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分布式光伏并网变换器的使用
顾名思义，分布式光伏并网变换器主要是利用光伏系统来传输太阳能，其中，直流能量源被逆变器适当地转换成交流电的形式。这些适合住宅区应用程序的初定速率（达到1000VA，1.1 kV），在过去的几十年中，适用性已经提高到现在10,000 VA, 33 kV的等级。正如加利福尼亚州，在中东和美国西部地区，增强的应用程序已经在工业园区和太阳能电站建立，该应用程序具有可利用的能源高达69 KV, 35 MVA。在亚利桑那州，科罗拉多州，俄勒冈州和内华达州，越来越多的太阳能电站被建立。在全世界范围内，太阳能电站广泛应用于欧洲，亚洲，和非洲。欧洲，德国一直是这一领域的领导者。在亚洲，印度和中国已经接受了利用太阳能，并且因此变换器制造在中小型变换器范围内增加。
2.1分布式光伏并网太阳能转换器升压变换器
分布式光伏并网太阳能转换器升压变换器是唯一连接太阳能发电站到大规模太阳能发电设施的电网的设计，可靠和高效的升压变换器是太阳能工业所需的必要的具有设计灵活性的工程解决方案。分布式光伏并网变换器的设计是为了非正弦谐波频率与附加负荷相互关联，此种分布式光伏并网变换器通常在变频器驱动变换器中使用，它有一个多重绕组的革新系统，能使变换器成本减少并最小化变压器占用空间。
分布式光伏并网变换器设计和建造以满足和超过地震标准。分布式光伏并网变换器应该安装最强地震等级评定区。此外，它结合了各种液体，包括封闭应用所需的较少易燃液体。分布式光伏并网变换器以圆形绕组为特征，在其圆周上均匀地散布径向力并在整个线圈中具有冷却管道，消除热点引起过早击穿并最终导致变压器故障。线圈端部用重型三号钢支撑，压力板承受在故障状态期间施加的轴向力。这些力可以引起线圈的伸缩，变换器寿命缩短。图2.1（请参阅彩色插图）典型的电力变压器用于太阳能逆变器类型的应用。（经由dba onyx Power 配电公司提供。）
分布式光伏并网变换器的创新设计包括：圆形线圈，十字型线圈，具有重型夹紧的斜接芯，专有压力板设计以及高级无载分接头变换器。分布式并网升压变换器设计目的是为了满足太阳能行业的需求以便在偏远地区提供可靠的服务，并且提供卓越的故障生存能力。这些变压器还具有多个绕组以满足市场上可用的逆变器的较低KVA额定值。二级通常是单层或双层格式（见插图2.1）
图2.1
根据谐波含量，用户可能想知道如何考虑它来定义变换器的KVA额定值。由于在热运行测试期间考虑了谐波，标准C57.129和C57.18.10使用一种仅基于基本频率的定义，并提出采取额外损耗的方法。
变换器是太阳能生产和分配的关键组成部分。历史上，不可再生资源里，变换器分为“升压”和“降压”两种能源。有不同类型的太阳能变换器包括配电型，站型，变电站型，底座安装型和接地型。所有变换器都有影响成本的专门需求。
太阳能应用在逆变器运行中经历稳态负载，当太阳落山后，存在一个阻尼的反应过程和变换器上更恒定的负载。
并且，故障穿越未被光伏系统定义的原因可能是更容易快速打开和关闭太阳能系统，或者是由于监管要求没有赶上先进的技术。将来这可能会发生改变，但到目前为止还没有具有这种要求的太阳能系统。
谐波在太阳能逆变器的典型谐波含量低于1％，这对系统几乎没有影响。低谐波剖面是因为没有发电机和开关和保护控制，例如在风力涡轮机上发现的那些谐波。然而，太阳能变换器需要升压，因为处于平稳过渡的变换器没有来自无负载电路的过电压，逆变器将来自光伏阵列的直流输入转换为交流电压。由于太阳能变换器在稳定的电压下工作，额定电压由逆变器控制，电压和负载波动比在风力涡轮机中时显著降低，太阳能系统也接近其额定负载运行。
太阳能发电系统也有特殊的设计问题，最大的逆变器尺寸约为500 kVA，设计师正在建设1000KVA的变换器通过将两个变频器连接的绕组放在一个机箱中，正如插图2.2a所示。变换器必须有单独的绕组以接受完全独立的输入。设计问题也来源于运行电缆长距离从直流转换为交流。
图2.2 （a）
这种变换器的“特殊”特性是它为满足CEC效率的99％（按照顾客的需求），CEC效率合规是太阳能发电行业中使用的变换器的常见要求。下图的标示牌（插图2.2b）也显示出该太阳能变换器的包括绕组连接在内的其他保证细节。
图2.2（b）
逆变器尺寸的限制也限制了太阳能系统的尺寸。通过在一个变压器箱中增加更多的逆变器来增加尺寸是极其困难的。因为所需机箱的尺寸和运行电缆将直流电转换为交流电，状况将会更加复杂。这种部件的单个尺寸已经增长到1MVA.
