本文簡述了傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器缺點及無變壓器光伏逆變器的優(yōu)點，探討了在選擇并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)無變壓器逆變器時應(yīng)該考慮的無變壓器光伏逆變器在正常運行狀態(tài)下的漏電電流、太陽能電池組件中的故障電流、進入交流電網(wǎng)的直流分量等要素。
光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器
傳統(tǒng)光伏逆變器的每一個都必須與一個單獨的或定制的隔離變壓器相匹配，不論變壓器與逆變器是否集成，情況都是如此。因為隔離變壓器的效率通常只有98%～99%，它們最多可以讓效能下降2%。
由于體積龐大而且沉重，傳統(tǒng)逆變器會限制光伏逆變器系統(tǒng)的設(shè)計。采用2個500kW逆變器的系統(tǒng)設(shè)計需要在地面上安裝逆變器，因為這種逆變器的尺寸和重量較大。即使隔離變壓器可以與逆變器相互分離，由于較低的電壓與較高的電流這種安裝所導(dǎo)致昂貴的導(dǎo)線成本，每一個逆變器所需要較低的輸出電壓和多繞組也會限制相互分離的距離。
整合逆變器時的穩(wěn)定性問題也是需要關(guān)注的，傳統(tǒng)逆變器設(shè)計通常采用無阻尼大三角形濾波器，當(dāng)很多設(shè)備并行放置或逆變器需要長傳輸線時，濾波器可能會導(dǎo)致系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定。而且，如果逆變器被并行放置在同一個柜子里，每一個500kW逆變器由4個較小的125kW單元驅(qū)動，那么這種系統(tǒng)就容易受到電氣干擾，而且會為整個光伏系統(tǒng)帶來多個故障點。
相比之下，真正的無變壓器逆變器直接固定在建筑物的入口處，甚至是固定在一個尺寸足夠大的配電安裝板上。由于沒有隔離變壓器，從光伏模塊電源獲得的額外的1%～2%能源效率直接進入負(fù)載，在功率為500kW的時，這意味著多提供了5kW的輸出。此外，直接轉(zhuǎn)變成可用的電壓，而不是較低的單極逆變器交流電壓，而交流電電流降低一半以上，從而降低了交流電一端的電線成本。
如果沒有一個變壓器，逆變器的尺寸更小，重量更輕，為電力集成商在安裝和整體系統(tǒng)設(shè)計方面提供了更大的自由度。由于重量的限制和必須的加固措施，若在五層樓的建筑物屋頂安裝一個傳統(tǒng)的逆變器的成本會很高，但若采用無變壓器逆變器安裝在商業(yè)建筑的屋頂上(而不是安裝在地下室)，使其直接與五樓的安裝板連接。這樣的設(shè)計不僅可以簡化直流電布線，而且還能縮短交流電電線的長度并降低相關(guān)成本。
多個逆變器可以在不用變壓器的情況下并聯(lián)，而電源則可以直接使用，以便實現(xiàn)穩(wěn)定的表現(xiàn)。無變壓器逆變器技術(shù)采用電源優(yōu)化器(LineReactor)和較小的三角形濾波電容。這些較小的三角形濾波電容器也通過一種串聯(lián)電阻器進行緩沖，從而提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且減少并聯(lián)逆變器之間的相互作用。帶有一種單一引擎設(shè)計的500kW逆變器也能減少零部件數(shù)量，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性。
無變壓器光伏逆變器優(yōu)點
先進的無變壓器光伏逆變器技術(shù)，以便降低系統(tǒng)的復(fù)雜性并最大限度地提高電力傳輸。確實有必要仔細看看無變壓器光伏逆變器技術(shù)是如何通過影響系統(tǒng)設(shè)計、效率和系統(tǒng)平衡(BoS)成本來幫助改變競爭格局的。
采用可分離的兩極+600和-600VDC電池組數(shù)組實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)換這項新技術(shù)，無需在低壓三相電網(wǎng)上配備變壓器。這種配置不僅提高了發(fā)電效率，而且不需要傳統(tǒng)上所要求使用的逆變器變壓器，降低了相關(guān)的系統(tǒng)平衡(BoS)成本，還避免了與單極配置有關(guān)的不必要的線路衰減。
采用了無變壓器光伏逆變器技術(shù)的太陽能光伏系統(tǒng)在發(fā)電時，光伏模塊和負(fù)載之間不需要任何變壓器?？蓪㈦娏哪孀兤髦苯愚D(zhuǎn)換并傳輸?shù)剿截?fù)載中。這要歸功于采用雙極±600VDC數(shù)組配置。無變壓器光伏逆變器具有以下優(yōu)點：
