淺析光伏逆變器的技術(shù)發(fā)展路線

本文簡要分析了光伏逆變器的技術(shù)發(fā)展路線，重點(diǎn)分析了未來逆變器技術(shù)發(fā)展的和方向，給出了微電網(wǎng)逆變器的技術(shù)特點(diǎn)和典型應(yīng)用案例。

在光伏產(chǎn)業(yè)興起之前，逆變器或者逆變技術(shù)主要被應(yīng)用到了如軌道交通，電源等行業(yè)。當(dāng)光伏產(chǎn)業(yè)興起之后，光伏逆變器變成了新能源發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，隨之被大家所熟悉。尤其在歐美發(fā)達(dá)國家，由于節(jié)能環(huán)保觀念深入人心，光伏市場開展的較早，特別是家用光伏系統(tǒng)發(fā)展迅速，在很多的國家，家用型逆變器已經(jīng)被當(dāng)做家用電器在使用，普及率較高。

光伏逆變器把光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電后饋入電網(wǎng)，逆變器的性能和可靠性決定著發(fā)電的電能質(zhì)量和發(fā)電效益，因此光伏逆變器在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)里處于一個核心地位。

一般而言，從逆變器和電網(wǎng)的關(guān)系來進(jìn)行分類，光伏逆變器會分為以下幾個主要的類別

l 并網(wǎng)(Grid-connected)逆變器

l 離網(wǎng)(Solo)逆變器

l 雙向(Bi-direction)逆變器

l 微網(wǎng)(Smart grid)逆變器

其中，并網(wǎng)逆變器在所有類別中占據(jù)了主要的市場份額，也是所有逆變器技術(shù)發(fā)展的一個開始。相對于其它幾類逆變器，并網(wǎng)逆變器從技術(shù)上相對簡單，重點(diǎn)關(guān)注光伏輸入和電網(wǎng)輸出，能夠安全、可靠、高效、高質(zhì)量的輸出電能成為了這類逆變器重點(diǎn)衡量的技術(shù)指標(biāo)。在不同國家制定的光伏逆變器并網(wǎng)技術(shù)條件中，以上幾點(diǎn)成為了標(biāo)準(zhǔn)的共性衡量點(diǎn)，當(dāng)然細(xì)節(jié)的參數(shù)有所不同。針對并網(wǎng)型逆變器，所有的技術(shù)要求都是圍繞著滿足電網(wǎng)對分布式發(fā)電系統(tǒng)的要求展開的，更多的要求來自于電網(wǎng)對逆變器的要求，即自上而下的要求，如電壓，頻率規(guī)格，電能質(zhì)量要求，發(fā)生安全，故障時候的控制要求。以及如何并網(wǎng)，并入什么電壓等級的電網(wǎng)等等要求，因此并網(wǎng)型逆變器總歸是要滿足電網(wǎng)的要求即可，它沒有來自于發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的要求。而且從技術(shù)上而言，非常重要的一點(diǎn)是并網(wǎng)型逆變器是“并網(wǎng)發(fā)電”，即符合并網(wǎng)條件即發(fā)電，它不承擔(dān)電網(wǎng)本身的穩(wěn)定性，安全性等問題，也不涉及到光伏系統(tǒng)內(nèi)的能源管理問題，因此它是簡單的。就像它產(chǎn)生的電的商業(yè)模式一樣來的簡單。據(jù)國外的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前已經(jīng)建設(shè)并運(yùn)行的光伏系統(tǒng)中，大約有超過90%都是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，都采用的是并網(wǎng)逆變器，為了清晰的說明以上觀點(diǎn)，請參考下面的并網(wǎng)型光伏電站系統(tǒng)圖。

圖1 并網(wǎng)型光伏電站系統(tǒng)圖

和并網(wǎng)逆變器相互對立的一類逆變器就是離網(wǎng)逆變器。離網(wǎng)型逆變器指的是逆變器輸出不和電網(wǎng)相聯(lián)，而是和負(fù)載相聯(lián)，直接帶動負(fù)載供電。離網(wǎng)逆變器應(yīng)用是較少的，主要在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，不具備并網(wǎng)條件，并網(wǎng)條件差，或者有自發(fā)電，自用電需求的場合下，離網(wǎng)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是“自發(fā)自用”。離網(wǎng)逆變器由于應(yīng)用少，因此在技術(shù)上研究、發(fā)展的都很少。在國際上關(guān)于離網(wǎng)逆變器的技術(shù)條件，標(biāo)準(zhǔn)也很少，這就導(dǎo)致了該類逆變器研究，開發(fā)的越來越少，呈現(xiàn)萎縮的態(tài)勢。但離網(wǎng)逆變器所具有的功能，涉及到的技術(shù)卻并不簡單，特別是和儲能電池的配合，整個系統(tǒng)的控制和管理都比并網(wǎng)型逆變器要復(fù)雜。應(yīng)該說，由離網(wǎng)逆變器，光伏板，蓄電池，負(fù)載等其它設(shè)備組成的系統(tǒng)已經(jīng)是一個簡單的微電網(wǎng)系統(tǒng)，唯一一點(diǎn)是該系統(tǒng)不和電網(wǎng)相聯(lián)，是一個“孤島系統(tǒng)”。

