本文简述了传统光伏发电系统逆变器缺点及无变压器光伏逆变器的优点，探讨了在【zài】选择并网【wǎng】光【guāng】伏【fú】发电系统无变压器逆【nì】变器时应【yīng】该考虑的无变压器光伏逆变器在正常运行【háng】状【zhuàng】态下的漏电电【diàn】流、太阳能电池组件中的故障电流、进入交流电网的直流分量等要素。
光伏发电系统逆变器
传统光伏【fú】逆变器的每一个都必须与一个单独的【de】或定制的隔离变【biàn】压器相匹配【pèi】，不论变压器与逆变器是【shì】否集【jí】成，情况都是如【rú】此。因为隔离变压器【qì】的效【xiào】率通常只有98%～99%，它【tā】们【men】最多可以让【ràng】效能【néng】下降【jiàng】2%。
由于体积庞大而且沉重【chóng】，传统【tǒng】逆变器会限制【zhì】光伏【fú】逆变【biàn】器系统的设计。采用2个500kW逆变器的系统设【shè】计【jì】需【xū】要在地面上安装逆变【biàn】器，因为这种逆【nì】变器【qì】的尺寸和【hé】重量较大。即【jí】使隔离变压器【qì】可以【yǐ】与逆【nì】变【biàn】器相互分【fèn】离，由于较【jiào】低的电【diàn】压与【yǔ】较高的电流这种【zhǒng】安装【zhuāng】所导致昂贵的导线成本，每一个逆变器所需要较低的输【shū】出电压【yā】和多【duō】绕组也会限制相互分离的距离。
整合逆变【biàn】器时的稳定性问题【tí】也是需要关注的，传【chuán】统逆变器设计通常【cháng】采【cǎi】用无阻尼大三【sān】角形滤波器，当很多设备并行放置或逆变器【qì】需要【yào】长传输线时【shí】，滤波器可能【néng】会导致【zhì】系统运行的不稳定。而【ér】且，如【rú】果【guǒ】逆变器被并行放置【zhì】在同一个柜子里，每【měi】一个500kW逆变器由4个较【jiào】小的【de】125kW单元【yuán】驱动，那么这种系统【tǒng】就容【róng】易受到电【diàn】气干扰【rǎo】，而且会为整个光伏系统带来多个故障点。
相比之下，真正的无变压器逆【nì】变器直接固定在建筑物【wù】的入口【kǒu】处，甚【shèn】至【zhì】是固定在一个尺寸【cùn】足够大的配电安【ān】装板上。由于没【méi】有隔离变压器【qì】，从光伏模块电源获得的额外的1%～2%能源效【xiào】率直接进入负载【zǎi】，在功率【lǜ】为500kW的时【shí】，这意【yì】味着【zhe】多【duō】提供了5kW的【de】输出。此【cǐ】外，直接【jiē】转变成【chéng】可用的电压，而【ér】不是较低的单极【jí】逆变器交【jiāo】流电压，而交流电电流降低一半以上，从而降低【dī】了【le】交流电一【yī】端的电【diàn】线成本。
如【rú】果没【méi】有一个变【biàn】压器，逆变器的尺【chǐ】寸更小，重【chóng】量【liàng】更轻，为电力集成商在安装和整【zhěng】体系统【tǒng】设计方面提供了【le】更大的自由度。由于重量的限【xiàn】制和必须的加固措施，若【ruò】在【zài】五层楼的建筑【zhù】物屋顶【dǐng】安【ān】装一个传【chuán】统的逆变器【qì】的成本会很【hěn】高，但【dàn】若采用【yòng】无【wú】变【biàn】压器【qì】逆变器【qì】安装在商业【yè】建筑的屋顶上(而不是安装【zhuāng】在【zài】地下室)，使其直【zhí】接【jiē】与五楼的安装板连接。这样【yàng】的设计不仅可以【yǐ】简化直流【liú】电布线，而且还能缩短交流电电线的长度并降低相关成本。
