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光伏并网系统的体系结构

橘子汽水
2024-06-07 / 0 评论 / 0 点赞 / 19 阅读 / 8418 字

光伏系统与电力系统的关系,一般可分为离网光伏系统和并网光伏系统。离网光伏系统不与电力系统的电网相连,作为一种移动式电源,主要用于边远无电地区供电。并网光伏系统与电力系统的电网连接,作为电力系统的一部分,可为电力系统提供有功和无功点电能。现在光伏发电系统的主流应用方式是并网光伏发电,即光伏系统通过并网逆变器与当地电网连接,通过电网将光伏系统所发的电能进行再分配。光伏并网系统的构成:光伏阵列、逆变器和电网。

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光伏系统结构图

光伏阵列主要有光伏组件组成,其应用可以分为单个组件、组件串联及组件并联等。系统结构、光伏阵列的分布方式,对发电功率有重要影响。逆变器的结构会影响功率等级。并网光伏系统结构分为6种:集中式、交流模块式、串型、多支路、主从和直流模块式。

1 集中式结构

集中式结构就是将所有的光伏组件通过串并联构成光伏阵列,并产生一个足够高的直流电压,然后通过一个并网逆变器集中将直流转换为交流并把能量输入电网。一般用于10KW以上叫大功率光伏并网系统,其主要有点是只采用一台并网逆变器,因而结构简单且逆变器效率高。但是屋顶光伏设备的铺开,发现集中式结构存在以下缺点:

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集中式结构

  • 阻塞和旁路二极管使得系统的损耗增加;

  • 抗热板和抗阴影能力差,系统功率失配现象严重;

  • 光伏阵列的特性曲线出现负载多波峰,单一的集中式结构难以实现良好的最大功率点跟踪(MPPT);

  • 该结构需要相对较高电压的直流母线将并网逆变器与光伏阵列相连接,不仅降低了安全性,同时也增加了系统成本;

  • 系统扩展和冗余能力差。

虽然存在以上缺点,但随着光伏电站功率越来越大,集中式结构由于其输出功率可以到达兆瓦级,单位发电成本低,适合用于光伏电站等功率等级较大的场合。

2 交流模块式结构

交流模块式结构(Module Integrated Converter,MIC)是将并网逆变器和光伏组件集成在一起作为一个光伏发电系统模块,与集中式结构相比,有以下优缺点:

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交流模块式结构

优点:

  • 无阻塞和旁路二极管,光伏组件损耗低;

  • 无热斑和阴影问题;

  • 每个模块独立MPPT设计,最大程度地提高了系统发电效率;

  • 每个模块独立运行,系统扩展和冗余能力强;

  • 给系统的扩展提供了很大的灵活性和即插即用性;

  • 交流模块结构没有直流母线高压,增加了整个系统工作的安全性。

缺点:由于采用小容量逆变器设计,因而逆变效率相对较低。在同等功率水平下,交流模块式结构的价格远高于其他结构类型。另外,某些国家要求逆变器必须与电网隔离,将进一步增加成本。

下图为高频、低频、无变压器结构的交流模块式结构的电路拓扑。

image-20240226160059857.pngimage-20240226160144203.png

3 串型结构

串型结构:光伏组件通过串联构成光伏阵列给光伏并网发电系统提供能量的结构。它综合了集中式和交流模块式两种结构的优点,一般串联光伏阵列输出电压在150V~450V,甚至更高,功率等级可以达到几千瓦左右。

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串型结构

与集中型结构相比,串型结构具有以下优点:

  • 串型结构中由于阵列中省去了阻塞二极管,阵列损耗下降;

  • 抗热板和抗阴影能力增加,多串MPPT设计,运行效率高;

  • 系统扩展和冗余能力增强;

主要不足:系统仍有热斑和阴影问题,另外,逆变器数量增加,扩展成本增加且逆变效率相对有所降低,但你变效率仍高于交流模块式结构的逆变效率。

在串型结构中,光伏组件串联构成的光伏阵列与并网逆变器直接相连,和集中式相比不需要直流母线。由于受光伏组件绝缘电压和功率器件工作电压的限制,一个串型结构的最大输出功率一般为几千瓦。如果需要较大功率,则需要将多个串型结构并联工作,所以串型结构具有交流模块式结构的特征。串型结构仍然存在串联功率失配和串联多波峰问题,由于每个串联阵列配备一个MPPT控制电路,该结构只能保证每个光伏组件串的输出功率达到当前总的最大功率点,而不能保证每个光伏组件在各自的最大功率点,与集中式结构相比,光伏组件的利用率大大提高,但仍低于交流模块式结构。

