劉金滿

（廈門科華恒盛股份有限公司，廈門 361000）

光伏發(fā)電作為清潔能源得到廣泛的發(fā)展，特別是隨著能源危機(jī)的來臨、美國貿(mào)易制裁伊朗石油等問題，新能源發(fā)電越發(fā)顯得重要[1]。

但由于光伏發(fā)電的持續(xù)性、集中性等特性，發(fā)電量受到地理位置、時(shí)間、天氣等因素影響，無法滿足日益增長的生產(chǎn)、生活等用電需求，這種發(fā)電與用電的矛盾依靠目前的電網(wǎng)建設(shè)能力，已經(jīng)無法滿足。

隨著光伏發(fā)電的逐步發(fā)展，以及智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，微電網(wǎng)+儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案已經(jīng)被證實(shí)是一個(gè)有效的解決方法。系統(tǒng)由光伏組件、儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能逆變器、控制系統(tǒng)等組成，具有儲(chǔ)能、放電、并網(wǎng)、離網(wǎng)等功能。

本文以30kW系統(tǒng)需求出發(fā)，對(duì)一體式微網(wǎng)光伏儲(chǔ)能逆變器的結(jié)構(gòu)、拓?fù)溥M(jìn)行分析對(duì)比，最終選擇一個(gè)質(zhì)量、成本、可靠性等綜合優(yōu)勢(shì)方案，作為其他微網(wǎng)光伏儲(chǔ)能逆變器借鑒。

1 微網(wǎng)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)選擇

微網(wǎng)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)由光伏發(fā)電、儲(chǔ)能單元、儲(chǔ)能逆變器、用電負(fù)荷、配電、管理系統(tǒng)等組成。其中，儲(chǔ)能逆變器作為系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換與中間樞紐作用、并離網(wǎng)管理等控制。目前，市場(chǎng)上有較多的解決方案，以其中一個(gè)解決方案為例，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)組成

儲(chǔ)能逆變器，由于需要一體式結(jié)構(gòu)，必須將光伏控制、電池充電、電池放電、并離網(wǎng)逆等功能作為一個(gè)整體設(shè)計(jì)，所以采用常見的共直流母線方式，如圖2所示。在此結(jié)構(gòu)中，儲(chǔ)能逆變器具有基本的控制功能，滿足常見工作方式中的自動(dòng)控制要求。由于是一體式結(jié)構(gòu)，所以在本文中該儲(chǔ)能逆變器稱為微網(wǎng)光伏儲(chǔ)能逆變器[2]。

其中，直流母線作為光伏輸入、電池充放電、整流/逆變的中間橋梁，維持整個(gè)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。直流母線的結(jié)構(gòu)，決定了系統(tǒng)電路拓?fù)溥x擇范圍，影響可靠性、效率、控制難易程度。

圖2 共直流母線方式系統(tǒng)圖

2 微網(wǎng)光伏儲(chǔ)能逆變器母線結(jié)構(gòu)選擇

微網(wǎng)光伏儲(chǔ)能逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，主要為直流母線結(jié)構(gòu)與功率變換結(jié)構(gòu)。直流母線決定了前后級(jí)功率變換結(jié)構(gòu)。

直流母線是逆變器系統(tǒng)的中間樞紐，連接前后級(jí)之間的關(guān)鍵位置，結(jié)構(gòu)的選擇決定前后級(jí)電路拓?fù)涞倪x擇。母線電壓可以采用單母線電壓或正負(fù)母線電壓，各有其特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

圖3 單母線電壓與正負(fù)母線電壓結(jié)構(gòu)圖

由于輸出交流電220V峰峰值電壓±310V，需要直流母線電壓310×2/0.9=730V，若采用單母線，則通常采用380V左右且需要升壓裝置；若采用正負(fù)母線，則母線電壓為±365V，通過高頻逆變與濾波，可以直接輸出220V交流電。兩者對(duì)比如表1所示。

表1 單母線與正負(fù)母線電壓優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

從以上對(duì)比可以看出，兩者各有優(yōu)劣勢(shì)；由于兩者控制相對(duì)整體系統(tǒng)的復(fù)雜度不高，且考慮整體效率需求，選擇正負(fù)母線結(jié)構(gòu)方式。

3 微網(wǎng)光伏儲(chǔ)能逆變器常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微網(wǎng)光伏儲(chǔ)能逆變器具有多個(gè)端口，各個(gè)端口均通過變換器接入，包括由光伏DC/DC變換器、電池雙向DC/DC變換器、雙向并離網(wǎng)DC/AC逆變器，這些變換器的選擇關(guān)系到系統(tǒng)的控制難度、成本、可靠性等指標(biāo)，決定了整機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)。下面就這些分別進(jìn)行介紹，并分析其優(yōu)劣勢(shì)。

3.1 光伏DC/DC變換器

光伏變換部分的功率拓?fù)湟话憧刹捎脝渭?jí)直掛拓?fù)洌ㄒ妶D4）、雙級(jí)單Boost拓?fù)洌ㄒ妶D5）、雙級(jí)雙Boost拓?fù)洌ㄒ妶D6）三種結(jié)構(gòu)。

單級(jí)直掛拓?fù)錈o需功率變換，光伏電壓直接輸出到逆變器，需要配合隔離變壓器使用，拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但也具有體積大、重量大的缺點(diǎn)，這種拓?fù)渲饕獞?yīng)用于早期的集中式光伏逆變器，其MPPT功能需要依靠逆變器實(shí)現(xiàn)[3]。

