/kWp范围内。

■2)太阳能电池组件中的故障电流

在并网应用的光伏发电系统中,只能使用太阳能电池与边框有可靠绝缘的太阳能电池组件。太阳能组件要具有双倍或超强的绝缘措施,并且要充分考虑太阳能电池组件的系统耐压性,以保证即使在光伏系统运行状态下也可以触摸组件表面,不会造成危险。目前,所有的太阳能电池组件可以达到Ⅱ级防护,在选择时并没有太严格的限制。
如上所述,对于无变压器型逆变器,在运行时太阳能电池组件上的电压可以是叠加了交流电网的同步电压值。当触摸组件表面时,可能会产生对地的故障电流。如果组件的绝缘足够好,一般来说很难有这样的电流产生。但是,故障电流放电的强度会随一些条件的变化而增加,如太阳能电池距离缩短(这种情况下透明玻璃或塑料板厚度减少)、接触面积增加等。比如:由于清洁太阳能电池组件的液体中含有导电物质,会造成导电面积扩大,从而导致意外的故障电流。在这种情况下虽然无法对危险电流预先检测,但如果发生意外会造成一定的危险。为了避免由此产生的安全隐患,也为了避免危险,在设计光伏并网发电系统时,用户应该遵循以下步骤:

1)将太阳能电池组件的边框以及其他导电气部分与接地线连接。

2)在对系统进行维护或对太阳能电池组件进行清理时,必须断开逆变器与电网的连接。

在该类型逆变器中,要对太阳能组件可能产生的DC或AC漏电电流进行持续监测,一旦产生故障电流(大于30mA),逆变器立即断开与电网的连接。然而,现实应用中对故障电流的监测比简单监测漏电电流大小更为复杂。漏电电流在系统运行状态下是随时变化的,在并网之前无从得知当前的数值。因此,在每次逆变器接入电网前,会检测太阳能电池组件的绝缘电阻。只有当绝缘电阻超过要求的电阻值(大于1MΩ)时,才能证明没有故障电流注入电网,这时可以连接电网。因此,识别故障电流不仅通过监测漏电电流的增加,还要通过测量电流的变化率来获知。所有故障电流监控装置都必须具有漏电电流检测功能(双重的),各监测系统必须能够独立识别故障电流。这样,人身安全就会得到更多的保障。RCD保护在调试之后很少或者根本不需要再进行人工测试,但上述保护措施远比一般的RCD保护更有效。

■3)进入交流电网的直流分量

直接与电网并接,通常会导致直流电直接进入交流电网。该直流电成分会影响电网上的设备(局域电网变压器)的正常运行和RCD的工作特性,同时会使与电网并接的用电器中的变压器发生内耗,产生磁饱和,而这并不是用电器所要求的使用环境。虽然这种情况不一定会损坏设备,但可以引发电网中防止直流成分的保护设备动作。所以,理论上并网型逆变器都设置有防止直流电进入电网的预防措施(通过50Hz变压器或电容器进入电网)。

还有一点非常重要,即逆变器向电网送入直流电的能力不仅取决于是否存在隔离变压器,而与电容器相结合,变压器只是可以在电气隔离的情况下传输功率。事实上,关心的是电路中的电气部件向电网输入直流电流的能力。对于直接与电网连接的高频变压器型逆变器,普通的逆变桥无论是否有变压器,都能够向电网输送直流电流。

对于SMA逆变器,电容是桥的一部分。变压器型逆变器的变压器设置在桥的电网侧,从而只能向电网提供交流电流(如SunnyBoy5000TLHC和所有变压器型逆变器)。

即使逆变桥发生故障,也不可能向电网继续送入直流电流。原因是逆变器中串连的两个双极继电器会在这种情况下切断与电网的连接,该方案应用于所有SMA无变压器型逆变器。假设继电器失效,桥的短路会造成过流发生,逆变器中的过载保护(过载开关)仍会启动,并切断与电网的连接。

采用无变压器型逆变器的光伏发电系统设计要点

采用无隔离变压器型逆变器的光伏发电系统,具有发电量高的优点。就安全而言,完全可以与采用物理电气隔离装置的发电站相媲美。由于内部采用了完善的人员保护装置,该装置的驱动由来自具有自动监测漏电电流功能的系统完成,保护能力更加理想。

为了使无变压器主电路形式安全运行,必须采取一定的技术措施:

首先要使太阳能电池对地电压保持稳定;

其次,为了防止太阳能电池接地造成主电路损坏,应检测太阳能电池正极和负极的接地电流(通过零相互感器),如果不平衡电流超过规定值,说明太阳能电池有可能接地,接地保护立即动作,切断主电路输出,停止工作。

由于无变压器主电路形式没有变压器对输入与输出隔离,因此逆变器输入端的太阳能电池的正负极不能直接接地,输出的单相三线制中性点接地,因太阳能电池面积大,对地有等效电容存在(正极等效电容和负极等效电容)。该等效电电容将在工作中出现充放电电流,其低频部分有可能使供电电路中的漏电开关误动作而造成停电,其高频部分将通过配线对其它用电设备造成电磁干扰,而影响其它用电设备正常工作。对这种对地等效电容电流必须在主电路加电感L1与电容C1组成的滤波器进行抑制,特别是抑制高频部分。而工频部分,可以通过控制逆变器开关方式来消除。当然在太阳能电池与主电路之间,还应当设置共模滤波器,防止对太阳能电池的电磁干扰。

在设计光伏发电系统时,要充分考虑如下几点:

1)选用绝缘好的太阳能电池组件和电缆(Ⅱ级保护)。

2)将太阳能电池组件和太阳能电池组件边框与接地端连接。

3)选用具有完善故障电流检测、监控无变压器型逆变器。

4)注意电容与电网连接时,需监测送入电网的直流分量。

5)当需要在电源接点进行故障电流检测时,应注意太阳能电池组件运行时的漏电电流(如设置漏电电流监测值为100mA或更高)。

6)在对光伏发电系统进行维修时,要断开逆变器。

来源:索比光伏网

announcements 在线投稿    
Share
【免责声明】
  • 1、EnergyTrend-集邦新能源网」包含的内容和信息是根据公开资料分析和演释,该公开资料,属可靠之来源搜集,但这些分析和信息并未经独立核实。本网站有权但无此义务,改善或更正在本网站的任何部分之错误或疏失。
  • 2、任何在「EnergyTrend-集邦新能源网」上出现的信息(包括但不限于公司资料、资讯、研究报告、产品价格等),力求但不保证数据的准确性,均只作为参考,您须对您自主决定的行为负责。如有错漏,请以各公司官方网站公布为准。
  • 3、「EnergyTrend-集邦新能源网」信息服务基于"现况"及"现有"提供,网站的信息和内容如有更改恕不另行通知。
  • 4、「EnergyTrend-集邦新能源网」尊重并保护所有使用用户的个人隐私权,您注册的用户名、电子邮件地址等个人资料,非经您亲自许可或根据相关法律、法规的强制性规定,不会主动地泄露给第三方。
【版权声明】
  • 「EnergyTrend-集邦新能源网」所刊原创内容之著作权属于「EnergyTrend-集邦新能源网」网站所有,未经本站之同意或授权,任何人不得以任何形式重制、转载、散布、引用、变更、播送或出版该内容之全部或局部,亦不得有其他任何违反本站著作权之行为。