1)更高的效率，由于沒有隔離變壓器，從光伏模塊電源獲得的額外的1%到2%能源效率直接進入負(fù)載，在功率為500千瓦的時候，這意味著最低免費額外提供了5千瓦的輸出。
2)縮小設(shè)備和導(dǎo)線規(guī)模及數(shù)量，直接轉(zhuǎn)變成可用的電壓，而不是較低的單極逆變器交流電壓，而交流電電流降低一半以上，從而降低了交流電一端的電線成本。
3)降低材料和安裝施工成本，沒有一個變壓器，逆變器的尺寸更小，重量更輕。無變壓器光伏逆變器可安裝在商業(yè)建筑的屋頂上(而不是安裝在地下室)，使其直接與五樓的安裝板連接。這樣的設(shè)計不僅可以免除昂貴的高達五層樓的直流電布線，而且還能縮短交流電電線的長度并降低相關(guān)成本。
4)無變壓器光伏逆變器技術(shù)采用大得多的電源優(yōu)化器(LineReactor)和較小的三角形濾波電容。這些較小的三角形濾波電容器也通過一種串聯(lián)電阻器進行緩沖，從而提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且減少并聯(lián)逆變器之間的相互作用。帶有一種單一引擎設(shè)計的500千瓦逆變器也能減少零部件數(shù)量，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性。
傳統(tǒng)逆變器還通過公用線路自干擾(如各種VAR發(fā)電)來檢測孤島情況。當(dāng)與許多逆變器并聯(lián)時，這種干擾就會在所有逆變器之間產(chǎn)生VAR拍差頻率，所產(chǎn)生的假脫扣將使電場關(guān)閉。多個傳統(tǒng)逆變器及它們的大型三角電容器也會產(chǎn)生不穩(wěn)定性并吸收大量諧波電流。
這些問題都可以通過無變壓器光伏逆變器技術(shù)來避免。無變壓器光伏逆變器可以被并聯(lián)到一個中壓變壓器的單獨繞組上。每組逆變器僅需要一個獨立、標(biāo)準(zhǔn)的1000、1500、2000或2500kVAR規(guī)格的中壓變壓器。這就為站點配置提供了眾多可能性。由于其電流低于傳統(tǒng)逆變器的電流，因此安置逆變器和變壓器的方式還有更多靈活選擇。
無變壓器逆變器的尺寸約為傳統(tǒng)逆變器的一半，可直接轉(zhuǎn)換成更高的電壓，這就減少了所需占地面積、運輸和起重設(shè)備成本(加上遞增的設(shè)備墊板或公用機箱建造成本)以及連接繞組的大小和數(shù)量。此外，一個連接到無變壓器光伏逆變器的標(biāo)準(zhǔn)配電板可以在無需單獨變壓器的情況下向追蹤器供電。由于變壓器減少，系統(tǒng)中的電抗組件隨之減少，從而實現(xiàn)最穩(wěn)定的運行狀態(tài)。此外，每個逆變器均通過以太網(wǎng)進行自動和獨立尋址，從而消除了一切干擾問題。
此外，完全被動的反孤島技術(shù)(anti-islandingtechnique)不會干擾帶VAR偏差的公用電壓，也不會在路線上設(shè)置其它瞬態(tài)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高效、順暢、穩(wěn)定的電源，這一起都為了相對削減安裝成本。
無變壓器光伏逆變器選擇要素
無變壓器型逆變器相對體積較小、重量較輕、價格也比較便宜，在很多方面都比變壓器型逆變器更具優(yōu)勢。雖然光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行和安全性都不需要采用電氣隔離措施，在選擇并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的無變壓器逆變器時應(yīng)該考慮的無變壓器光伏逆變器在正常運行狀態(tài)下的漏電電流、太陽能電池組件中的故障電流、進入交流電網(wǎng)的直流分量等要素。
■1)正常運行狀態(tài)下的漏電電流
將來自太陽能電池組件的電壓采用高頻率(20kHz)轉(zhuǎn)換過程中，高頻電壓應(yīng)等同于電網(wǎng)電壓峰值;這些電壓在逆變器內(nèi)部被認(rèn)為是干擾，濾波器可以阻斷這些干擾，防止其進入電網(wǎng)。但在理論上，阻止來自發(fā)電側(cè)的直流分量進入交流電網(wǎng)是不可能絕對實現(xiàn)的。這樣，根據(jù)所采用逆變器結(jié)構(gòu)的不同，在交流輸出中也將存在不同的對地直流電壓分量。如果太陽能電池組件或其接線端對地存在交流電壓，將產(chǎn)生“漏電電流”，通過寄生電容流向太陽能電池組件接地點。