太阳能变换器的关键是了解每个系统的变量。变压器需要个性化以便与每个特定系统一起工作。到目前为止，逆变器技术进展缓慢，这种相对劣势是否会成为太阳能技术进步与风电场同等水平的致命缺陷仍有待观察。
面对日益增长的全球能源需求，可靠和环保地使用自然能源是本时代最大的挑战之一。除了风能和水能，太阳能是我们最宝贵的资源，因为它具有干净，呈二氧化碳中性，并且取之不尽用之不竭的诸多优点。为了使可再生能源成为世界各地的主要能源，每个人都应该努力使它们成为负担得起的常规能源。通过将可再生能源发电的创新与智能电网和高压输电技术相结合，我们能够实现节约成本和节能。几家像西门子这样的大公司在整个太阳能发电价值链上提供经过证明的组件。这样的变换器，无论液体填充变换器或GEAFOL铸塑树脂配电变换器，还是电力变换器，都已经在全球范围内服务了几十年。这种可靠和成熟的技术是客户定制的最先进的能源生产技术。图2.2（请参阅插图）(a)太阳能应用程序所用的干型分布式光伏并网变换器（经由dba Onyx Power公司提供）（玻璃纤维绝缘）注意在正视图中的三角形/星形中性接地配置的次级简单绕组配置。(b)用于太阳能应用程序变换器的（玻璃纤维绝缘）干型分布式光伏并网变换器的标示牌细节。如图2.2a,（经由dba Onyx Power公司提供）
2.2太阳能电源解决方案的变换器
2.2.1光伏发电厂
光伏（PV）系统使用太阳能电池捆绑在太阳能电池板中以产生直流电，根据光伏电站的设计，几个面板连接到整流器以将产生的直流电转换成交流电。在下一步中，配电或静态换流器变换器（GEAFOL或液浸）将能量传输至高达36 KV的中压电平。然后将其捆绑，中压功率变换器进一步升高到高电压电平。
2.2.2聚光太阳能发电
聚光太阳能发电（CSP）使用透镜或镜子捆绑阳光，并集中在一个小斑点。集中的热量使蒸汽轮机连接到发电机（热电学）开始运作，通常，涡轮机比光伏发电机产生更高的功率水平，因此中功率变换器足以将CSP设备连接到电网。
2.2.3 光伏配电变换器
升压变换器将光伏电站连接到电网。因为太阳能发电厂的条件相当严峻，这些变换器需要承受高温和恶劣的天气条件。规划光伏电站时，关键因素是这些变换器的规模。因为太大的额定功率可能导致不稳定性和经济上的劣势，而变换器功率太小则可能不能够开发利用所建立的工厂的全部能力。太阳能逆变器或用于太阳能系统的光伏逆变器将从太阳能模块产生的直流电转换为交流电并将此功率馈送到网络中。变换器特殊的多重绕组设计允许多个光伏电池板串通过少量变换器连接到电网。例子分别示于图2.3和2.4中。图2.3（见插图）许多变换器是组合式类型
图2.3
图2.4（见插图）干型电力变压器在太阳能光伏电网应用（经由器械诊断公司提供）
图2.4
2.3 聚光太阳能发电变换器
聚光太阳能发电设备中的变压器通常属于中等功率变压器组，当聚光太阳能发电变换器通过驱动蒸汽轮机产生动力时，变压器的工作与增加常规发电厂的发电功率的普通任务非常接近。
2.4中等功率变换器
太阳能发电厂产生的电力必须传递到消费领域。因此，中等功率变压器通常将所产生的电力的电压等级增加到大约110kV或220kV，用以有效地提前集束能量。功率范围高达200 MVA甚至更高可以有几个变化：卸载分接开关或有载分接开关，与两者的组合，或在盖下或重新连接圆顶中的重新连接装置。可能的范围包括独立绕组变压器和自耦变压器，也包括三相和单相设计。不同设备和站点之间的精确要求各不相同。这就是为什么当涉及电压，功率，气候，效率，网络拓扑，容许噪声级和其他因素时，几乎每个变压器必须与指纹一样独特。
2.5集中光伏（CPV）系统变压器
在这些系统中，利用抛物面太阳能电池板集中太阳能。太阳能集中在这些面板的焦点处，从而提高将太阳能转换为电能的效率。据报道，这种系统的效率已攀升至41％，并且在一些情况下使用最大功率点跟踪（MPPT）系统功率可达到65％。目前一场关于比较成功和比较CPV vs CSP系统的效率的辩论正在进行。随着时间的推移，CPV系统似乎为未来提供了一个非常有益的系统。
