并网逆变器和控制器的研发计划书

光伏专用逆变器及控制器系列产品生产项目计划书燕山大学国家科技园区项目合作处2011.3.1目录第一部分项目背景及市场分析一、光伏产业的国内外行业背景二、项目目标产品的国内外发展状况和市场分析第二部分项目研究内容及关键技术一、光伏并网发电系统概述二、并网逆变器及控制器的设计及工作原理三、项目的关键技术第三部分项目生产方案一、生产工艺流程二、主要设备选型第四部分项目总投资估算及财务评价一、总投资估算及资金来源二、产品成本和费用估算三、经营收入和税金四、财务分析五、财务评价结论第五部分项目的可行性研究结论一、社会效益分析二、经济效益分析三、可行性研究结论一、光伏产业的国内外行业背景光伏发电属于清洁的可再生能源，发展光伏发电技术并使其得到广泛的应用对于缓解常规能源的短缺和减少环境污染具有重要作用，已为国际社会所公认。因此尽可能迅速地用其它能源替代矿物燃料成为了各国的当务之急，光伏发电则是理想的替代能源之一。太阳能光伏产业的国内外市场巨大。欧洲很多国家已颁布有关扶持政策，市场已初具规模。在过去的五年内，技术进步、市场扩容、规模效应一起推动全球光伏行业以年均40%的速度发展。在未来的10年内，光伏发电的成本有望降低到与考虑了环境污染、煤炭涨价等综合因素后的火电价格相当；预计全球光伏产业的年增长率在2010年到2020年将达到34%，行业发展的前景极其广阔。欧盟2009年制定的光伏装机目标我国光伏产业发展经历了两个重要时期，第一个是在20世纪80年代中期，引进4条总计5MW的光伏电池生产线，光伏产业初步形成。第二个发展时期是在新世纪初，国家发改委在2002年启动了“送电到乡工程”，该工程光伏系统容量为20MW，极大的拉动了我国光伏市场的需求。二、项目目标产品的国内外发展状况和市场分析从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代常规能源的角色进入电力市场，而并网发电将是光伏发电进入电力市场的必由之路。要实现并网光伏发电，并网光伏逆变器是技术关键，它将光伏阵列发出的电能逆变成220V／50Hz的正弦波电流并入电网。光伏并网发电开始于上个世纪80年代初。当时建造的都是较大型的光伏并网电站，而且都是政府投资的试验性电站。试验结果在发展相应的技术方面都是成功的，但在经济性方面却并不十分令人鼓舞，主要是由于太阳能电池成本过高，虽然具有明显环境效益，但其发电成本却很难让电力公司接受。通过改进工艺、扩大规模和开拓市场等措施，大幅度的降低了太阳能电池成本。最近30年，光伏组件的成本降低了2个数量级，而且这种降低的趋势还在继续。全球光伏逆变器市场基本被国际几大巨头瓜分，欧洲为全球光伏市场兴起区域，具有完善的光伏产业链，光伏逆变器技术在世界处于领先地位。SMA（德国）、KACO（德国）、Fronius（奥地利）、Ingeteam（西班牙）、Siemens（德国）、Xantrex、Danfoss、Conergy、Satcon、Power-one、Outbackpower等基本占领全球市场份额。近几年来，我国的光伏发电技术已经具有了一定的市场潜力和市场吸引力，但光伏并网发电的关键技术和设备主要依靠进口，光伏并网发电的技术更是刚刚起步，因此导致并网型光伏系统的造价高，依赖性强，制约了并网型光伏发电系统在国内的发展和推广。国内光伏逆变器厂商普遍规模小，结构工艺、做工、性能稳定性等指标跟国外一流水平有一定差距。占据国内市场超过60%的龙头企业合肥阳光电源已取得长足进步，并开始进军欧洲大功率市场。随着国内政策的推动，预计国内到2020年光伏逆变器总需求量至少达18.6GW，市场规模超500亿元，而2008年全国光伏逆变器产量约25MW，因此市场发展空间巨大。