SunnyBoy2100TL和SunnyBoy5000TLHC兩種逆變器的運行會在其電子部分產(chǎn)生與時間相關(guān)的電勢，它們的太陽能電池組件對地電壓也不相同。SunnyBoy2100TL采用H型橋結(jié)構(gòu)，加在太陽能電池組件上的電壓為電網(wǎng)電壓有效值的一半。
多組串逆變器SB5000TLHC則采用電容半橋結(jié)構(gòu)，橋的中線直接連接在電網(wǎng)的中線上。這樣的結(jié)果是產(chǎn)生的對地電壓只是50Hz的低電壓值，其分量只是電網(wǎng)電壓很小的一部分，只相當(dāng)于變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電壓紋波量。
除了電網(wǎng)電壓提升方面的考慮，漏電電流的大小還取決于太陽能電池組件寄生電容的大小，該電容值大小與太陽能電池面積及組件與邊框之間的距離相關(guān)。因此，關(guān)于漏電電流情況，應(yīng)該在設(shè)計系統(tǒng)時就仔細考慮逆變器的結(jié)構(gòu)和太陽能電池組件尺寸。太陽能電池面積越大、太陽能電池與太陽能電池組件邊框之間的距離越小，產(chǎn)生的漏電電流就越大。無邊框結(jié)構(gòu)太陽能電池組件的漏電流值很低。然而，安裝在不銹鋼箔上的非晶太陽能電池會產(chǎn)生很大的漏電電流。
外部條件也會對漏電電流產(chǎn)生影響，因此不可避免會產(chǎn)生一定的波動。如果沉淀物或清潔液弄濕了太陽能電池組件，漏電電流就會增加;這些液體中的電子物質(zhì)成分縮短電池與電池間的距離，造成漏電電流升高。
總之，太陽能電池組件在運行時的漏電電流(正常情況下)取決于很多運行條件，沒有定值來衡量。以H型橋逆變器(如SunnyBoy2100TL)為例，在運行過程中太陽能電池組件的漏電電流值在1～30mA/kWp范圍內(nèi)。
■2)太陽能電池組件中的故障電流
在并網(wǎng)應(yīng)用的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，只能使用太陽能電池與邊框有可靠絕緣的太陽能電池組件。太陽能組件要具有雙倍或超強的絕緣措施，并且要充分考慮太陽能電池組件的系統(tǒng)耐壓性，以保證即使在光伏系統(tǒng)運行狀態(tài)下也可以觸摸組件表面，不會造成危險。目前，所有的太陽能電池組件可以達到Ⅱ級防護，在選擇時并沒有太嚴(yán)格的限制。
如上所述，對于無變壓器型逆變器，在運行時太陽能電池組件上的電壓可以是疊加了交流電網(wǎng)的同步電壓值。當(dāng)觸摸組件表面時，可能會產(chǎn)生對地的故障電流。如果組件的絕緣足夠好，一般來說很難有這樣的電流產(chǎn)生。但是，故障電流放電的強度會隨一些條件的變化而增加，如太陽能電池距離縮短(這種情況下透明玻璃或塑料板厚度減少)、接觸面積增加等。比如：由于清潔太陽能電池組件的液體中含有導(dǎo)電物質(zhì)，會造成導(dǎo)電面積擴大，從而導(dǎo)致意外的故障電流。在這種情況下雖然無法對危險電流預(yù)先檢測，但如果發(fā)生意外會造成一定的危險。為了避免由此產(chǎn)生的安全隱患，也為了避免危險，在設(shè)計光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)時，用戶應(yīng)該遵循以下步驟：
1)將太陽能電池組件的邊框以及其他導(dǎo)電氣部分與接地線連接。
2)在對系統(tǒng)進行維護或?qū)μ柲茈姵亟M件進行清理時，必須斷開逆變器與電網(wǎng)的連接。
在該類型逆變器中，要對太陽能組件可能產(chǎn)生的DC或AC漏電電流進行持續(xù)監(jiān)測，一旦產(chǎn)生故障電流(大于30mA)，逆變器立即斷開與電網(wǎng)的連接。然而，現(xiàn)實應(yīng)用中對故障電流的監(jiān)測比簡單監(jiān)測漏電電流大小更為復(fù)雜。漏電電流在系統(tǒng)運行狀態(tài)下是隨時變化的，在并網(wǎng)之前無從得知當(dāng)前的數(shù)值。因此，在每次逆變器接入電網(wǎng)前，會檢測太陽能電池組件的絕緣電阻。只有當(dāng)絕緣電阻超過要求的電阻值(大于1MΩ)時，才能證明沒有故障電流注入電網(wǎng)，這時可以連接電網(wǎng)。因此，識別故障電流不僅通過監(jiān)測漏電電流的增加，還要通過測量電流的變化率來獲知。所有故障電流監(jiān)控裝置都必須具有漏電電流檢測功能(雙重的)，各監(jiān)測系統(tǒng)必須能夠獨立識別故障電流。這樣，人身安全就會得到更多的保障。RCD保護在調(diào)試之后很少或者根本不需要再進行人工測試，但上述保護措施遠比一般的RCD保護更有效。
