叶青峰--光伏储能逆变系统结构综述

光伏储能逆变系统结构综述叶青峰2015120506019摘要：从结构、成本、能源利用效率、应用领域方面，针对微网中常见逆变系统结构进行对比分析，提出了一些新的光伏储能系统并给出其优缺点分析。所述结果有助于全面理解光伏储能系统结构，对于产品开发中的系统结构设计人员及系统集成专业人员设备选型有重要价值。关键词：微电网光伏发电系统逆变器OverviewofInverterSystemStructureforPhotovoltaicEnergyStorageYeqingfeng2015120506019Abstract:Thestructuresoftheenergystoragesysteminthemicro-gridsystemwereanalyzedcomparativelyinthreeaspectssuchastechnicaldifficulty，theenergyutilizationefficiencyandcomparativecost．Meanwhile，differentstructureswerealsoanalyzedintheadvantagesanddisadvantages．Theresultsarehelpfultounderstandthestructuresofenergystoragesystemcomprehensively，andhaveanimportantvaluetotechnicalpersonnelofsystemstructuredesignandsystemintegrationintheproductdevelopment．Keywords:micro-gridphotovoltaicpowersysteminverter1引言近几年分布式能源在各国政府的支持下发展迅猛。然而随着光伏发电系统渗透率不断增加，引发了很多问题。为了解决这些问题，在分布式光伏发电系统中增加储能装置，使得储能系统、光伏系统、电网以及负荷组成了一个多源的微电网系统。光伏储能系统由多个电力电子模块组成，包括DC/DC变换器，DC/AC逆变器，AC/DC逆变器等。本文将对当前常见光伏储能系统的结构进行分析归类，抽象出其共同特征，描述了光伏储能系统的运行方式，对各种光伏储能系统进行了分析和对比，指出未来光伏储能市场发展的趋势。［1-3］。2常见光伏储能系统结构光伏储能系统主要由光伏电池、蓄电池、负载、三相电网组成,负责光伏并网发电、独立负载逆变、蓄电池充放电等各种模式之间切换。储能装置可调节电能，既能与公共电网并网运行，又可离网运行，使得负载侧不间断供电，提高供电可靠性。对于本地负荷和光伏能源，光伏储能装置可接纳多个输入源，一起接入时可以互为冗余，利用各自优势进行互补;对于公共电网，可起到削峰填谷的功能。常见光伏储能系统结构如图1所示［4］。图1常见光伏储能系统结构3新提出的光伏储能系统方案随着光伏储能的不断发展，针对不同应用的场合以及考虑提高自发自用率，在系统硬件结构方面产生了一系列新的思想。一种新的共交流母线方案的光伏储能系统结构如图2所示，可以直接进行升压逆变并网，可靠性相对高些，成本也很低，然而会受到磁性元器件选型限制。此种结构在低功率情况下更为实用，更能发挥其优势[7-10]。图2新提出的共交流母线光伏储能系统结构新提出的3种共直流母线光伏储能系统的结构如图3～图5所示。图3新提出的共直流母线光伏储能系统结构1图4新系统结构2图5新系统结构3图3-5新提出的共直流母线光伏储能系统结构图3相对比传统的光伏电池和逆变侧增加了一级DC/DC变换器，变为两级母线结构，蓄电池和光伏电池都经过一级DC/DC变换共母线，这样也可以缓解蓄电池低压情况下宽变比的弱势，提高了光伏电池给蓄电池充电的效率，降低了光伏电池并网发电和向负载供电的效率；图4的结构主要为了实现并离网无缝切换，使负载侧始终不间断供电，相对比传统的电路结构和图3，多了一级DC/AC逆变器，形成了电流源并网、电压源供负载的系统结构;图5在传统结构的基础上增加了二极管和开关器件，通过二极管的正向导通和反向截止实现光伏电池给蓄电池充电回路最短，同时通过开关管的切换实现蓄电池放电功能，相对前几种共直流母线的结构，各种模态的回路较少，效率较高，能够实现较好的自发自用率[11-14]。4未来光伏储能系统的发展随着全球光伏系统的安装量逐渐增加，类似于欧洲、澳洲、日本等成熟的光伏市场，政府补贴也逐渐下降甚至完全取消，上网电价也急剧下降，而买点价格居高不下，形成悬殊的“电网倒挂”现象;另外一些国家的电网年代已久，分布式能源的渗透加大了电网的压力，使得家用光伏储能市场应运而生，各国政府将新的能源政策转向储能市场。于光伏储能系统，市场上主要流行两种应用场景:对于已装光伏电池的场合，可采用共交流母线的光伏储能解决方案;对于新装场合，可以采用共直流母线结构的的光伏储能一体解决方案。光伏储能系统前期投资和后期回报率以及用户的体验也是非常重要的，而储能单元中蓄电池的成本相对比较高，尤其是锂电池，在一套光伏储能系统中，锂电池的成本占据了非常大的一部分。这就需要逆变器设计厂商对于用户的负载运行情况、当地的光照情况等给出合理的蓄电池容量，从设计初期使得系统的自发自用率达到最大化，同时需要有相关的EMS进行能量管理和调度及天气和负载预测，且对蓄电池要有电池管理系统管理，最大化的延长蓄电池的寿命。从用户的感受出发，系统具备丰富的通信和监控接口也是非常重要的，比如APP和WiFi等，便于用户实时的获得各端口信息，了解发电使用情况，实现最大收益[15-18]。