淺談組串式逆變器的歷史及認識的誤區(qū)

山西電力勘測設計院 ■ 王艷國

1 組串式逆變器的定義

早期，光伏電池板價格高，光伏電站的功率偏小，幾塊電池板組成一個組串，功率為幾百W～上千W，接入小功率單相逆變器，這種逆變器被稱為組串式逆變器。

經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在的組串式逆變器是指能夠直接跟組串連接、用于室外掛式安裝的單相或三相輸出逆變器，功率為幾kW～幾十kW。它形成了一些固定特性：防護等級高，多為IP65，可直接在室外安裝；直流輸入為光伏專用的MC4防水端子，能直接與電池板相連，無需經(jīng)過直流匯流箱；輸出電壓范圍寬，輸出交流相電壓多為180～280 V之間，能直接接入本地單相或三相電網(wǎng)；MPPT路數(shù)通常為2個或3個，MPPT控制更精細，效率高、設計靈活，能適應各種不同應用場景，如地面電站、山地、樓面等環(huán)境的需求。

2 并網(wǎng)光伏逆變器的發(fā)展歷程

并網(wǎng)光伏逆變器的發(fā)展與光伏電池板及光伏電站的發(fā)展緊密相連，逆變器的功率完全由光伏電站設計的需求決定。德國的SMA是逆變器的代表公司，其逆變器產(chǎn)品發(fā)展歷史如下：

1991年，推出第一臺光伏逆變器產(chǎn)品，室內安裝，有LCD顯示，能與計算機通信；1995年，推出組串式逆變器Sunny Boy產(chǎn)品，室外安裝；2002年，推出集中式逆變器Sunny Central產(chǎn)品，功率100 kW；2006年，推出組串式逆變器Sunny Mini Central系列產(chǎn)品，效率達到98%，廣泛用于歐洲地面電站；2009年，推出大功率集中式逆變器Sunny Central系列產(chǎn)品，功率達到500 kW；2010年，推出三相組串式逆變器Tripower系列產(chǎn)品，最大功率17 kW。

從SMA的產(chǎn)品發(fā)展歷史可看到光伏逆變器發(fā)展的幾個階段。

1) 組串式逆變器是最早出現(xiàn)的逆變器，幾乎是伴隨著光伏電站發(fā)展的歷史發(fā)展起來的。SMA的組串式產(chǎn)品1995年面世時光伏電站容量很小，多為1～2 kW左右。

2) 隨著光伏電池板的發(fā)展，光伏電站容量越來越大，2002年SMA推出了集中式逆變器，但功率并不大，僅約為100 kW。

3) 2006年，電站容量進一步變大，SMA推出的SMC(Sunny Mini Central)系列產(chǎn)品由于效率高、室外防護、安裝方便，在屋頂電站及地面電站中都占據(jù)了相當大的市場份額。2008年，隨著德國的并網(wǎng)法規(guī)越來越完善，歐洲各國的補貼政策陸續(xù)出臺，光伏電站在歐洲蓬勃發(fā)展，此時由于大功率的集中式逆變器不多，SMC系列產(chǎn)品用3臺單相機外加控制器組成的三相系統(tǒng)成為地面電站配置的主流，組串式逆變器開始廣泛應用于大型地面電站。

4) 2009年SMA推出大功率的集中式逆變器產(chǎn)品，可滿足大型地面電站的要求。同年，Danfoss推出了10～15 kW三相組串式系列產(chǎn)品，由于MPPT數(shù)量多，防護等級高，設計更加靈活，安裝維護方便，受到市場追捧，廣泛用于大型地面電站。2010年SMA推出的三相組串式產(chǎn)品STP系列迅速成為其主力發(fā)貨產(chǎn)品，在歐洲廣受歡迎。此后在歐洲的大型地面電站中，集中式逆變器由于成本優(yōu)勢而應用較多，但組串式逆變器也占有一定市場份額。

