關于解決分布式光伏電站組串式逆變器頻繁啟停的研究

常州天合光能有限公司系統事業部 楊正剛 于 哲常州天合光能有限公司江蘇省分布式光伏及應用工程中心 陳 維 趙鳳閣 栗 娜

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關于解決分布式光伏電站組串式逆變器頻繁啟停的研究

常州天合光能有限公司系統事業部 楊正剛 于 哲
常州天合光能有限公司江蘇省分布式光伏及應用工程中心 陳 維 趙鳳閣 栗 娜

【摘要】分布式光伏電站380V低壓接入企業內網，企業負載為大功率特種設備時，可能會導致組串式逆變器受干擾而頻繁啟停。針對該現象，采用理論分析研究，提出解決方向。比對多種解決方案，綜合考慮性價比和可操作性，保持原有光伏接入點位置不變，采用變換特種設備接入其它的變壓器方案。方案實施并對改造后的系統運行情況分析。研究結果表明，分布式光伏電站的組串式逆變器運行正常。通過理論研究，為特種設備影響組串式逆變器啟停問題而提供解決方向，對保證光伏電站發電量和促進分布式光伏發電應用具有現實意義。

【關鍵詞】分布式光伏電站；組串式；逆變器；啟停；研究

工信部電子信息產業發展基金資助項目(財建[2014]513號、工信部財[2014]425號); 分布式光伏系統大規模集成應用研究項目。

0　引言

隨著社會發展和工業化進程加快，能源危機和環境危機加劇，采用化石能源所產生的環境污染與人們的低碳生活相矛盾，利用可再生能源成為人們追求的目標，其中，太陽能作為清潔能源，取之不盡用之不竭，成為理想的選擇，以晶體硅基為主流的光伏電池和組件得到工業化發展，技術成熟，配套政策完善，國家鼓勵和支持光伏發電應用。近年來，我國光伏發電產業呈現飛速發展，西部地區光照資源豐富，因此大量的集中型電站在西部建設，然而西部市場消納困難，特高壓線路配套失衡，富余電力無法外送，光伏電站棄光現象嚴重，成為制約西北地區光伏新能源進一步發展的最大瓶頸[1]。而分布式光伏發電主要建設在企業、居民、公共建筑屋頂或其它用電負荷附近區域，所發電力就近消納，適合企業和居民較多的中東部地區，分布式光伏電站具有環保、經濟、投資省、發電方式靈活、與環境兼容等特點[2]，依據國家能源局發布的光伏十三五規劃意見稿顯示，十三五分布式光伏電站規劃累計將達到70GW，分布式光伏具有廣闊的發展空間。

隨著分布式光伏電站的發展，所帶來的問題也日益凸顯，自發自用，余電上網模式的分布式光伏電站較多采用380V電壓等級接入企業內網[3]，廣泛使用的組串式逆變器，然而目前市場上組串式逆變器通常不帶隔離變，只有簡單濾波功能。對用電企業本身的設備，例如高頻爐、中頻爐等可能會產生嚴重諧波[4]及電壓波動和不平衡的阻隔作用下降，逆變器頻繁啟停，導致光伏電站運行不穩定和發電量的損失。

同時，光伏電站一般通過逆變器將直流轉化為交流電后直接接入電網或通過升壓變接入電網[5]，這類電力電子器件的頻繁開通和關斷，容易產生諧波污染[6-7]，數量較多時，將可能影響電能質量[8-9]。這些因素嚴重影響了分布式光伏電站的應用和投資回報。

本文針對采用自發自用，余電上網，380V電壓等級接入企業內網的典型分布式光伏電站案例進行研究，提出并分析導致逆變器頻繁啟停的原因，理論分析多種解決方案，綜合考慮性價比和可操作性選定解決方案，實施并對逆變器運行情況進行觀察驗證。

1　光伏電站接入系統

1.1主系統圖

光伏電站接入的企業為重工型企業，用電量大，企業采用35kV廠區進線，多臺變壓器，用電設備主要為高頻爐、中頻爐、電弧爐等特種設備，光伏電站采用380V電壓等級多點接入企業降壓變壓器低壓側，如圖1所示。

其中，該并網點處光伏電站裝機容量617.76MW，采用18臺規格為30KW的組串式逆變器，組件容量與逆變器容量比為1.14:1。

1.2光伏電站監控系統

光伏電站建有監控系統，能對逆變器、并網點運行狀態進行實時監控。監控系統如圖2所示。

圖1　系統主接線圖

圖2　光伏監控系統圖

通過后臺計算機監控系統可以觀察到整個光伏電站的運行情況。實際監控平臺監控逆變器運行情況如圖3所示。

圖3　實際光伏監控系統圖

圖3中，綠色表示逆變器正常運行，灰色表示逆變器關機。由于可見，部分逆變器因受企業內網干擾而關機。

2　逆變器啟停的理論分析

光伏逆變器需要通過NB/T32004-2013，標準認證，具有一定的抗干擾能力。本文采用某品牌30KW組串式逆變器為例，其主電路示意圖，如圖4所示。

圖4　逆變器主電路示意圖

由圖4可知，并網逆變器將光伏直流電通過濾波器進行濾波，然后通過BOOST升壓電路后再通過全橋逆變電路，變成正弦波電流通過斷路器，在經過交流濾波器濾波，最后輸出至電網。