多个【gè】逆变器可以在不用变压【yā】器的情况下并联，而电源则【zé】可以直接【jiē】使用，以便实现稳定的表现【xiàn】。无变压器逆变【biàn】器技术采【cǎi】用电源优化器(LineReactor)和较小的三角【jiǎo】形滤波电容。这【zhè】些较小【xiǎo】的三角形【xíng】滤【lǜ】波【bō】电【diàn】容器【qì】也通过一种串联电阻器【qì】进行缓冲，从而提【tí】高控制系统的稳定【dìng】性【xìng】，并【bìng】且减少并联逆【nì】变【biàn】器【qì】之间的相互作用。带有一种单一引擎设计的500kW逆变器也能减少【shǎo】零【líng】部件数量，从而提高整个系统的【de】可【kě】靠【kào】性。
无变压器光伏逆变器优点
先进的无变压器光伏逆变器技术【shù】，以便降低系统【tǒng】的复杂性并最大限度地提高电力传输。确实有必【bì】要【yào】仔【zǎi】细看看无【wú】变压【yā】器光【guāng】伏逆变【biàn】器技术是如何通过影响系统设【shè】计【jì】、效率【lǜ】和系统【tǒng】平衡(BoS)成本来帮助改变竞【jìng】争格【gé】局的。
采用【yòng】可分【fèn】离的两极+600和【hé】-600VDC电池组【zǔ】数组实现【xiàn】直接转换这项新技术，无需【xū】在低压【yā】三相电【diàn】网上配备【bèi】变压【yā】器。这种配【pèi】置不【bú】仅【jǐn】提【tí】高了发电效率，而且不需【xū】要传统上所要求使用的逆变器变压【yā】器，降低了相关【guān】的系【xì】统平衡(BoS)成本，还避免了与单极配置有关【guān】的不必要的线路衰减。
采用了无【wú】变【biàn】压【yā】器光伏【fú】逆变器技术的【de】太阳能光伏系统【tǒng】在【zài】发电时，光【guāng】伏模块和负【fù】载之间不需要【yào】任何变压器。可【kě】将电【diàn】力从逆变器直接转换并传输【shū】到所附负载中。这要归功于采用双极±600VDC数组配【pèi】置。无变压器【qì】光伏逆变器具【jù】有以下【xià】优点：
1)更高的效率，由于没有隔离变【biàn】压器，从光【guāng】伏模块【kuài】电源获得的额外的【de】1%到2%能源效率直接进入负载，在【zài】功率为500千瓦的【de】时候，这意味【wèi】着【zhe】最低免费额【é】外提【tí】供了【le】5千瓦【wǎ】的输出。
2)缩小设备和【hé】导线【xiàn】规模【mó】及数量，直接【jiē】转变成可用的【de】电压，而不是较低的单极逆变器【qì】交【jiāo】流电压，而交流电【diàn】电【diàn】流降低一【yī】半以上，从而降低了交流电一端的【de】电线成本【běn】。
3)降低材料和安装施工成本，没有一个变【biàn】压【yā】器，逆【nì】变器的尺【chǐ】寸更小，重量更轻。无变压器光伏【fú】逆【nì】变器可安【ān】装【zhuāng】在商【shāng】业建筑【zhù】的屋【wū】顶上(而不【bú】是安装在【zài】地下室【shì】)，使【shǐ】其【qí】直接与五楼的安装【zhuāng】板连接。这样的设计不【bú】仅可以【yǐ】免除昂贵的【de】高达五层楼的【de】直流电布线，而且还能【néng】缩短交流电【diàn】电线的长度并降低【dī】相关成本。
4)无变压器光伏【fú】逆变器技术采用大得多的【de】电【diàn】源【yuán】优【yōu】化器(LineReactor)和较小的三【sān】角形滤波电【diàn】容。这些较小的三角【jiǎo】形滤波电【diàn】容器【qì】也通过一种串联电【diàn】阻器【qì】进行缓【huǎn】冲，从而提高【gāo】控制系统的【de】稳定性，并且【qiě】减【jiǎn】少【shǎo】并联逆变器之间的【de】相互作【zuò】用。带有一种单一引【yǐn】擎设计的500千瓦【wǎ】逆变器也能减少零部件数量，从而提高【gāo】整个系统的可靠性。