5) 自2013年以來，由于競爭激烈，組串式逆變器價格下降很快，采用組串式逆變器方案的地面電站系統(tǒng)成本正在逐步接近采用集中式逆變器方案的電站。國際咨詢公司IHS在2014年4月發(fā)布的一項調查顯示，通過對300家太陽能安裝商、經(jīng)銷商及設計、采購和施工(EPC)公司調查后發(fā)現(xiàn)，規(guī)模超過1 MW的大型光伏發(fā)電站中，組串式逆變器的接受程度越來越高。40%的逆變器買家目前考慮組串式逆變器而非集中式逆變器，因為其靈活性更好，并可減少電力損失。IHS資深光伏市場分析師科馬克·吉利根(Cormac Gilligan)表示：“該調查證實，過去一年大型系統(tǒng)對組串式逆變器的接受度不斷增加，反映出如IHS所預期，這些產(chǎn)品將在幾個關鍵光伏市場獲得份額。大型系統(tǒng)中太陽能產(chǎn)品買家越來越偏愛組串式逆變器而非中央逆變器最常見的原因是，其更好的系統(tǒng)設計靈活性、故障情況下最小的損失，以及較低的壽命系統(tǒng)成本?！?/p>

從逆變器發(fā)展的歷史可看出，組串式逆變器在歐洲用于大型地面電站的歷史比集中式逆變器更久，技術也非常成熟。國內的華為、陽光電源等逆變器廠商的組串式產(chǎn)品也已廣泛用于國內外的地面電站中。在2014年慕尼黑的Intersolar論壇上，資深光伏從業(yè)人士Manfred Bachler(曾是全球最大的EPC廠商Phoenix Solar的首席技術官)提出用組串式逆變器改造現(xiàn)存的集中式逆變器的方案，因為集中式逆變器維護復雜、可用性差，僅在可用度方面就比組串式逆變器低6%；并且他指出，5～6年就可收回改造成本。

3 關于組串式逆變器的認識誤區(qū)

在我國，光伏電站從2010年開始批量建設。此時國內組串式逆變器供應商少且技術不成熟，而國外的產(chǎn)品價格很高，在大型地面電站中使用組串式逆變器方案系統(tǒng)成本遠高于使用集中式逆變器的方案，這就使得集中式逆變器成為地面電站的首選，從而造成了集中式逆變器在我國地面電站中占據(jù)了絕對的統(tǒng)治地位。廣大的光伏從業(yè)者對組串式逆變器不熟悉，還存在認識上的誤區(qū)。

3.1 地面電站中組串式逆變器機器數(shù)量多，維護比集中式更復雜、更困難

這種觀點是由于對集中式和組串式的維護方式不了解所致。組串式逆變器的維護一般是由電站運維人員直接整機更換，對技能要求低；而集中式的維護則是必須由廠家技術人員到現(xiàn)場，對技能要求非常高。組串式的維護方式優(yōu)勢非常明顯，特別是在偏遠地區(qū)或海外。一個明顯的事實可以證明：負責任的逆變器廠商很少敢把集中式逆變器賣到國外，但幾乎所有廠商都敢把組串式逆變器賣到國外。原因很明顯，國外的維護成本太高，維護人員出去費用昂貴；備件也是一個問題，放在當?shù)夭缓帽９?，隨身攜帶也不可行，到了現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)備件不合適還得從國內重新發(fā)，不僅耽誤時間，還可能引發(fā)電站業(yè)主的索賠。如果客戶跟逆變器廠商簽20年的維保合同，長達20年維保周期里集中式逆變器出問題的概率是100%，幾次維護的費用就可能將賣設備的收益賠進去。這也解釋了為什么各國集中式逆變器供應商幾乎全是本土廠商的原因，一方面是本土廠商更熟悉本國的市場，另一方面就是國外廠商服務難以保證。

從故障對電站的影響看，組串式逆變器也占有明顯優(yōu)勢。假設組串式逆變器和集中式逆變器的年故障率都是1%，1 MW電站有2臺集中式逆變器、40臺組串式逆變器，按照組串式逆變器平均修復時間為2 h、集中式為12 h計算(考慮到各廠家響應時間不一樣，集中式的實際修復時間可能還要長很多)，組串式逆變器故障造成的發(fā)電量損失只有集中式的1/6，如表1所示，這其中的根本原因還是維護方式的差異。