圖4 光伏單級(jí)直掛拓?fù)鋱D

雙級(jí)單Boost拓?fù)洳捎幂^低的光伏電壓，經(jīng)過Boost變換器升壓到直流母線，供給逆變器使用，拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、逆變效率高、MPPT功能的優(yōu)點(diǎn)，但這種拓?fù)溥m用單母線結(jié)構(gòu)，功率較小，不適用于三相電，一般用于單相儲(chǔ)能逆變器[4]。

圖5 雙級(jí)單Boost拓?fù)鋱D

雙級(jí)雙Boost拓?fù)洳捎幂^高的光伏電壓，經(jīng)過雙Boost變換器升壓到直流母線，供給逆變器使用，拓?fù)渚哂泄β蚀蟆?duì)地漏電流小、逆變效率高、具有MPPT功能的優(yōu)點(diǎn)，但這種拓?fù)湎鄬?duì)較復(fù)雜，適合應(yīng)用于三相儲(chǔ)能逆變器。

3.2 電池雙向DC/DC變換器

電池變換部分的功率拓?fù)湟话憧刹捎秒姵厣龎?充電器、雙向DCDC拓?fù)鋬煞N結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

電池升壓+充電器方式是將電池升壓部分與充電部分分別設(shè)計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)電池的雙向變換，這種方式可以針對(duì)電池升壓、電池充電分別進(jìn)行指標(biāo)優(yōu)化，最終達(dá)到性能最優(yōu)。但是，這種拓?fù)湟簿哂薪Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、重量大的缺點(diǎn)，一般適用于放電功率遠(yuǎn)大于充電功率的場(chǎng)合。

圖6 雙級(jí)雙Boost拓?fù)鋱D

圖7 電池升壓+充電器與雙向DCDC結(jié)構(gòu)圖

雙向DCDC具有電池放電、充電功能，分別工作于升壓或降壓方式，且電池放電與充電功率相當(dāng)，即雙向Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖8所示。

雙向Buck-Boost拓?fù)涫抢猛負(fù)涞乃南笙捱\(yùn)行的特點(diǎn)，采用一套拓?fù)潆娐穼?shí)現(xiàn)電池充電和放電的功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕的特點(diǎn)。同時(shí)，由于充電與放電采用的是同一套功率器件，比較適合應(yīng)用于充電功率與放電功率相差不大的場(chǎng)合。由于需要兼顧充電與放電兩方面的性能，所以，整體指標(biāo)略差于獨(dú)立設(shè)計(jì)的方案[5]。

圖8 電池雙向Buck-Boost拓?fù)鋱D

3.3 雙向并離網(wǎng)DC/AC逆變器

雙向并離網(wǎng)逆變器的功率拓?fù)湟话憧刹捎冒霕蛲負(fù)洌ㄒ妶D9）、I型三電平拓?fù)洌ㄒ妶D10）、T型三電平拓?fù)洌ㄒ妶D11）三種結(jié)構(gòu)。

半橋拓?fù)涫亲罱?jīng)典的逆變器拓?fù)?，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制可靠的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也具有轉(zhuǎn)換效率低、體積重量大的缺點(diǎn)。半橋逆變器輸出失真度較難處理，對(duì)于高質(zhì)量要求的電源場(chǎng)合不適合[6-7]。

圖9 半橋逆變器拓?fù)鋱D

I型三電平拓?fù)涫亲钤绲娜娖侥孀兤魍負(fù)?，它采用多只開關(guān)管組合開關(guān)的方式將直流母線斬波為“+”“0”“-”三個(gè)電平，從而降低了開關(guān)管的損耗，降低了濾波器的尺寸，最終達(dá)到了提升逆變器效率、降低逆變器體積重量的目的。但由于I型三電平器件多，時(shí)序復(fù)雜，控制難度較大。所以，I型三電平拓?fù)溥\(yùn)用不夠廣泛[8]。

圖10 I型三電平逆變器拓?fù)鋱D

T型三電平拓?fù)涫橇硪环N三電平逆變器拓?fù)?，其工作原理與I型三電平拓?fù)湎嗨?，性能與優(yōu)點(diǎn)與相近。但由于T型三電平的器件組合結(jié)構(gòu)不同，器件耐壓較高，不需要I型三電平嚴(yán)格的時(shí)序要求，控制難度大大降低，可靠性也更高[9-10]。

4 微網(wǎng)光伏儲(chǔ)能雙向逆變器拓?fù)溥x型

各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有其優(yōu)劣勢(shì)以及適用場(chǎng)合。沒有最好的拓?fù)?，只有最合適的拓?fù)?，結(jié)合實(shí)際需求30kW一體式結(jié)構(gòu)需求，進(jìn)行綜合分析與選擇。對(duì)三類拓?fù)浞治雠c總結(jié)，對(duì)比結(jié)果如表2、表3、表4所示。

圖11 T型三電平逆變器拓?fù)鋱D

表2 光伏DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比

表3 電池雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比

表4 雙向并離網(wǎng)DC/AC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比

從以上優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比分析，可以看出30kW一體化微網(wǎng)光伏儲(chǔ)能逆變器的關(guān)鍵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇，最合適的如表5所示。

表5 微網(wǎng)光伏儲(chǔ)能逆變器拓?fù)溥x擇

5 結(jié)語

隨著儲(chǔ)能應(yīng)用的快速發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了大量的各種各樣的應(yīng)用，不同功率、不同環(huán)境、不同需求，產(chǎn)生出各種解決方案，特別是儲(chǔ)能逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣化發(fā)展讓選擇眼花繚亂。本文針對(duì)需求出發(fā)，查找目前市場(chǎng)上各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，綜合分析其優(yōu)劣勢(shì)，以及適用環(huán)境與范圍，最終選用一整套最適用的解決方案，可以作為其他應(yīng)用產(chǎn)品與方案的借鑒。