传统逆变器还通【tōng】过公【gōng】用线路【lù】自干【gàn】扰(如各种【zhǒng】VAR发【fā】电)来【lái】检测孤岛情况【kuàng】。当与许【xǔ】多逆变器并联时，这种干扰就会【huì】在所有逆变【biàn】器之间产生VAR拍差频率，所产【chǎn】生的假脱扣将使电场关闭。多个传统逆变器及它们的大型三角电容器也会产生不稳【wěn】定性【xìng】并吸【xī】收大【dà】量谐波【bō】电流【liú】。
这些问题都可以通过无【wú】变压器光伏【fú】逆变器技【jì】术来避【bì】免。无变压器【qì】光伏逆变器可以被并联【lián】到一个中压变压器的【de】单【dān】独绕组上【shàng】。每【měi】组逆变器仅需要一【yī】个独立、标准的1000、1500、2000或2500kVAR规格的中压变压器。这就为站点配置【zhì】提【tí】供【gòng】了众多可能性。由于其电流【liú】低于【yú】传统逆【nì】变器的【de】电流【liú】，因【yīn】此安【ān】置逆变器和变压器的【de】方式还有更多灵活【huó】选择。
无变压器【qì】逆变器的尺寸约【yuē】为传统逆变【biàn】器的一半，可直接转换成【chéng】更高的电压【yā】，这就减少了【le】所需占地面积、运【yùn】输和起重设【shè】备成本(加上【shàng】递增的【de】设备【bèi】垫板或公用【yòng】机箱建造成本)以【yǐ】及连接【jiē】绕组的【de】大【dà】小和数量。此外，一个【gè】连接到【dào】无变压器光伏逆变器的标【biāo】准配电【diàn】板可以在无需单【dān】独【dú】变压器的情况下向追【zhuī】踪器供电。由于【yú】变压【yā】器减少，系统中【zhōng】的电抗组【zǔ】件随之减少，从而【ér】实现最稳定的运行状态。此【cǐ】外，每个逆【nì】变器【qì】均通过以太网进行【háng】自【zì】动和独立寻址，从而【ér】消除了【le】一切干扰问【wèn】题【tí】。
此【cǐ】外，完全被动的反孤岛技术【shù】(anti-islandingtechnique)不会【huì】干扰带VAR偏差的公用电【diàn】压，也【yě】不会【huì】在路线上设置其它【tā】瞬态，因此能够【gòu】实现高效、顺畅、稳定的电源，这【zhè】一起都【dōu】为了相对削减安装【zhuāng】成【chéng】本。
无变压器光伏逆变器选择要素
无变压器型逆【nì】变器【qì】相对体积较小、重量较轻、价【jià】格也比较【jiào】便宜，在很多方面都比变压【yā】器型逆变器更具优势。虽然光伏【fú】发电系统【tǒng】的【de】运行和安全【quán】性都不需要采【cǎi】用【yòng】电气隔【gé】离措施，在【zài】选【xuǎn】择并网光伏【fú】发电系统中的无变【biàn】压器逆变器时应该考虑【lǜ】的无【wú】变压器光【guāng】伏【fú】逆变器在正【zhèng】常运行状态下的漏电电流、太【tài】阳能电池组【zǔ】件中的故【gù】障电【diàn】流【liú】、进入交流电网的直【zhí】流分量等要素
1)正常运行状态下的漏电电流
将来自【zì】太【tài】阳能电池组件的电压【yā】采用高频率(20kHz)转换过程中，高频【pín】电【diàn】压应等【děng】同于【yú】电网电【diàn】压峰值;这些电【diàn】压在【zài】逆变【biàn】器内部被认【rèn】为是干【gàn】扰，滤【lǜ】波器可【kě】以阻断这些干扰，防【fáng】止【zhǐ】其进入电网。但在理【lǐ】论上【shàng】，阻止【zhǐ】来自发电【diàn】侧的直流分【fèn】量进入交流【liú】电网是不可能【néng】绝对实现的。这样，根据【jù】所采用逆变器结【jié】构的不同【tóng】，在交流输出【chū】中也将【jiāng】存在【zài】不【bú】同的对地【dì】直流电【diàn】压【yā】分量。如果太【tài】阳能电池组件或其接线端对地存【cún】在交流电压，将产生“漏电电流”，通过寄生【shēng】电容流向太阳能电池组件接地点。