表1

長時間來看，組串式逆變器的維護優(yōu)勢更加明顯。舉例來說，用現(xiàn)在的組串小機替換10年前的組串式小機，直流側和交流側線纜相差不大，通信協(xié)議稍有差異，如果端子線纜不適配，完全可通過外加線纜轉接的方式實現(xiàn)，而現(xiàn)在的組串式逆變器遠比10年前的產(chǎn)品便宜，替換起來更簡單。但如果用同一個廠家現(xiàn)在的集中式逆變器去替換10年前的機器，由于一般的產(chǎn)品生產(chǎn)時間不超過5年，會發(fā)現(xiàn)所有的電路板、電感等元器件均不適配，而元器件的庫存也不可能超過5年，器件替換就非常昂貴且難找。用組串式逆變器實現(xiàn)相互替換更加現(xiàn)實且成本更低，而集中式逆變器的替換與重新建設電站沒有差別，費時費力。國內的集中式電站都是2010年以后才開始建設，目前維護問題還不突出，后續(xù)將會逐漸暴露。

3.2 組串式逆變器機器數(shù)量多，電站諧波將會變大

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電壓或電流分量；一般是指對周期性的非正弦電流進行傅立葉分解，扣除基波以外其他頻率點的電流分量。諧波電流會在電網(wǎng)短路阻抗上產(chǎn)生諧波電壓降，影響電壓輸出波形(用戶端電壓=電網(wǎng)穩(wěn)定電壓-諧波電壓降)。

電網(wǎng)諧波主要來源于3個方面：一是發(fā)電源質量不高；二是輸配電系統(tǒng)；三是用電設備，在用電設備中，由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

逆變器屬于發(fā)電設備，本身不控制輸出電壓的大小，依托于電網(wǎng)電壓，只是把電流灌入電網(wǎng)，這種工作方式對電網(wǎng)電壓諧波的影響較小(但如果逆變器引發(fā)了電網(wǎng)的諧振除外)。所以在衡量光伏電站并網(wǎng)點電能質量時，在電網(wǎng)電壓諧波能達到5%要求的情況下，重點關注逆變器輸出的電流諧波。逆變器的電流諧波主要和以下幾個因素有關：

1) 輸出電壓波形質量：逆變器的控制算法中，輸出電壓為正弦波，當經(jīng)過逆變器調制輸出PWM波有畸變時，將影響逆變器的輸出諧波與控制效果。提高開關頻率與輸出PWM電平數(shù)有助于降低PWM波形的畸變率，高開關頻率三電平的組串式逆變器比低開關頻率兩電平的集中式逆變器更有優(yōu)勢。

2) 軟件控制帶寬：逆變器的開關頻率越高，控制帶寬越寬，對于寬范圍的電流諧波抑制更充分。為保證穩(wěn)定性，逆變器的控制帶寬通常約取開關頻率的1/10；組串式逆變器的開關頻率(約16 kHz)遠高于集中式逆變器(兩電平逆變器為3 kHz，三電平約為8 kHz)，控制帶寬更寬，對于低次諧波的控制能力更強?？刂祁l率高，可在控制環(huán)路中對電網(wǎng)諧波進行檢測，加入對低頻諧波的抑制程序，使得逆變器的輸出電流諧波比電網(wǎng)的電壓諧波做的更好。

3) 并網(wǎng)濾波器性能：控制帶寬以外輸出電流高頻成分，需依賴濾波器來濾除。組串式逆變器一般采用LCL型濾波器，具有高頻諧波衰減能力強、受并網(wǎng)阻抗影響小的優(yōu)點。

4) 并機諧波抵消能力：1個方陣多臺組串式逆變器距升壓變壓器距離不同，線路阻抗會有差異。線路阻抗會等效改變并網(wǎng)LCL濾波器中L2的電感，不同濾波器參數(shù)會改變諧波相位。當多臺組串式逆變器并聯(lián)工作時，諧波成分將會由于相位差異而部分相互抵消，降低系統(tǒng)整體諧波值。