組串式逆變器結構中包含濾波裝置，具有一定的濾波抗干擾能力，但是由于本身缺乏電氣隔離能力，受電爐影響，使得逆變器頻繁停機，對核心器件IGBT損傷較大。

3　方案選擇

3.1調整逆變器頻率參數

該品牌的光伏逆變器本身具備頻率參數設定功能，在工頻條件下，國標要求逆變器的頻率可調范圍為±5％,以工頻為計算基準即頻率調整范圍為±2.5Hz。該方案為最簡單的方案，但電爐的頻率較高，通常中頻150-500Hz、高頻500Hz以上，該方案不一定能滿足要求。

3.2在光伏并網點加隔離變壓器

隔離變壓器是指輸入繞組與輸出繞組帶電氣隔離的變壓器。隔離變壓器的原邊和副邊之間沒有電的連接，只有磁場連接，其輸出端與輸入端完全是呈“斷路”的隔離狀態[10]，隔離變壓器具有如下的特點[11-14]：

(1)電氣隔離：使用變壓器來實現光伏電源與電網之間的電氣隔離。

(2)阻止電流的直流分量注入電網：由于直流電不會導致磁通量的變化，因此光伏逆變系統的直流分量將不會通過隔離變壓器流入電網。

(3)抗干擾作用：一定聯接方式的變壓器可以消除3次及3的整數倍次諧波，降低高次諧波、電壓波動對電網的影響。

(4)穩定電壓作用：當系統發生故障時，可以有效地抑制光伏逆變系統的諧振過電壓和穩態過電壓。

(5)升壓功能：隔離變壓器具備升壓功能，能大大降低對直流電壓的要求。

因此，在光伏電站并網點前加裝1:1隔離變壓器，如圖5所示：

圖5　加裝隔離變壓器后的系統圖

如圖5可見，加裝630KVA的干式隔離變壓器，置于并網點之前，阻隔低壓側高頻爐等特種設備對逆變器的干擾。該方案作為備選方案之一。

3.3采用集中型逆變器

采用集中型逆變器，根據光照條件可選擇500KW集中型逆變器，輸出電壓315V，加裝工頻變壓器，變壓至400V，如圖6所示：

圖6　采用集中型逆變器加工頻變后的系統圖

由于該項目已經使用組串式逆變器，更改為集中型逆變器難度較大，可行性不強。但對后期選用有啟示作用。

3.4調整光伏并網點位置

因該光伏并網點與電爐公用一臺降壓變，因此電爐的運行對逆變器的影響較大，考慮避開干擾，將光伏電站的并網點更改移至其它位置，選擇未接電爐的變壓器，但是經過實際考察配電房的位置、空間、線路走向，可操作性不強。

3.5調整特種設備接入其它變壓器

將該特種設備接入另外的變壓器，這樣，光伏電站與特種設備接在不同的變壓器，從而避免特種設備對光伏逆變器的干擾。

4　實施

經過現場實際勘察，綜合比較性價比和可操作性，采用3.5方案調整特種設備接入其它變壓器，如圖7所示：

圖7　調整特種設備接入位置后的系統圖

考察改造后的電站運行情況，如圖8所示：

圖8　改造后光伏監控系統圖

由圖8可見，所有逆變器均正常運行。

5　結論

(1) 針對采用380V電壓等級接入企業內網的分布式光伏電站，其組串式逆變器存在受到企業高頻爐、電弧爐等大功率特種設備的干擾而頻繁啟停的風險。

(2) 對比五種方案，調整逆變器頻率參數、并網點前增加隔離變壓器、采用集中型逆變器和工頻變壓器結合、調整光伏并網點位置、調整特種設備接入其它變壓器，為解決逆變器受干擾頻繁啟停提供了解決方向，有利于分布式光伏電站的推廣應用。

(3) 根據該電站實際情況，采取調整特種設備接入其它變壓器方案，有效解決了逆變器頻繁啟停問題，逆變器運行正常。

參考文獻

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楊正剛【通信作者】（1980—），男，碩士研究生，常州天合光能有限公司光伏電站事業部技術經理，中級職稱、國家一級注冊建造師（機電專業）、高壓電工，擁有晶體硅電池專利2項、晶體硅電池技術國際學術文章1篇，發表于光伏技術期刊雜志英國PV TECH、光伏組件專利1項。有著近10年的光伏從業經歷，歷經晶體硅電池技術、組件技術研發、光伏電站技術、現場工程管理、電站項目開發，研究方向：光伏系統工程應用。

于哲（1987—），男，大學本科，研究方向：光伏系統工程應用。

陳維（1977—），男，博士后，研究方向：分布式光伏發電應用研究。

趙鳳閣（1987—），男，大學本科，研究方向：光伏系統工程應用。

栗娜（1986—），女，研究生，研究方向：材料應用。

作者簡介：