SunnyBoy2100TL和【hé】SunnyBoy5000TLHC两种逆变器的【de】运行会在其电【diàn】子部分产生与时【shí】间【jiān】相关的电势，它们的太【tài】阳【yáng】能电【diàn】池【chí】组件对地电压也不相同。SunnyBoy2100TL采用H型桥结构【gòu】，加【jiā】在太阳【yáng】能电池组【zǔ】件上的电压为电网电压有【yǒu】效值的一半。
多组串逆变器SB5000TLHC则【zé】采【cǎi】用【yòng】电【diàn】容【róng】半桥结构【gòu】，桥的【de】中线【xiàn】直接【jiē】连接在【zài】电网的中线上。这样的结果是产生的对地【dì】电压只是50Hz的低电压值，其分量只【zhī】是电网电压很小的【de】一部分【fèn】，只相当于变压器拓扑结【jié】构中的电压【yā】纹波量。
除了电网电【diàn】压提【tí】升方面的考【kǎo】虑，漏电电【diàn】流【liú】的大小还取【qǔ】决于太阳能【néng】电池组件寄生电容的大小【xiǎo】，该电容值大小与太阳能电池面积及组件与边框【kuàng】之间的距离相关。因此，关于漏电电流【liú】情【qíng】况，应该在设计系统时【shí】就【jiù】仔细考虑逆变器的结构和【hé】太【tài】阳能电池组件尺寸。太阳能【néng】电池面【miàn】积【jī】越大、太【tài】阳能电池【chí】与太阳能电【diàn】池组【zǔ】件边框之【zhī】间【jiān】的距离越小，产生的【de】漏电【diàn】电【diàn】流就越大【dà】。无【wú】边框【kuàng】结构太阳能【néng】电池组件的漏电流值很【hěn】低【dī】。然而，安装在不锈钢箔上【shàng】的非晶太阳能电池会产【chǎn】生很大的漏电【diàn】电流。
外部条件也会对漏【lòu】电电流产【chǎn】生影【yǐng】响【xiǎng】，因此不【bú】可避【bì】免会【huì】产生一定【dìng】的波动。如果沉淀物或【huò】清洁液弄湿了太【tài】阳能电池组件【jiàn】，漏电电流【liú】就会增加;这些液体中【zhōng】的电子物【wù】质成分缩短电【diàn】池与电池间的距离，造成漏电电【diàn】流升高。
总之，太阳能【néng】电池【chí】组件在运【yùn】行【háng】时的漏电电【diàn】流(正【zhèng】常情【qíng】况下)取决于很多【duō】运行条件，没有定值来【lái】衡【héng】量。以H型桥逆变器(如【rú】SunnyBoy2100TL)为例，在运行过【guò】程中太阳能电池组件的漏电电流【liú】值在1～30mA/kWp范围内。
2)太阳能电池组件中的故障电流
在并网应【yīng】用的【de】光伏发电【diàn】系统中，只能使用太阳能电池与边框有可靠绝缘的太阳【yáng】能电池组件。太阳【yáng】能【néng】组件要具有【yǒu】双倍或【huò】超强的绝缘措【cuò】施，并且【qiě】要充【chōng】分考【kǎo】虑太阳【yáng】能电池【chí】组件的系【xì】统耐【nài】压性，以【yǐ】保证即使在【zài】光伏系统运行状态下也可以【yǐ】触摸组件【jiàn】表面，不会【huì】造成危险。目前，所有的太阳【yáng】能电池【chí】组件可以达【dá】到Ⅱ级防护，在选择时并没有【yǒu】太严格的限【xiàn】制。
如上所述，对于无变【biàn】压器型逆变器【qì】，在运【yùn】行【háng】时太阳【yáng】能电池组件上的电【diàn】压可以是叠加了交流电网的同步【bù】电压值。当触【chù】摸组件表面时【shí】，可能【néng】会产生【shēng】对地的故【gù】障电流。如果组【zǔ】件的绝缘足【zú】够好，一般【bān】来说很难有【yǒu】这【zhè】样的电流产【chǎn】生。但是，故障电流放电的强度【dù】会随一些条件【jiàn】的【de】变化【huà】而增加，如太阳能电池距离缩短(这种【zhǒng】情【qíng】况下透明玻璃或【huò】塑【sù】料板【bǎn】厚度减少)、接【jiē】触面积【jī】增加等。