4 多支路结构

多支路结构式由多个DC/DC变换器和一个DC/AC逆变器构成,其综合;额串型结构和集中式结构的优点,主要形式分为两种:并联行多支路结构和串联型多支路结构。该结构提高了光伏并网发电系统的效率,降低了单位功率的成本,提高了系统的灵活性,已成为光伏并网系统结构的主要发展趋势。

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优点:

  • 每个DC/DC变换器及连接的光伏阵列拥有独立的MPPT电路,类似于串型结构,所有的光伏阵列可独立工作在最大功率点,最大限度的发挥了光伏组件的效能;

  • 集中地并网逆变器设计使逆变效率提高、系统成本降低、可靠性增强;

  • 多支路系统中某个DC/DC变换器出现故障,系统仍然能够维持工作,并能够通过增加与逆变器连接的DC/DC变换器的数目实现系统功率的扩展,具有良好的开可扩充性;

  • 多支路系统能很好地协调各个支路,逆变器的额定功率不再像单支路并网逆变器被限定在较小的定额,逆变器额定功率不再受限;

  • 适合不同型号、大小、方位、受光面等特点的支路的并联,适合与光伏建筑一体化形式的分布能源系统应用。

实际应用中,并联多支路结构较为常用,如下为基于半桥逆变器的并联多支路结构的电路拓扑。

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基于半桥逆变器的并联多支路结构的电路拓扑

5 主从结构

主从结构是一种新型的光伏并网发电系统体系结构,也是光伏并网系统结构发展的趋势。它通过控制组协同开关,来动态地决定在不同的外部环境下光伏并网系统的结构,以达到最佳的光伏能量利用效率。

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主从结构

当外部光照强度较低时,控制组协同开关是所用的光伏组件或光伏串只和一个并网逆变器相连,构成为集中式结构,从而克服逆变器轻载低效的不足。随着光照强度的不断增大,组协同开关将动态调整光伏组件的串结构,使不同规模的光伏串和相应等级的逆变器相连,从而达到最佳的逆变效率以提高光伏能量的利用率,此时,系统结构变成了多个串型结构同时并网输出。由于这样的串型结构其功率等级是经由协同开关动态调整的,并且每个串都具有独立的MPPT电路,因此可以得到更高效率的功率输出。

6 直流模块式结构

直流模块式结构由光伏直流建筑模块和集中逆变器模块构成。光伏直流建筑模块是将光伏组件、高增益DC/DC变换器和表面建筑材料通过合理的设计集成为一体,构成具有光伏发电功能的、独立的、即插即用的表面建筑元件。集中逆变器的主要功能是将大量并联在公共直流母线上的光伏直流建筑模块发出的直流电能逆变为交流电能且实现并网功能,同时控制直流母线电压恒定,保证各个光伏直流建筑模块正常并联运行。

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直流模式结构

主要特点:

  • 每个光伏直流建筑模块具有独立的MPPT电路能保证每个光伏组件均运行在最大功率点,最大限度地发挥了光伏组件的效能,且能量转化效率高;

  • 具有很高的抗局部阴影和组件电气参数失配能力,适合在具有不同大小、安装方向和角度特点的建筑物中引用;

  • 采用模块化设计,系统构造灵活,给系统的扩充提供了很大的灵活性和即插即用性;

  • 易于标准化,适合批量生产,降低系统成本。

从集中式结构至今发展出了上述等结构,各种结构的使用方式不同,发展趋势也各异。在大功率等级方面,集中式结构仍然占主导地位,主从结构以及多支路结构也将会被采用。在小功率方面,随着户用绿电的发展,交流模块式和直流模块式结构均有很好地发展,串型以及多支路结构也会应用到其中。

参考文献

[1]太阳能光伏并网发电及其逆变控制 张兴

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