5结语本文介绍了微电网系统中较常见的光伏储能系统，给出了不同的光伏储能系统结构，同时进行了分类和对比分析，最后对光伏储能系统的发展情况和系统选择给出了参考性建议。强调了政策的不断利好及分布式能源的不断发展带来的一些问题，迫切需要储能单元的加入才能够真正意义上实现对电网、负载方面的稳定、友好性，加速光伏储能系统的发展。相信未来光伏储能系统的发展前景会一片光明[19]。【参考文献】［1］任东明．我国可再生能源政策的基本框架及政策执行中遇到的若干问题风能设备，2008(3):5-7．［2］可再生能源发展数据概览(2014)［Ｒ］．北京:国家能源局新能源和可再生能源司，2014．［3］任东明．中国可再生能源整体开发问题和障碍［J］．太阳能发电，2013(1):42-45．［4］任东明．中国新能源产业的发展和制度创新［J］．中外能源，2011(1):31-35．［5］任东明．我国风电并网面临的困境及对策［J］．电气中国，2010(15):50-52．［6］任东明．可再生能源法修订及后续政策［J］．中国可再生能源，2010(6):10-12．［7］任东明．论中国可再生能源发展的主要问题以及新机制的建立［J］．可再生能源，2003(4):1-5．［8］张兴，曹仁贤．太阳能光伏并网发电及其逆变控制［M］．北京:机械工业出版社，2010．［9］曾杰．可再生能源发电与微网中储能系统的构建与控制研究［D］．武汉:华中科技大学图书馆，2009．［10］张振川．微网系统及其能量管理平台设计［D］．北京:华北电力大学，2012．［11］JYASINGHESSG，VILATHGAMUWADM，MADAWALAUK．DirectIntegrationofBatteryEnergyStorageSystemsinDistributedPowerGeneration［J］．IEEETransactionsonEnergyConversion，2011，26(2):677-685．[12]KjærSB，PedersenJK，BlaabjergF．Areviewofthesingle-phasegrid-connectedinverterforphotovoltaicmodules[J]．IEEETransactionsonIndustryApplications，2005，41(5)：1292-1306．[13]ToshihisaShimizu,KeijiWada,NaokiNakamura.Flyback-typesingle-phaseutilityinteractiveinverterwithpowerpulsationdecouplingontheDCinputforanACphotovoltaicmodulesystem[J]．IEEETransactionsonPowerElectronics，2006，21(5)：1264-1272．[14]TakashiHirao,ToshihisaShimizu.Amodifiedmodulationcontrolofasingle-phaseinverterwithenhancedpowerdecouplingforaphotovoltaicACmodule[C]//2005EuropeanConferenceonPowerElectronicsandApplications，2005．[15]KjærSB，BlaabjergF．Designoptimizationofasinglephaseinverterforphotovoltaicapplications[C]//ProcIEEEPESC，2003：1183-1190.[16]KyritsisAC，PapanikolaouNP，TatakisEC．Anovelparallelactivefilterforcurrentpulsationsmoothingonsinglestagegrid-connectedac-pvmodules[C]//11thEuropeanconferenceonpowerElectronicsandApplications，EPE2007，Aalborg(Demark)，2007：544.[17]邱培春，葛宝明，毕大强．基于蓄电池储能的光伏并网发电功率平抑控制研究[J]．电力系统保护与控制，2011，39(3)：29-33．QIUPei-chun，GEBao-ming，BIDa-qiang．Batteryenergystorage-basedpowerstabilizingcontrolforgrid-connectedphotovoltaicpowergenerationsystem[J].PowerSystemProtectionandControl，2011，39(3)：29-33．[18]BushB，Wang．Asingle-phasecurrentsourcesolarinverterwithreduced-sizedclink[C]//IEEEEnergyConversionCongressandExposition，SanJose，CA2009：54-59．[19]BenjaminSahan,AntonioNotholtVergara,NorbertHenze,etal.Asingle-stagePVmoduleintegratedconverterbasedonalow-powercurrent-sourceinverter[J]．IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2008，55(7)：2602-2608．