比如：由于清洁太【tài】阳【yáng】能电池组件的液体中【zhōng】含有导【dǎo】电物质【zhì】，会造【zào】成导电面积扩大，从而导【dǎo】致【zhì】意【yì】外【wài】的故障电流。在这种情况下虽然无法对危险电流预【yù】先检测，但【dàn】如果发生意外会造成一【yī】定【dìng】的危险。为了避免由此产生的安全隐患，也为了避免【miǎn】危险【xiǎn】，在设计【jì】光【guāng】伏并网发电系统时，用户应该遵循【xún】以下步【bù】骤：
1)将太阳能电池组件的边框以及其他导电气部分与接地线连接。
2)在对系统进【jìn】行维【wéi】护【hù】或对太阳能【néng】电池组件进行【háng】清理时，必须断开逆变器与【yǔ】电网的连接【jiē】。
在该类型逆变器中【zhōng】，要对太【tài】阳能组【zǔ】件【jiàn】可能产【chǎn】生的DC或AC漏电电流进行持【chí】续监测，一【yī】旦产生故障电流(大于30mA)，逆【nì】变器立即断开【kāi】与电网的连接。然【rán】而，现实应用中对故障【zhàng】电流的监测比简单【dān】监测漏电电【diàn】流大小更为复杂。漏电【diàn】电流在系统运行状态下是【shì】随时变化的，在并网【wǎng】之前无从得知当前【qián】的【de】数值。因此，在每【měi】次逆变【biàn】器接入电网前，会检测太【tài】阳能电池组件的绝缘电阻。只有【yǒu】当绝缘电阻超过要求的【de】电阻值(大于1MΩ)时【shí】，才能证明没【méi】有故障电流注入电网，这时可【kě】以连接电网。因此，识别故障电流不仅通过监【jiān】测【cè】漏【lòu】电电流的增【zēng】加，还要【yào】通过测【cè】量电流【liú】的变化率来【lái】获知。所有故障电流监控装置都必须具有漏电电流【liú】检【jiǎn】测功能(双【shuāng】重的【de】)，各监测系统【tǒng】必须能【néng】够独立识别【bié】故【gù】障电流。这【zhè】样，人身安全就会得到更多【duō】的保障【zhàng】。RCD保护在【zài】调试之后【hòu】很少或【huò】者根【gēn】本不需要再【zài】进行人工【gōng】测【cè】试【shì】，但【dàn】上【shàng】述保护措施远比一般的RCD保护更有效。
3)进入交流电网的直流分量
直【zhí】接【jiē】与电网并接，通常会导致直【zhí】流【liú】电直接进入交流电网。该直流电成分会影响电网上的【de】设备(局域电网【wǎng】变压【yā】器【qì】)的正常【cháng】运【yùn】行和RCD的工【gōng】作特性，同时会使与电网并接【jiē】的用电器中的变压器发生内耗，产生磁饱和，而【ér】这并不是【shì】用电器所要求【qiú】的【de】使用环境。虽【suī】然这种【zhǒng】情况不【bú】一定会损坏【huài】设备，但可以【yǐ】引发【fā】电【diàn】网中【zhōng】防【fáng】止【zhǐ】直流成分的保护设备动作。所以，理论上并网型逆变器都设置有防止直流电进【jìn】入电网的预防措施(通【tōng】过【guò】50Hz变【biàn】压器或电容器进【jìn】入电【diàn】网【wǎng】)。
还有一【yī】点非常重要，即【jí】逆【nì】变器向电网【wǎng】送入直流电的能力不仅取决于是否【fǒu】存在【zài】隔离变压器，而【ér】与电容【róng】器相结合，变压【yā】器只是【shì】可以【yǐ】在电气【qì】隔离【lí】的情况下传输【shū】功率。事实上，关心的【de】是电路中的电气部件向电网输入直流【liú】电流的【de】能力。对【duì】于直接与电【diàn】网连接【jiē】的高频【pín】变压器型【xíng】逆变器，普通的逆变桥无论是【shì】否有变压器，都能够向【xiàng】电网输送直流电流【liú】。