從以上4點可看出，組串式逆變器由于其工作頻率更高，完全可在算法中加入諧波抑制的算法，保證輸出電流諧波不受電網(wǎng)諧波的干擾，這點比集中式更占優(yōu)勢。

3.3 組串式逆變器并聯(lián)的數(shù)量多，更容易引起諧振，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定

逆變器多機并聯(lián)系統(tǒng)由光伏電池陣列、多臺逆變器、輸配電設備與電網(wǎng)組成。逆變器和輸配電設備都具有很強的非線性，功率輸入端的光伏電池陣列與輸出電網(wǎng)也可能出現(xiàn)大幅度的擾動，整個系統(tǒng)非常復雜。設計不合理可能出現(xiàn)多臺逆變器之間、逆變器與電網(wǎng)之間的振蕩，導致逆變器保護脫網(wǎng)，甚至造成人身與財產(chǎn)損失。諧振的產(chǎn)生原因是多方面的，跟設備數(shù)量的多少并沒有直接關系。舉個例子，從配電網(wǎng)的情況看，配電網(wǎng)中居民用戶有大量的用電設備，功率大小不等，但諧振的情況并不明顯，反而是工廠里數(shù)量少的大功率設備更加容易引起諧振。

并網(wǎng)逆變器中常見的并聯(lián)諧振分兩種情況：

1)逆變器多機并聯(lián)工作時，其輸出并網(wǎng)端有公共阻抗引發(fā)了并聯(lián)逆變器之間的多機諧振。在并聯(lián)系統(tǒng)中，當其中一臺逆變器的輸出電流含有諧波時，該諧波分量將在回路上產(chǎn)生諧波壓降，并影響并聯(lián)的其他逆變器的并網(wǎng)端電壓，當該電壓諧波與逆變器的控制頻率接近時，就有可能導致多機并聯(lián)諧振。這種諧振多見于工作頻率較低的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，集中式逆變器工作頻率為3～8 kHz，而組串式逆變器工作頻率高于16 kHz，因此并聯(lián)的集中式逆變器更容易出現(xiàn)這種諧振。

2)逆變器端口有濾波電容，該電容與變壓器的漏感組成LC網(wǎng)絡。逆變器的輸出電流中含有的高次諧波與該LC網(wǎng)絡諧振頻率相同時會產(chǎn)生諧振，此時如果電網(wǎng)中正好也含有相同頻率的高次諧波，振蕩就會加劇，導致電網(wǎng)電壓的振蕩。這種諧振在電網(wǎng)較干凈的大型地面電站的場合較難碰到，而分布式的低壓并網(wǎng)場合由于本地負載情況復雜，電網(wǎng)中高次諧波含量較大時就可能出現(xiàn)。

這兩種諧振從本質上看都是逆變器自身輸出含有高次諧波導致。抑制諧振的根本方法是改善逆變器的控制和LC濾波器的設計，保證逆變器輸出側不含高頻諧波。對于采用組串式逆變器的大型電站來說，一般1～2 MW組成一個并網(wǎng)單元，通過隔離變壓器并網(wǎng)。隔離變壓器將在MW單元間起到良好的解耦作用，確保MW單元之間不會相互影響。在MW單元內部，多機并聯(lián)時，由于組串式逆變器開關頻率較高，一般達到16 kHz以上，控制帶寬也相應較寬，一般達到2 kHz左右，而電網(wǎng)中的諧波分量一般不超過2 kHz，在組串式逆變器的控制帶寬內，組串式逆變器可在控制環(huán)路中加入這些諧波的抑制算法，使得逆變器對這些頻率的諧波不響應，能有效防止諧振的發(fā)生，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.4 組串式逆變器的低壓穿越性能比集中式差

