淺談集裝箱式光伏逆變器之發(fā)展情況

中國電子工程設(shè)計院光伏工程技術(shù)研究所 ■ 謝霞凌

0 引言

在近兩年的光伏電站建設(shè)中，集裝箱式光伏逆變器已經(jīng)成功地從名不見經(jīng)傳、被拋棄發(fā)展到現(xiàn)今成為主流的光伏逆變器室解決方案。其特點是采用集裝箱，在工廠階段就將所有設(shè)備集成到里面，現(xiàn)場只需要做土建基礎(chǔ)固定集裝箱即可。這種設(shè)備的好處在于制造工期短、施工工期短、成本低。然而，集裝箱式逆變器本身技術(shù)成熟性，以及是否適用于我國等問題卻很少被關(guān)注和重視。

鑒于最近集裝箱式光伏逆變站在中西部的電站出現(xiàn)了數(shù)次故障，甚至導(dǎo)致電站發(fā)生火災(zāi)，給國家財產(chǎn)和人身安全帶來了隱患，筆者就集裝箱式逆變器的發(fā)展、集裝箱式光伏逆變器解決了哪些問題及集裝箱式光伏逆變器暴露的一些問題進行剖析，拋磚引玉，供業(yè)界參考和討論。

1 集裝箱式光伏逆變器之前世今生

筆者由于在設(shè)計院工作的原因，參與了很多光伏項目方案的編寫、設(shè)備選型及技術(shù)對比等工作。集裝箱式光伏逆變器這種設(shè)備很早就有，最初用于大型地面光伏電站約在2009～2010年，主要推出的公司有SMA、KACO、西門子等國外一線品牌，主要使用地點是歐洲各國。

而我國光伏起步較晚，真正大型地面光伏電站是從2008年的敦煌特許權(quán)招標開始，實際則是2010年才開始并網(wǎng)了一小部分。期間，集裝箱式光伏逆變器從未被認可過，一是由于其當(dāng)時價格較高，二是排風(fēng)散熱等問題難以解決。一直到2011年8月，國家出臺了1.15元及1元電價的具體執(zhí)行時間，導(dǎo)致西北很多業(yè)主為了在當(dāng)年年底前搶到電價，來不及考慮光伏逆變器排風(fēng)、散熱，以及技術(shù)成熟性等問題。因為晚并網(wǎng)一天，就意味著整個光伏電站的投資收益率下降近1個百分點，“時間就是金錢”被得到了最充分的詮釋，出現(xiàn)過“通往西北的火車上坐的都是光伏人”的壯舉。而此時的集裝箱式光伏逆變器成功地解決了業(yè)主們冬季建設(shè)逆變器室施工周期長、施工成本極高的問題，其應(yīng)用量幾乎是一瞬間達到和室內(nèi)型光伏逆變器持平的狀態(tài)。由于具備了安裝量，國內(nèi)主流光伏逆變器廠商的集裝箱式機房成本很快因成本平攤而降低，集裝箱式逆變器也由此得到了長足的發(fā)展。然而其本身散熱難、后期維護成本高等問題，卻很少再次被關(guān)注或得到全面解決。

2 國內(nèi)外集裝箱式光伏逆變器應(yīng)用場所分析

在歐洲，集裝箱式逆變器之所以能得到廣泛應(yīng)用，主要是因為其勞動力成本較高，而集裝箱式逆變器很好地解決了這一問題，只需要2個工人和1臺工程吊裝車就解決蓋房子的所有問題。但是，歐洲光伏發(fā)電廠的廠址條件要遠遠好于國內(nèi)的條件，其光伏占地是允許使用耕地的。去過歐洲光伏電站的人知道，他們最頭疼的問題是夏天電站的草長的太長了，割草是一個很重要的工作，而不是像國內(nèi)這樣清掃設(shè)備間的沙子；而且整個歐洲都沒什么荒漠化戈壁、沙漠，以及沙塵暴天氣。所以，集裝箱式光伏逆變器在應(yīng)用中并未發(fā)現(xiàn)太多問題，而且按照歐洲對產(chǎn)品設(shè)備的要求，其集裝箱的質(zhì)量要遠遠好于國產(chǎn)的。

日本由于福島危機，2012年加快了建設(shè)新能源發(fā)電站的步伐，推出42日元/kWh電價，使得日本也出現(xiàn)了將近1年的搶裝潮。然而日本的建筑法規(guī)定，如果要建房屋，就必須進行相當(dāng)復(fù)雜且周期長的審批，復(fù)雜到你不得不放棄這個項目。所以日本人為了變通，同樣想到了集裝箱式逆變器，很好地解決了這一問題，集裝箱式逆變器由此得到了廣泛應(yīng)用。但是日本人的確是嚴謹?shù)模麄優(yōu)榱私鉀Q逆變器的散熱問題，單獨在逆變器室內(nèi)部裝設(shè)了空調(diào)進行散熱，且對集裝箱式逆變器進行了很多改造。所以可以說，他們的集裝箱式光伏逆變器以降低發(fā)電量、提高成本保證了設(shè)備的安全性和先進性。

在中國，特別是西北地區(qū)，集裝箱式光伏逆變器的發(fā)展最主要的目的就是為了縮短工期搶電價。另外，由于中國人工成本普遍偏低，集裝箱式逆變器想要得到長足的發(fā)展，就必須既要滿足工期短，又要滿足價格低的要求。而中國主要地面光伏電站集中在西北地區(qū)，以寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、新疆等地為主，主要的土地類型為國有未利用荒地、沙漠及工業(yè)園區(qū)等，設(shè)備使用環(huán)境比國外的惡劣很多。這其實與集裝箱式機房應(yīng)用場所的要求是背道而馳的，如果再不重視環(huán)境對集裝箱式逆變器的影響，將會出現(xiàn)非常嚴重的后果。