对于SMA逆【nì】变器，电【diàn】容是【shì】桥的一部分。变压器型逆【nì】变【biàn】器的变压【yā】器设置在桥的电网【wǎng】侧，从而只能【néng】向电网提【tí】供交【jiāo】流电流(如SunnyBoy5000TLHC和所有变压器型逆变器【qì】)。
即使【shǐ】逆变【biàn】桥发【fā】生故障，也不可能【néng】向电网继续送入直流电流。原因是逆【nì】变器中串连的两个双极【jí】继【jì】电器会在这种情况下【xià】切断与电网的连接，该【gāi】方案应用【yòng】于所有SMA无变压【yā】器型【xíng】逆变器。假设继电器【qì】失效，桥【qiáo】的短路会造成过流【liú】发生，逆【nì】变器中【zhōng】的过载保护(过载【zǎi】开【kāi】关)仍会【huì】启动，并切断与【yǔ】电网的连接。
采用无变压器型逆变器的光伏发电系统设计要点
采用无隔离变压器型逆变器的光【guāng】伏发电系统【tǒng】，具有【yǒu】发【fā】电量高的优点。就安全【quán】而言，完全可以与采用【yòng】物【wù】理电气隔离【lí】装置【zhì】的发【fā】电站相【xiàng】媲美。由于【yú】内部采用了完善的【de】人员保护装置，该装置的驱动由【yóu】来自具有自动监【jiān】测漏电电【diàn】流功能【néng】的系【xì】统完【wán】成，保护能力更加理想。
为了使无变压器主电路形式安全运行，必须采取一定的技术措施：
首先要使太阳能电池对地电压保持稳定;
其【qí】次，为【wéi】了防止【zhǐ】太阳【yáng】能电池接地造成主电路损坏，应检【jiǎn】测太阳能电【diàn】池正极和负极的接地电流【liú】(通【tōng】过【guò】零相互感器【qì】)，如果【guǒ】不平衡【héng】电流超过【guò】规定值【zhí】，说明太阳【yáng】能电池有可能接【jiē】地，接地保护立即动作【zuò】，切断【duàn】主电路输出，停止工作。
由【yóu】于无【wú】变【biàn】压器主电【diàn】路形式没有变【biàn】压器对输【shū】入与输出隔离，因此逆【nì】变器输入【rù】端的太阳能电池的正负极不能直接接地，输出【chū】的单【dān】相三线【xiàn】制中性点【diǎn】接地，因太阳能电池面积大，对地【dì】有等效电容存在(正极等【děng】效电【diàn】容和负【fù】极等效【xiào】电容)。该等【děng】效电【diàn】电容将在工作中出现充放电电流，其低【dī】频部分有可【kě】能使供电电路中的漏电【diàn】开【kāi】关误动作而造【zào】成停电，其高频【pín】部分将通过配线对其它【tā】用电设备【bèi】造成电【diàn】磁干扰【rǎo】，而影响其它用电设【shè】备正常工作。对这种对地等效电容电流必须【xū】在主电路加电感【gǎn】L1与【yǔ】电容C1组成的滤波【bō】器【qì】进行抑制【zhì】，特别是抑制高频【pín】部分。而工频部【bù】分，可以通过控制逆变【biàn】器开关【guān】方式来消除。当然在【zài】太阳能【néng】电池【chí】与【yǔ】主电【diàn】路【lù】之【zhī】间，还应当设置共模滤【lǜ】波器，防止对太阳能电池的电磁干【gàn】扰【rǎo】。
在设计光伏发电系统时，要充分考虑如下几点：
1)选用绝缘好的太阳能电池组件和电缆(Ⅱ级保护)。
2)将太阳能电池组件和太阳能电池组件边框与接地端连接。
3)选用具有完善故障电流检测、监控无变压器型逆变器。
4)注意电容与电网连接时，需监测送入电网的直流分量。
5)当【dāng】需【xū】要【yào】在电【diàn】源接点进行故障【zhàng】电流检测时【shí】，应注意太【tài】阳能电池组件运行时的漏电电流(如设置漏【lòu】电电【diàn】流监测值为100mA或更高)。
6)在对光伏发电系统进行维修时，要断开逆变器。
