組串式逆變器在大型并網(wǎng)電站中應用的經(jīng)濟可行性

王 亮

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

組串式逆變器在大型并網(wǎng)電站中應用的經(jīng)濟可行性

王 亮

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

逆變器是光伏電站的核心設(shè)備，它的選用對投資收益有重要的影響。本文通過對比組串式和集中式逆變器系統(tǒng)在投資成本、發(fā)電收益和維修成本上的差異，得出組串式逆變器在大型光伏電站中應用更具有經(jīng)濟可行性的結(jié)論。

太陽能； 組串式逆變器； 集中式逆變器系統(tǒng)； 經(jīng)濟可行性

太陽能不僅是儲量最豐富且可以持續(xù)利用的能源，而且其無污染，是解決環(huán)境問題和能源危機的必由之路。根據(jù)預測，太陽能發(fā)電在本世紀中葉會逐步成為能源結(jié)構(gòu)的主體[1]。中國出臺光伏發(fā)電上網(wǎng)電價政策并調(diào)高“十二五”光伏發(fā)電發(fā)展目標，使光伏發(fā)電在未來能源供應中占有一席之地。對光伏發(fā)電進行技術(shù)經(jīng)濟分析及發(fā)展趨勢研判，有利于促進光伏發(fā)電合理健康發(fā)展。截至2013年年底，中國并網(wǎng)光伏發(fā)電裝機容量達到近14.79 GW[2]?！疤岣咝?，降低成本”是光伏電站的未來之路。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵配件，逆變器作用是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。逆變器的選擇對于提高系統(tǒng)的效率、可靠性，提高系統(tǒng)的壽命、降低成本至關(guān)重要。目前國內(nèi)的大型地面電站幾乎全部采用集中式逆變器，主要原因是其設(shè)備價格較低，有助于降低投資成本。然而電站運營后，運營商會發(fā)現(xiàn)集中式逆變器在提高發(fā)電量方面存在很多弊端，在運營成本上也不具有優(yōu)勢，不利于實現(xiàn)光伏電站的全壽命周期價值最大化。

1 國內(nèi)光伏并網(wǎng)逆變器的應用情況及存在的問題

光伏并網(wǎng)逆變器主要包括集中式逆變器、組串式逆變器、微型逆變器等。集中式逆變器功率范圍從100～1 000 kW; 組串式逆變器功率范圍從3～50 kW;微型逆變器功率范圍從200～500 W。在國內(nèi)，組串式逆變器和微型逆變器主要應用于分布式光伏電站。集中式并網(wǎng)逆變器主要應用于大型光伏電站，是目前國內(nèi)光伏逆變器市場的主流產(chǎn)品，占據(jù)著主導地位。但隨著技術(shù)日趨成熟和商業(yè)化應用的不斷發(fā)展，集中式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)存在的問題也逐漸引起了關(guān)注：

(1)可靠性低。集中式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是整個系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)也是薄弱環(huán)節(jié)，單臺逆變器的故障會導致整個系統(tǒng)的崩潰。

(2)MPPT跟蹤效率低。雖然大多數(shù)集中式逆變器生產(chǎn)廠商宣稱跟蹤效率可以達到98.7%，事實上，由于其MPPT跟蹤針對的是整個光伏陣列，無法兼顧到每塊光伏組件，由于組串間模塊差異、局部遮擋等因素引起的功率損失是十分可觀的。

(3)系統(tǒng)可擴展性差。集中式系統(tǒng)的特點決定了其系統(tǒng)可擴展性較差。

相比之下，組串式逆變器能更好的與光伏組件匹配，有助于提高發(fā)電量和降低運營成本。近年來組串式逆變器價格的大幅下降使其在大型光伏電站的應用具有經(jīng)濟可行性，有利于實現(xiàn)電站投資價值最大化。