最大功率点跟踪器（或MPPT）是用作光伏（PV）电池的最佳电负载的高效直流转换器，它最常用于太阳能电池板或阵列，并且将电力转换成更适合于系统设计成驱动的任何负载下的电压或电流等级。光伏电池具有单个工作点，其中电池的电流（I）和电压（V）的值导致了最大功率输出。这些值对应于特定的电阻，与由欧姆定律规定的V / I相等，光伏电池在电流和电压之间具有指数关系，并且最大功率点（MPP）发生在曲线的拐点处，其中电阻等于微分电阻的负值(V/I = minus;dV/dI)。最大功率点跟踪器利用某种类型的控制电路或逻辑来搜索该点，从而允许转换器电路从单元提取可用的最大功率。传统的太阳能逆变器作为整体对整个阵列执行MPPT。在这种系统中，由逆变器指示的相同电流流过所有面板。但因为不同的面板有不同的IV曲线（即，不同的MPP）（由于制造公差，部分阴影等）这种架构意味着一些面板将不在它们的MPP上运行，造成能量的损失。
典型的CPV系统如图2.5所示，并且类似地，它也可以由包括DPV-GT的图1.1中的单线图表示。与非聚光光伏相比，因为需要的光伏材料面积较小，CPV系统可以节省太阳能电池的成本。因为需要较小的光伏面积，CPV可以使用更昂贵的高效串联太阳能电池。为了将阳光聚焦在小的光伏面积上，CPV系统需要在聚光光学器件（透镜或镜子）、太阳能跟踪器和冷却系统上花费额外的钱。由于这些额外的成本，现如今CPV远不如非聚光太阳能电池。然而，正在进行的研究和开发试图改进CPV技术并降低成本。
图2.5
图2.5 CPV系统的太阳能电池板随着集中在镜子上的太阳光线，在箭头的方向上旋转。
从左至右：太阳，光伏，变频器，分布式光伏并网变换器，负载
准确的元件模型是进行电力系统仿真分析的基础。随着光伏电源接入系统比例的不断增加，光伏发电对电力系统的影响日益显现。因此，研究光伏发电对电力系统的影响日益迫切，建立能够准确反映并网光伏电源动态响应的模型是开展相关研究的基础。
并网光伏发电系统主要由光伏阵列、逆变器及 其他并网环节组成。光伏阵列由光伏电池串并联组成，产生的电能通过逆变器和相应的滤波器输送到电网，在此过程中需要对逆变器和电能变换环节进行最大功率点追踪控制(maximum power point tracking，MPPT)和逆变控制。MPPT 控制的作用是保证光伏阵列始终工作在输出功率最大的状态，而逆变控制的目的是保证逆变器输出与电网电压同相的电流并尽量减小谐波输出。并网光伏发电系统出现孤岛状态时，即出现脱离了电网但仍可以 向周围负载供电的状态，电网需令孤岛中的光伏发电系统退出运行，这就需要能够准确检测孤岛状态的保护系统。
本文分别对光伏阵列、MPPT 控制、孤岛保护、 逆变器控制以及整个光伏发电系统的模型进行分析，并对光伏发电系统模型研究进行展望。
光伏电池的发电原理是光生伏打效应，一个光伏电池具有类似于二极管 PN 结的结构。当光照射在电池上，PN 结两端就会有电压产生，单独的光伏电池功率很小，所以光伏发电系统要将大量的光伏电池串并联，以构成光伏阵列。
因此，在得到光伏电池的模型后，进行串并联 等效可得到光伏阵列的模型。光伏电池模型主要分为光伏电池基本 U-I 特性模型、简化工程用模型及考虑雪崩效应的模型等。根据逆变桥的相数不同，光伏发电系统用逆变差，可保证输出功率因数恒定，也可采用重复器可分为单相逆变器和三相逆变器：一般使用单相 逆变器的多为小型分布式光伏发电系统；而三相逆 变器多用于大型光伏发电系统。根据逆变器功率变 换的级数又可将其分为单级式和多级式逆变器。单级逆变器只通过一个逆变过程就同时完成逆变、电压变换以及控制功能；多级逆变器通常是由前级 DC/DC 和后级 DC/AC 组成的，前级 DC/DC 可以实
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