低穿/零穿是指逆變器檢測到電網(wǎng)電壓跌落后，短時間內保持不脫網(wǎng)，并對電網(wǎng)輸出無功支持電網(wǎng)盡快恢復。標準上認為，電網(wǎng)電壓跌到5%以下就是零穿，零穿時逆變器還需要檢測到電網(wǎng)的相位，才能發(fā)出無功對電網(wǎng)進行支撐。逆變器對低穿產(chǎn)生響應的關鍵點在于逆變器能及時檢測到電網(wǎng)電壓的跌落，然后再根據(jù)內部的算法做出相應反應。在一個并網(wǎng)單元內，交流線纜的阻抗不大，逆變器能及時檢測到電網(wǎng)跌落并作出反應。因此，低穿完全是逆變器的自主行為，不需要逆變器之間有任何聯(lián)動，電站的低穿特性跟逆變器的數(shù)量沒有必然聯(lián)系。德國中壓并網(wǎng)標準BDEW在業(yè)界第一次提出了低壓穿越的要求，該標準對逆變器低穿的評估主要是進行單機測試，然后根據(jù)單機測試結果進行建模仿真。多機并聯(lián)的低穿特性通過軟件仿真得到，在并聯(lián)仿真過程中多臺逆變器間也不會出現(xiàn)相互干擾導致低穿性能變差的現(xiàn)象。

3.5 多臺組串式逆變器相互干擾會致孤島無法保護

孤島是指當電網(wǎng)因故障、事故、自然因素或停電維修等原因而跳脫中斷供電時，光伏并網(wǎng)逆變器未能及時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市電網(wǎng)絡，仍繼續(xù)向電網(wǎng)輸送一定比例的電能，由太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負載形成的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島。從定義中可看出，并網(wǎng)光伏逆變器形成孤島的條件有兩個：逆變器系統(tǒng)與電網(wǎng)脫離；逆變器輸出功率與本地負載匹配，導致輸出電壓持續(xù)維持輸出，從而形成供電孤島運行。

逆變器的防孤島保護方案分為主動式和被動式兩種。被動式方案通過檢測逆變器交流輸出端電壓或頻率的異常來檢測孤島效應，該方案中各臺逆變器對電網(wǎng)進行檢測，多臺逆變器間不會產(chǎn)生相互干擾；主動式方案通過有意地引入擾動信號來監(jiān)控系統(tǒng)中電壓、頻率及阻抗的相應變化，以確定電網(wǎng)存在與否。主動式防孤島效應保護方案主要有頻率偏移、電流脈沖注入引起的阻抗變動、電力線載波通訊等。在主動式孤島的方案中，如果一個并網(wǎng)單元中存在不同廠家的逆變器，可能存在擾動信號方向不一致導致主動孤島方案受到影響的現(xiàn)象。

標準認證的過程中，反孤島的測試非常嚴格。測試機構專門構造了諧振頻率為50 Hz的LC諧振網(wǎng)絡對孤島進行測試，確保逆變器在這些極端情況下都能進行孤島保護；逆變器為了滿足標準的要求，光靠被動式反孤島還不夠，必須增加主動式的反孤島方案。而在現(xiàn)實的并網(wǎng)中，諧振頻率正好為50 Hz的LC諧振網(wǎng)絡幾乎不可能碰到，逆變器通過電壓和頻率檢測等被動反孤島手段就可達到保護目的。荷蘭有研究機構發(fā)布報告表明，雖然歐洲有大量電站都采用組串式逆變器，并且不同廠家逆變器之間的主動孤島方案可能不一致，但僅靠被動孤島方案就能夠實現(xiàn)保護。而被動孤島方案是不會相互干擾的，所以實際電站中沒有因孤島而出現(xiàn)問題的案例。

4 總結

隨著我國光伏電站裝機容量逐漸增大，發(fā)電量和可維護性將成為電站設計的重要考慮因素。組串式逆變器技術成熟、設計靈活、維護方便、適應性強，不僅能用于分布式的屋頂電站，而且在大型地面電站中也將得到廣泛應用?？梢灶A見，在未來的一段時間內，組串式逆變器在我國光伏電站中將占據(jù)越來越重要的地位。