2 組串式和集中式逆變器系統(tǒng)的投資和收益對比

2.1 組串式逆變器系統(tǒng)節(jié)省土地和工期

采用組串式逆變器將會減少逆變器室、匯流箱、直流柜、交流配電箱、通訊柜等設(shè)備；增加部分為逆變器的購置費的價差等。從表1可以看出：1 MW陣列采用組串式逆變器系統(tǒng)比集中式減少投資2.5萬元。集中式逆變器系統(tǒng)平均每個逆變器室占地約1畝。由于沒有逆變器室，可以減少土地占用。逆變室土建工程的工期大約為30天，由于沒有逆變器室土建工程和匯流箱、直流柜等安裝工程，將減少大量的施工時間，節(jié)省工期。

2.2 組串式逆變器的發(fā)電收益高

(1)啟動電壓低，與直流輸入電壓的匹配性好，發(fā)電量高。例如：某品牌500 kW逆變器的啟動電壓為520 V,MPPT電壓范圍為500～850 V；同品牌30 kW逆變器的啟動電壓為300 V,MPPT電壓范圍為280～950 V?？梢钥闯觯航M串式逆變器較集中式并網(wǎng)逆變器的啟動低壓低，電壓跟蹤范圍寬，能夠更好的發(fā)揮出組件最大功率的特性，在弱光和強光的情況下均能實現(xiàn)高效率發(fā)電，從而獲得更大的發(fā)電量。

(2)組串匹配性好。一般來說，小功率逆變器的效率較低，特別是與集中式并網(wǎng)逆變器比較。組串式逆變器的歐洲效率一般在98%左右，大型并網(wǎng)逆變器的歐洲效率在98.5%左右。0.5%的差距可以通過提高組串的不匹配性來彌補。500 kW逆變器只有1個MPPT;30 kW逆變器有2個MPPT。500 kW的陣列需要安裝約16臺30 kW的逆變器，可以獲得32個MPPT。多MPPT可以有效的減少組串匹配損失，帶來額外高的發(fā)電量收益。集中式并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)組串匹配損失在6%左右，組串式逆變器系統(tǒng)組串匹配損失在3%左右。采用組串式逆變器可以減少組串匹配損失，提高發(fā)電量。

表1 1 MW陣列集中式和組串式投資逆變器系統(tǒng)投資費用差異對比表 單位：萬元

注：土地按照劃撥方式取得計算，土地補償和場地平整費按5 000元/畝計算；逆變器采購費分別按照市場上某品牌集中式500 kW和組串式30 kW產(chǎn)品售價計算。

(3)更適應組件衰減不一致的現(xiàn)象。由于晶硅體組件衰減情況不一致，少量組件衰減較嚴重，5年左右系統(tǒng)的不一致性將可能達到8%～10%。如果采用集中式逆變器方案，其發(fā)電量將嚴重損失；采用組串式逆變器能將少量衰減嚴重的組件對系統(tǒng)的影響控制在較小的范圍內(nèi)，減少發(fā)電量的損失。

(4)減少了匯流箱和直流柜，組串直接連接到逆變器，直流回路的線損減少，有利于提高發(fā)電量。組串式逆變器系統(tǒng)的低壓電纜的電量損失只有集中式的40%。

(5)適應了光伏組件單體功率不斷增長的趨勢，便于更換組件，實現(xiàn)系統(tǒng)升級，高效發(fā)電。在組件發(fā)生故障時，可小范圍內(nèi)實現(xiàn)更換高效組件，使其高效發(fā)電。常用規(guī)格多晶硅組件功率從2009年的230 Wp增長到現(xiàn)在的255 Wp。由于組串的“木桶效應”，更換單個235 Wp組件為255 Wp組件時，新組件的功率受舊組件限制，必須更換500 kW逆變器下的所有組件為新組件才能實現(xiàn)系統(tǒng)高效發(fā)電。30 kW逆變器通常含有兩個MMP,只需要更換15 kW的組件，就能實現(xiàn)新組件高效發(fā)電。因此，采用組串式逆變器在系統(tǒng)擴展方面具有優(yōu)勢，有利于系統(tǒng)高效發(fā)電。

2.3 組串式逆變器的運營成本低

(1)集中式逆變器的功率密度高，對散熱系統(tǒng)的要求高，故障率相對高；組串式逆變器的功率密度低，故障率較低。此外，沒有故障率較高的匯流箱，以及直流柜、通訊柜等設(shè)備，減少了故障環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此，組串式逆變器系統(tǒng)的故障率會大大降低，減少了維修和設(shè)備更換成本。