3 國內(nèi)集裝箱式光伏逆變器存在的3大問題

1)說不清的運維量。

集裝箱式光伏逆變器解決了安裝時的問題，卻帶來了后期運維及壽命短的問題。正常來說，如果將集裝箱式光伏逆變器放置在環(huán)境較好，沙塵、粉塵、腐蝕性較小的地方時，其壽命可以達到20年，甚至30年。但如果是在環(huán)境較差的地方，其壽命要遠遠小于這個數(shù)值，筆者從目前國內(nèi)主流的集裝箱機房廠家中了解到，壽命有可能不超過12年。若要延長壽命，就必須增加足夠的后期運營維護量。在后期的維護工作中，5年左右刷漆一次要改為2～3年刷一次，以減少其內(nèi)涂膜脫落面積；2～3個月更換一次防塵網(wǎng)，以減少因進風(fēng)量少導(dǎo)致的散熱不暢問題；甚至還要頻繁更換風(fēng)扇，而對于逆變器室來說，由于其空間較大，發(fā)生更換風(fēng)扇的概率較小。這些新增加的運維量到底有多大？廠家不會告訴業(yè)主真實的答案，甚至連壽命都不能那么確定，業(yè)主只能自己承擔(dān)其中的風(fēng)險。業(yè)主所知道的只是運維肯定有，壽命則聽天由命吧。

2)被降低的可靠性及效率。

目前集裝箱式機房宣稱防護等級普遍為IP54，但因機房普遍采用直通風(fēng)式散熱方案，實際只能達到IP44或者更低，無法阻擋灰塵和腐蝕性氣體進入逆變器。而灰塵在逆變器內(nèi)電路板、端子排等的累積會造成爬電距離減小，最終造成放電、起火等安全風(fēng)險，這是在西北地區(qū)發(fā)生過的真實案例。

筆者曾經(jīng)在夏天去過寧夏某個集裝箱式光伏逆變器室，打開房門后，熱浪涌動，溫度高達50 ℃以上，而室外溫度只有30多 ℃。房間小、散熱慢是一個原因，另一個原因則與其本身箱體材料有關(guān)。集裝箱機房普遍采用EPS或巖棉保溫板進行隔熱，根據(jù)集裝箱散熱方案和散熱能力的不同，集裝箱內(nèi)部溫升將達到3～10 ℃，而對于散熱設(shè)計不良的機房，機房內(nèi)溫升將達到10 ℃。一般根據(jù)逆變器降額策略，在機房內(nèi)溫度超過50 ℃時功率就會開始下降，即應(yīng)用在超過40 ℃高溫地區(qū)時，逆變器輸出功率將無法達到滿載，嚴重影響發(fā)電量。

3)未被充分考慮的維護空間。

從運輸條件的要求來看，集裝箱式光伏逆變器必須實現(xiàn)在當(dāng)?shù)丶b箱內(nèi)部進行維護。但實際限于集裝箱的尺寸約束，以及某些廠商的逆變器本身高難度的維護要求，使得逆變器內(nèi)部部件在集裝箱內(nèi)難以維護，導(dǎo)致其本地維護工作量很大且難以進行。

在日本，集裝箱式光伏逆變器內(nèi)部設(shè)備距離柜門的寬度、逆變器等電氣設(shè)備與集裝箱內(nèi)壁之間的距離都有明確要求，目的就是要保證足夠的設(shè)備維護空間，這些在日本JIS規(guī)范里都有詳細描述。而在德國等歐洲國家，由于采用二級室外直流匯流的緣故，所以沒有直流柜在一體化機房中，空間相對要充裕很多；即便如此，還是在柜前、柜后設(shè)置了相對充裕的空間，且集裝箱門要容易拆卸，以方便后期設(shè)備維護。

縱覽目前國內(nèi)的集裝箱式光伏逆變器，普遍采用20尺標準集裝箱，甚至更小的集裝箱改造作為逆變器機房，其內(nèi)部前后空間只有2.2 m，而逆變器深度普遍達到0.8 m；逆變器前面預(yù)留1.0 m維護通道，后面就只有0.4 m維護空間。狹小的空間對于逆變器和集裝箱內(nèi)通信柜、配電箱等設(shè)備的維護將是一件很困難的事情。很難想象，如果某一臺逆變器設(shè)備損壞，需要現(xiàn)場更換較大元器件并維護時，技術(shù)工程師將是在一個多么狹小的空間中進行維護。盡管這種逆變器大故障或更換元器件的事件目前還沒怎么發(fā)生，但是從電氣設(shè)備使用壽命來說，10年是最長質(zhì)保期，10年后元器件更換是必然的。可以確信地說，10年后的運維量和運維難度將因空間太小而被加大很多。

4 總結(jié)

綜上所述，集裝箱光伏逆變器方案在運維、可靠性、散熱等方面存在諸多不足之處。其能否發(fā)揮好自身產(chǎn)品特點，很大程度上取決于環(huán)境的影響、逆變器廠家或集裝箱廠家的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)先進性，不是每一個地方都適用集裝箱式光伏逆變器，也不是每家的集裝箱式光伏逆變器都沒有問題。一般光伏電站的運營至少是20年，除了發(fā)電量外，業(yè)主在投資光伏電站上，會考慮初始建設(shè)成本，但更應(yīng)注重電站的長期壽命、安全可靠和運維總成本。如何保障20年長期的電站收益，設(shè)備選型時就必須要考慮周期內(nèi)的后期運維成本。這些問題是值得我們深思和研究的。