并网光伏发电系统：逆变器及相关保护设备调查
AI智能总结核心观点
本报告总结了近期对电网互联光伏系统用逆变器技术和逆变器保护设备进行的调查所获得的数据，旨在为有意安装电网互联光伏系统的用户、电力公司人员、制造商和研究人员提供参考。
关键数据和研究结论
- 逆变器技术概述：光伏系统并网通过逆变器实现，将光伏组件产生的直流电转换为用于普通电力设备的交流电。逆变器主要分为线路换相逆变器和自换相逆变器，其中自换相逆变器因可自由控制交流侧的电压和电流波形、调整功率因数并抑制谐波电流等优势，在光伏发电中应用更为广泛。自换相逆变器主要采用电压控制方案和电流控制方案，其中电流控制方案因其简单的控制电路即可获得高功率因数，并且在公用电力系统中出现电压变化等扰动时，能够实现瞬态电流抑制，因此应用更为普遍。
- 逆变器电路技术的调查结果：
- 逆变器类型：调查结果显示，自整流电压型逆变器在1千瓦或以下的逆变器中全部采用，最高可达100千瓦。
- 切换设备：62%的逆变器使用IGBT，其余38%使用MOSFET。IGBT的开关频率约为20 kHz，适用于功率超过100 kW的大型功率容量逆变器；MOSFET的开关频率可达800 kHz，但在高频时功率容量会降低。
- 运营条件：逆变器应能在配电网侧的正常电压和频率波动下无故障运行。调查结果显示，额定容量为1千瓦或以下的直流电压可操作范围包括14-25V、27-50V、45-100V、48-120V和55-110V；额定容量为1千瓦至10千瓦的直流电压可操作范围包括40-95V、72-145V、75-225V、100-350V、125-375V、139-400V、150-500V、250-600V和350-750V；额定容量为10千瓦或以上的直流电压可操作范围包括200-500V和450-800V。调查结果显示，平均而言，可以将额定输出功率约为逆变器额定输出功率1.3倍的光伏阵列加以应用。
- 逆变器谐波电流：调查结果显示，总谐波失真（THD）为3%至5%。
- 功率因数：调查结果显示，在额定输出下可获得接近100%的功率因数，即使输出功率降至10%时也能获得90%或以上的功率因数。
- 逆变器转换效率：调查结果显示，在广泛的输出功率范围内获得了高效率，即使输出功率为额定值的10%，也能获得90%的效率，最大效率可达94-96%。
- 交流与直流之间的隔离：调查结果显示，逆变器大部分采用高频交流电路和变压器进行隔离，也有部分采用无变压器系统。
- 逆变器功率控制方案：调查结果显示，逆变器大部分采用最大功率点跟踪控制，能够根据太阳辐射量持续获取最大输出。
- 运行环境：调查结果显示，室内安装规范占比约80%，室外安装规范要求具备防水防尘性能。
- 逆变器保护功能调查结果：
- 所需保护装置或功能：调查结果显示，光伏并网系统中逆变器具有执行输出控制以及在系统或电网侧发生任何异常时安全断开和停止逆变器的功能。保护功能包括直流侧保护、交流侧保护和其它。直流侧保护功能包括直流过功率保护、直流过电压保护、直流欠电压保护、直流过电流保护和直流接地故障检测。交流侧保护功能包括交流过电压、交流欠电压、交流过电流、频率升高、频率降低、交流接地检测，并进一步包括检测使用无变压器逆变器系统中直流叠加的保护功能。其它保护功能包括温升保护。
- 岛式运行现象的保护功能：调查结果显示，大多数逆变器具备电压和频率窗口检测功能，以限制孤岛运行发电范围。此外，许多逆变器除了具备电压和频率窗口检测功能外，还集成有孤岛运行检测功能，该功能被嵌入逆变器的控制电路中。
- 保护断开和重新启动程序：调查结果显示，当逆变器的保护功能与控制电路的保护功能相结合时，无需添加特殊的保护装置，只需通过更改控制电路的软件即可提供保护，这不会增加成本。调查结果显示，大多数逆变器集成在控制电路中。关于保护装置动作时的操作，逆变器电路的所有开关设备被关闭（通过门极封锁），并且断路器或继电器触点被断开。从故障恢复后的重启方法包括使用自动重启功能。
- 逆变器保护功能的设置位置：调查结果显示，大多数逆变器的保护功能集成在控制电路中。例外情况是需要添加一个探测器进行主动孤岛检测。
- 逆变器系统成本、尺寸和重量：
- 逆变器系统成本：调查结果显示，逆变器系统的成本整体上比以往的调查降低了更多，且在本次调查中，1千瓦的成本不超过800美元。同时表明，随着逆变器功率容量的增加，每千瓦的成本也在下降。
- 逆变器系统尺寸：调查结果显示，容量高达6 kW的逆变器系统的体积在10至30升之间。
- 逆变器系统重量：调查结果显示，无变压器逆变器或使用高频隔离变压器的逆变器，其重量约为每kW 5公斤。当使用商业频率隔离变压器时，每kW的重量会增加，尤其是在额定输出功率降低时。
未来展望
调查结果显示，光伏并网逆变器表现相当优异。它们具有高转换效率，在宽泛的运行范围内功率因数超过90%，同时保持电流谐波THD低于5%。光伏逆变器的成本、尺寸和重量近年来有所降低，这是由于逆变器电路设计技术的改进和进步，以及所需控制和保护功能集成到逆变器控制电路中。控制电路还提供足够的控制和保护功能，如最大功率跟踪、逆变器电流控制和功率因数控制。仍有部分领域尚待证明。可靠性、使用寿命和维护需求应通过光伏系统的长期运行得到认证。为推动光伏系统的普及，还需进一步降低成本、尺寸和重量。未来，若光伏系统得到广泛扩散，电磁兼容性（EMC）可能成为需要考虑的课题之一。