■3)進入交流電網(wǎng)的直流分量
直接與電網(wǎng)并接，通常會導(dǎo)致直流電直接進入交流電網(wǎng)。該直流電成分會影響電網(wǎng)上的設(shè)備(局域電網(wǎng)變壓器)的正常運行和RCD的工作特性，同時會使與電網(wǎng)并接的用電器中的變壓器發(fā)生內(nèi)耗，產(chǎn)生磁飽和，而這并不是用電器所要求的使用環(huán)境。雖然這種情況不一定會損壞設(shè)備，但可以引發(fā)電網(wǎng)中防止直流成分的保護設(shè)備動作。所以，理論上并網(wǎng)型逆變器都設(shè)置有防止直流電進入電網(wǎng)的預(yù)防措施(通過50Hz變壓器或電容器進入電網(wǎng))。
還有一點非常重要，即逆變器向電網(wǎng)送入直流電的能力不僅取決于是否存在隔離變壓器，而與電容器相結(jié)合，變壓器只是可以在電氣隔離的情況下傳輸功率。事實上，關(guān)心的是電路中的電氣部件向電網(wǎng)輸入直流電流的能力。對于直接與電網(wǎng)連接的高頻變壓器型逆變器，普通的逆變橋無論是否有變壓器，都能夠向電網(wǎng)輸送直流電流。
對于SMA逆變器，電容是橋的一部分。變壓器型逆變器的變壓器設(shè)置在橋的電網(wǎng)側(cè)，從而只能向電網(wǎng)提供交流電流(如SunnyBoy5000TLHC和所有變壓器型逆變器)。
即使逆變橋發(fā)生故障，也不可能向電網(wǎng)繼續(xù)送入直流電流。原因是逆變器中串連的兩個雙極繼電器會在這種情況下切斷與電網(wǎng)的連接，該方案應(yīng)用于所有SMA無變壓器型逆變器。假設(shè)繼電器失效，橋的短路會造成過流發(fā)生，逆變器中的過載保護(過載開關(guān))仍會啟動，并切斷與電網(wǎng)的連接。
采用無變壓器型逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計要點
采用無隔離變壓器型逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)，具有發(fā)電量高的優(yōu)點。就安全而言，完全可以與采用物理電氣隔離裝置的發(fā)電站相媲美。由于內(nèi)部采用了完善的人員保護裝置，該裝置的驅(qū)動由來自具有自動監(jiān)測漏電電流功能的系統(tǒng)完成，保護能力更加理想。
為了使無變壓器主電路形式安全運行，必須采取一定的技術(shù)措施：
首先要使太陽能電池對地電壓保持穩(wěn)定;
其次，為了防止太陽能電池接地造成主電路損壞，應(yīng)檢測太陽能電池正極和負(fù)極的接地電流(通過零相互感器)，如果不平衡電流超過規(guī)定值，說明太陽能電池有可能接地，接地保護立即動作，切斷主電路輸出，停止工作。
由于無變壓器主電路形式?jīng)]有變壓器對輸入與輸出隔離，因此逆變器輸入端的太陽能電池的正負(fù)極不能直接接地，輸出的單相三線制中性點接地，因太陽能電池面積大，對地有等效電容存在(正極等效電容和負(fù)極等效電容)。該等效電電容將在工作中出現(xiàn)充放電電流，其低頻部分有可能使供電電路中的漏電開關(guān)誤動作而造成停電，其高頻部分將通過配線對其它用電設(shè)備造成電磁干擾，而影響其它用電設(shè)備正常工作。對這種對地等效電容電流必須在主電路加電感L1與電容C1組成的濾波器進行抑制，特別是抑制高頻部分。而工頻部分，可以通過控制逆變器開關(guān)方式來消除。當(dāng)然在太陽能電池與主電路之間，還應(yīng)當(dāng)設(shè)置共模濾波器，防止對太陽能電池的電磁干擾。
在設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)時，要充分考慮如下幾點：
1)選用絕緣好的太陽能電池組件和電纜(Ⅱ級保護)。
2)將太陽能電池組件和太陽能電池組件邊框與接地端連接。
3)選用具有完善故障電流檢測、監(jiān)控?zé)o變壓器型逆變器。
4)注意電容與電網(wǎng)連接時，需監(jiān)測送入電網(wǎng)的直流分量。
5)當(dāng)需要在電源接點進行故障電流檢測時，應(yīng)注意太陽能電池組件運行時的漏電電流(如設(shè)置漏電電流監(jiān)測值為100mA或更高)。
6)在對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行維修時，要斷開逆變器。
來源：索比光伏網(wǎng)