公司进入市场时间产品特点/定位其它合肥阳光电源1997风力、光伏、电力系统电源并网、离网单机最大功率1MW国内最大新能源电源供应商，产品成功运用于国内众多大型示范工程南京冠亚电源2001风力、光伏、电力系统电源并网、离网单机最大功率1MW具有较强产品创新能力电信基站市场占有较大份额北京科诺伟业2001风力、光伏并网、离网中科院电工所30余年科研基础积累，企业同时定位为系统集成商安徽颐和新能源2007光伏、高压变频器并网、离网单机最大1MW与合肥工业大学教育部光伏工程研究中心建立产学研合作关系广东志成冠军2007UPS、光伏、蓄电池并网、离网与华中科技大学、武汉大学建立产学研合作关系，产品研发方向为模块化并接，具有较强研发实力其它2007-2009最近进入市场的主要有江苏艾索、无锡山亿、江苏津恒、江苏南自通华山东博奥斯、上海航锐电源、上海追日电气、北京昆仑一、光伏并网发电系统概述1.光伏并网发电系统的组成光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的系统。光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置组成。光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列发出的电能逆变成220V／50Hz的正弦波电流并入电网。电压型逆变器主要由电力电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电能。控制器一般由单片机或DSP芯片作为核心器件，控制光伏阵列的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的功率和波形。继电保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。光伏并网系统示意图2.光伏并网发电系统的优点1)无污染：零排放（无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”）；2)可再生：资源无限，有理想的可持续发展属性；3)资源的普遍性：基本不受地域限制；4)通用性、可存储型：电能可以方便的通过输电线路传输、使用和存储；5)分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，它更具有明显的意义；6)资源、发电、用电同一地域：可大幅度节省远程输变电设备的投资费用；7)光伏建筑集成：节省发电基地使用的土地面积和费用，是目前国际上研究及发展的前沿，也是相关领域科技界最热门的话题之一。3.光伏并网发电系统对逆变器的要求1)实现高质量的电能转换。并网逆变器输出的电流频率和相位与电网的必须严格一致，以使输出功率因数尽可能的达到1。2)实现系统的安全保护要求。如输出过载保护、输出短路保护、输入反接保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、孤岛保护及装置自身保护等，从而确保系统的安全性和可靠性。3)具有较高的可靠性。目前光伏并网发电系统主要在一些自然条件恶劣的地区，所以逆变器应在长时间的工作条件下保证低故障率，并具有较强的自我诊断能力，因此所设计的逆变器应具有合理的电路结构、严格的元器件筛选。4)最大功率的跟踪。最大限度的利用光伏阵列，提高逆变器的效率。二、并网逆变器及控制器的设计及工作原理1.光伏逆变系统概述光伏逆变器的主要功能是将光伏电池的直流电能转换成正弦波形势的交流电能。由于光伏电池的电压通常低于可以使用的交流电压，因此光伏逆变器系统中，首先要有一个进行直流升压的变换器（DC-DC)，这个一般是整个光伏逆变系统的输入电路部分。经过直流升压变换器升压后的电压，需要通过逆变器将直流电能变换为交流电能。光伏逆变系统的核心就是直流升压电路和逆变开关电路。直流升压电路和逆变开关电路都是通过电力电子开关器件的导通与关断，来完成相应的直流升压和逆变的功能。电力电子开关器件的通断需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变一个电压信号来调节，产生和调节脉冲的电路通常称为控制电路（或控制回路）。2.主电路构成——DC/AC逆变器逆变器的主电路结构按照输出的绝缘形式分为：工频变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式、无变压器方式3种。