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光伏系统的电压做到多高好

发布时间:2016-03-25

     时下,随着光伏行业对1500V光伏系统在降低系统成本方面的重要性认识的日益清晰,很多光伏组件和光伏部件制造商都在积极开发适于1500V光伏系统的光伏组件、配套设备和配套材料,可以认为这将是新的一年光伏发展的趋势之一。

  那么,为什么是1500V系统,而不是1200V、1800V或2000V呢?原因是1500V系统来源于相应的国际标准和国家标准。目前低压交流配电网电压等级最高的是采矿业,为1040V,折换成正弦波的最大值为1470V,这就是直流低压系统1500V的来历。国标GB/T 2900.18—1992 《电工术语 低压电器》中对低压电器的定义是:“低压电器 low voltageapparatus:用于交流50 Hz (或60 Hz ), 额定电压为 1200V及以下、 直流额定电压为1500V及以下的电路内起通断、保护、控制或调节作用的电器( 简称电器)”。业界普遍的共识,高于1500V的直流系统,就不能再套用低压系统的设计方法了。

  定义1500V低压系统的意义在于,所有的低压电器设计规范都限于交流1200V,直流1500V,在这个电压以下的控制电器属于低压电器,超过这一电压属于中压或高压电器,中、高压电器在设计上所考虑的电磁场、电弧、电晕、电热、爬电距离、对绝缘材料、使用环境的要求等等与低压电器有着质的不同。标准化的设计可以带来安全和低成本。

  光伏系统使用的电缆也一样,1000V技术等级的交流电缆用在1500V的直流场合,不但够用,而且因为没有了集肤效应、交变电磁场等影响,会有更好的性能表现。

  同样,在1500V范围,光伏逆变器所用的部件都还属于低压电器的范畴,除电容和核心半导体器件IGBT以外,不大会因为电压等级的变化而增加成本。IGBT目前最高的电压等级有600V,1200V,1700V,3300V,4500V,6500V等等,其中3300V以下等级的比较常见,适于1500V光伏系统的IGBT应该在1700V等级。

  也就是说,从1000V光伏系统升级至1500V光伏系统,统设备和部件、附件都不是问题。

  问题在于光伏发电设备的主角——光伏组件。光伏组件的关键是光伏背板。

  1500V光伏系统的经济性是明显的。首先,在其它辅助设备、电缆、支架等基本不变的情况下,由于组件串电压升高50%,相应地我们可以减少33%的汇流设备和逆变设备;其次,减少了设备,就减少了33%的设备自用电,减少了33%的设备故障率和维护保养成本;第三,由于半导体器件是有固定压降的电流器件,提高系统电压有助于提高逆变器的转换效率。

  1500V光伏系统也有自身的缺点,首先,由于组件串的增长,要求组件串中每一块组件的光照、温度情况尽可能一致,以保证最大功率输出。这对复杂地形、建筑物上的电站是一个不小的挑战;其次,组件串电压高对某些类型的光伏电池和光伏组件来说,发生PID效应的风险增大;第三,高的直流电压会使系统中能接触到潮气的带电体发生电化学腐蚀的概率增大,腐蚀的结果使接触电阻增加,电功率损失增加,严重时会引发火险;第四,电压增高后当电路断开时,直流拉弧的风险也会增加。

  因此,1500V光伏电站系统比较适合于地形比较平整、气候比较干燥的场合,比较适用于抗PID效应的光伏组件和电池,比如N型衬底的电池,又比如双层玻璃封装同时边缘密封良好的光伏组件,虽然,双层玻璃封装的光伏组件技术还不够成熟,还存在一些安全上的隐患。

  当采用高转换效率的N型衬底光伏电池时、或电池表面经过特殊处理后,即使使用透水率高于玻璃的聚合物封装背板,也不会产生PID效应。事实上,我们还可以从光伏逆变器的电路结构上做一些文章,改变光伏组件的接地方式,从而使PID效应的影响可以忽略不计。

  图1是一个3电平的三相光伏逆变器的主电路,众所周知,3电平逆变器有利于降低逆变器输出的谐波,减轻滤波电路的负荷,减小逆变器的体积,降低成本,改善电能质量。其实这种电路结构还可以降低光伏组件中电池和玻璃表面间的电场强度,抑制玻璃中钠离子的迁移,从而抑制PID效应的发生。

三相光伏逆变器的主电路
图1
逆变波形示意图
图2

  图1中1500V的组件串是中间接地的,上下两个半串的电压只有750V,当然也就不会产生PID效应了。

  图2是该电路的逆变波形示意图,从图中可见,除了脉宽调制波以外,还有3电平的阶梯波,这样,就即解决了PID风险的问题,又大大减少了谐波。总之,在光伏系统设计工程师手里,将会根据不同的要求、不同的条件、不同的材料,做出最佳的组合。而1500V的光伏系统使光伏工程师又有了新的选择。

 

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