(2)減少光伏電站故障發(fā)生面積。大型集中式逆變器一般單體容量大，比如：1臺500 kW逆變器發(fā)生故障，則造成500 kW的系統(tǒng)停止發(fā)電，造成大的損失。但是，采用組串式逆變器后，如果1臺30 kW逆變器發(fā)生故障，則僅僅只有30 kW的系統(tǒng)停止發(fā)電，對于發(fā)電企業(yè)來說，損失較小，從而保證了系統(tǒng)整體的發(fā)電量。

(3)不需要強制排風設(shè)備，并且自耗電量低，減少電費支出。

(4)組串式逆變器發(fā)生故障時，維修都相對容易，對維修人員的技能要求低，能迅速處理故障。通常更換組串式逆變器僅需要2 h左右。集中式逆變器需要專業(yè)維修人員維修，部分配件需要制造廠商供應。集中式逆變器維修通常需要2～10天，單臺設(shè)備停運對系統(tǒng)發(fā)電量影響大。

3 組串式逆變器系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性分析

實際投入運行的集中式逆變器系統(tǒng)的系統(tǒng)效率在79%左右；組串式逆變器系統(tǒng)的系統(tǒng)效率在82%左右，相差3%[3]。假設(shè)我國西部某采用集中式逆變器的10 MW光伏電站年發(fā)電量為1 400萬kW·h,如選用組串式逆變器可年多發(fā)電53萬kW·h。按照電價0.9元/kW·h計，每年增加收入約47.7萬元，運營期25年可增加收入1 192.5萬元。根據(jù)測算，按照8.76元/W的建設(shè)成本，貸款70%,貸款利率6.55%,Ⅱ類地區(qū)年發(fā)電利用小時數(shù)為1 400 h，集中式逆變器系統(tǒng)電站的內(nèi)部收益率(IRR)為11.24%，組串式逆變器系統(tǒng)電站內(nèi)部收益率(IRR)為12.54%。采用組串式逆變器可以為投資者提升IRR達1.3個百分點。

4 結(jié)論

組串型逆變器構(gòu)成的逆變系統(tǒng)初期設(shè)備投入略高一些，但是從系統(tǒng)成本及長期運營角度看，總成本低，投資回報率高。目前，國內(nèi)市場中集中型逆變器占了絕大部分市場份額，而從全球市場來看，由于組串式逆變器的諸多優(yōu)點，組串式逆變器在全球市場占據(jù)主導地位。隨著國內(nèi)光伏市場的發(fā)展，投資商和運營商對逆變轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電量及整個逆變系統(tǒng)可靠性的要求會越來越高，考慮電站使用后的投資回報率，組串型逆變器在大型并網(wǎng)電站中的應用將會是趨勢。

[1] 王丹.光伏發(fā)電系統(tǒng)效率優(yōu)化問題的研究[D].北京交通大學,2009.

[2] 國家能源局. 2013年全國發(fā)電裝機平穩(wěn)較快增長、結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化[EB/OL]. www.nea.gov.cn/2014-02/10/c_133103837.htm.

[3] 羅宇飛，孫韻琳，陳開漢，等.并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣效率研究[C].第12界中國光伏大會暨國際光伏展覽會論文(光伏系統(tǒng)及工程、系統(tǒng)部件及并網(wǎng)技術(shù))

Economic Feasibility of String Inverter Applied in Large-scale PV Power Substations

WANG Liang

Inverter is a key device for PV power substations, and the inverter selection has a great impact on investment returns. This paper compares the differences of string inverter and central-inverter system in investment costs, power generating revenue and maintenance costs, and concludes that the string inverter is more economic and feasible than the central inverter when used in large-scale PV power substations.

solar energy; string inverter; central inverter; economic feasibility

2013-03-01

王亮(1974—)，貴州石阡人，大學本科，注冊造價工程師，從事費控經(jīng)理工作。

TK51

A

1008-5122(2014)03-0056-03