1)工频变压器绝缘方式采用一级DC／AC主电路，在输出端接工频变压器并网。这种方式既可与电网隔离，同时又可以将逆变器输出波形中的直流分量滤去，从而减少对电网的污染，缺点是工频变压器体积大，重量重，效率较低。2)高频变压器绝缘方式是通过两级变换实现并网逆变。这种方式的优点是高频变压器体积小，重量轻，大大减小了逆变器的体积和重量。缺点是经过了两级结构，效率比较低，且电路和控制方式复杂。3)无变压器方式是只采用一级DC／AC变换直接并网。这种方式对逆变器输出波形要求较高，直流电压范围比较小，但是逆变器整机的效率却比较高，并进一步降低了成本。3.控制器的主要原理根据电流控制型并网逆变器原理，为使光伏并网发电系统的有功功率输出达到最大，必须控制输出电流的频率和相位，使它们与电网电压严格同步。所以电网相位的跟踪是必须解决的问题，一般采用锁相环(PLL)实现。锁相环的原理与实现锁相环是指能够自动跟踪输入信号频率与相位的闭环反馈控制系统。目前传统的模拟锁相环(AnalogPLL．APLL)主要由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成。鉴相器的输入是电网电压的采样信号和压控振荡器的输出，鉴相器的输出为误差信号，该信号为和相位差的线性函数。环路滤波器滤除中的高频信号后得到，再由来控制压控振荡器来改变输出信号的频率和相位来逼近的频率和相位。当环路锁定时，输出信号和输入信号同频同相。最大功率控制方法最大功率跟踪技术有两种技术路线：其一是CVT技术，控制电池组件端口电压近似模拟最大功率跟踪，这种方法原理简单但是跟踪精度不够；其二是MTTP技术，实时检测光伏阵列输出功率，通过调整阻抗的方式满足最大功率跟踪。目前，太阳能逆变器厂家广泛采用的MPPT技术。（最常用的干扰测量法）干扰观测法的原理和实现（P&O）干扰观测法每隔一定时间增加或减少电压，通过观测功率变化方向，来决定下一步的控制信号。如果输出功率增加，那么继续按照上一步电压变化方向改变电压；如果检测到输出功率减小，则改变电压变化的方向。这样光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，从而达到跟踪最大功率点的目的。果采用较大的步长对占空比进行“干扰”，这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近振荡幅度比较大，造成一定的功率损失，采用较小的步长则正好相反。(A)被动式孤岛检测孤岛的发生和电网脱离时的负载特性及与电网之间的有功和无功交换有很大的关系。电网脱离后有功的波动会引起光伏系统端口电压的变化，无功的波动会引起光伏系统输出频率的变化。电网脱离后，如果有功或者无功的波动比较明显，通过监测并网系统的端口电压或者输出频率就可以检测到孤岛的发生，这就是被动式孤岛检测方法的原理。然而在电网脱离后，如果有功和无功的波动都很小，此时被动式检测方法就存在检测盲区。（B）主动式孤岛检测主动式孤岛检测方法中用的比较多的是主动频移法（AFD），其基本原理是在并网系统输出中加入频率扰动，在并网的情况下，其频率扰动可以被大电网校正回来，然而在孤岛发生时，该频率扰动可以使系统变得不稳定，从而检测到孤岛的发生。这类方法也存在“检测盲区”，在负载品质因数比较高时，若电压幅值或频率变化范围小于某一值，系统无法检测到孤岛状态。三、项目的关键技术电网相位跟踪的“锁相环”技术；电网频率跟踪的干扰观测法，实时检测光伏阵列输出功率，通过调整阻抗的方式来满足最大功率跟踪；使用无变压器控制方式，使装置内耗减少到最低，同时还减小了装置体积，减轻了装置重量，降低了装置成本；反“孤岛运行”保护技术。一、生产工艺流程准备工作是为各部件、整机的装配、调试等工作做好准备。各部件装联与整机装配都采用流水线作业，这种流水线一般是小批量流水线。特殊或较大机型且批量很小时不能组成流水线，可按部分加工。试验应根据技术条件的要求进行，每个阶段工作完成之后都应进行检验，以保证各阶段的生产质量。检验合格的部件、整机应有检验记录，以备查考。整机装调检验合格以后进行包装，再入库或出厂