事實(shí)上，離網(wǎng)逆變器是雙向逆變器發(fā)展的一個基礎(chǔ)，雙向逆變器實(shí)際上是綜合了并網(wǎng)逆變器和離網(wǎng)逆變器的技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)用在局部供電網(wǎng)絡(luò)或者發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)并聯(lián)使用的場合。這類應(yīng)用雖然目前不多，但因?yàn)樵擃愊到y(tǒng)是微電網(wǎng)發(fā)展的雛形，符合未來分布式發(fā)電的基礎(chǔ)架構(gòu)和商業(yè)運(yùn)行模式，因此在技術(shù)上屬于承前啟后的一個角色，即在當(dāng)前并網(wǎng)型應(yīng)用和未來局部微電網(wǎng)應(yīng)用之間的橋梁作用。事實(shí)上，目前在一些光伏發(fā)展較快，較為成熟的國家和市場，以家庭、小型區(qū)域?yàn)閱挝坏奈㈦娋W(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)在開始慢慢發(fā)展了。同時，當(dāng)?shù)卣膭钜约彝閱卧l(fā)展局部發(fā)電、儲電、用電的網(wǎng)絡(luò)，以新能源發(fā)電自用優(yōu)先，不足部分取自電網(wǎng)。因此雙向逆變器需要考慮更多的控制功能和能源管理功能，如蓄電池充放電控制，并網(wǎng)/離網(wǎng)運(yùn)行策略，負(fù)載可靠供電策略等?？偠灾?，雙向逆變器將更多的從整個系統(tǒng)的角度擔(dān)當(dāng)重要的控制和管理功能，而不單一的只考慮電網(wǎng)的要求或者負(fù)載的要求。

作為電網(wǎng)發(fā)展的方向之一，以新能源發(fā)電為核心構(gòu)建的局部發(fā)電、配電、用電網(wǎng)絡(luò)將是未來微電網(wǎng)主要發(fā)展的方式之一。在這種模式下，局部微電網(wǎng)將和大電網(wǎng)形成一種互動的關(guān)系，微電網(wǎng)將不再是緊密依靠大電網(wǎng)運(yùn)行，而更多的以獨(dú)立運(yùn)行的方式，即孤島方式在運(yùn)行。以滿足區(qū)域的安全，可靠用電優(yōu)先，只有在局部電力富?；蛘咝枰獜耐獠侩娋W(wǎng)取電時，才形成并網(wǎng)運(yùn)行的模式。目前，由于各方面的技術(shù)，政策等條件不成熟，微電網(wǎng)并沒有大規(guī)模的得到應(yīng)用，只有少量的示范項(xiàng)目在運(yùn)行，而且這些項(xiàng)目中，以并網(wǎng)運(yùn)行的模式居多。微網(wǎng)逆變器是結(jié)合了雙向逆變器的技術(shù)特征，同時擔(dān)當(dāng)重要的電網(wǎng)管理功能，是典型的逆變、控制和管理為一體的綜合控制逆變一體機(jī)。它承擔(dān)著局部能量管理、負(fù)荷控制，電池管理，逆變，保護(hù)等功能，將和微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)(MGEMS)一起完成對整個微電網(wǎng)的管理功能，將是構(gòu)建微網(wǎng)系統(tǒng)的核心設(shè)備。和逆變器技術(shù)發(fā)展中最開始的并網(wǎng)逆變器相比，已經(jīng)脫離了單純的逆變功能，而承載了微電網(wǎng)管理和控制的功能，從系統(tǒng)層面關(guān)注和解決一些問題。圖2展示的是我公司合作的微點(diǎn)網(wǎng)項(xiàng)目系統(tǒng)配置圖，該系統(tǒng)具有一定的典型性，是由柴油發(fā)電機(jī)擔(dān)當(dāng)基本供電單元，可再生能源發(fā)電作為補(bǔ)充。由我公司提供儲能型逆變器，提供雙向逆變、變流、電池充放電，微電網(wǎng)管理系統(tǒng)對整個微電網(wǎng)進(jìn)行管理，接觸器A,B,C都是受控于微電網(wǎng)管理系統(tǒng)，能夠在孤島運(yùn)行時根據(jù)電力供應(yīng)切斷非重要負(fù)荷，維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定和重要負(fù)荷的安全運(yùn)行。

圖2 一種微電網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)

目前各逆變器廠商主要供應(yīng)并網(wǎng)型逆變器，少量的離網(wǎng)逆變器和雙向逆變器，只有極少的國內(nèi)外大廠商推出了面向微電網(wǎng)應(yīng)用的微網(wǎng)逆變器。而且這類逆變器由于缺乏相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，還存在著各家的產(chǎn)品功能差異大，技術(shù)水平差異大的特點(diǎn)。特別是在家用型微電網(wǎng)產(chǎn)品上，只有歐洲幾個技術(shù)領(lǐng)先的廠商如德國的SMA，KACO等有少量的產(chǎn)品，國內(nèi)廠商還沒有推出相應(yīng)的產(chǎn)品。