大型光伏電站中集中式逆變器與組串式逆變器的選擇

潘 慧

上海電力設(shè)計(jì)院新能源

大型光伏電站中集中式逆變器與組串式逆變器的選擇

潘 慧

上海電力設(shè)計(jì)院新能源

隨著光伏發(fā)電成為我國新能源發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目，光伏并網(wǎng)逆變器的研究已成為當(dāng)今熱門的研究領(lǐng)域。介紹了光伏逆變器的的功能和分類、集中式逆變器及組串式逆變器特點(diǎn)、并結(jié)合工程案例對在大型光伏電站中集中式逆變器及組串式逆變器進(jìn)行簡要分析。

大型光伏電站；光伏并網(wǎng)逆變器；集中式；組串式

在當(dāng)今的世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局下，人類對于能源的需求在不斷增長，能源的可持續(xù)發(fā)展越來越得到人們的重視。光伏并網(wǎng)逆變器是將太陽能電池所輸出的直流電轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電再并入電網(wǎng)的裝置，光伏逆變器的可靠性、高效性和安全性直接影響到整個(gè)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量及運(yùn)行穩(wěn)定性，是整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，光伏逆變器包括微網(wǎng)逆變器、集中式并網(wǎng)逆變器、小型并網(wǎng)逆變器、組串式并網(wǎng)逆變器等也在逐步發(fā)展，

1 并網(wǎng)逆變器簡介

1.1 并網(wǎng)逆變器的構(gòu)成和功能

逆變器的功率轉(zhuǎn)換部分是使用功率晶體管多次告訴切換直流并重新排序產(chǎn)生交流電?？刂蒲b置部分即控制功率轉(zhuǎn)換部分有電子電路構(gòu)成；保護(hù)裝置也由電子電路構(gòu)成，并在內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)作為安全裝置動(dòng)作。

逆變器具有以下功能。

（1）在負(fù)載和日照強(qiáng)度畫較大的情況下，逆變器均能高效運(yùn)行。

（2）日照強(qiáng)度、負(fù)載變化、環(huán)境溫度對于光伏組件的輸出功率具有很大的影響。故不管伴隨光伏組件的溫度變化和日照強(qiáng)度的變化而變化的輸出電壓、輸出電流的變化如何，逆變器始終使保持最大功率跟蹤功能，通過自生調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

（3）逆變器的輸出為正弦波電流，光伏發(fā)電系統(tǒng)回饋給電網(wǎng)的電能，必須滿足電網(wǎng)規(guī)定的性能指標(biāo)，如逆變器必須盡量減少高次諧波、輸出電流不能含有直流分量，保證電網(wǎng)可靠性。

（4）為了使電壓維持在規(guī)定范圍內(nèi)，自動(dòng)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。

1.2 并網(wǎng)逆變器的分類

1.2.1 集中式并網(wǎng)逆變器

全部光伏陣列由多個(gè)組串組成，每個(gè)組串串聯(lián)相同數(shù)量的組件，所有組串在并聯(lián)到一起給集中式逆變器供電。目前國內(nèi)生產(chǎn)的并網(wǎng)光伏逆變器分為含隔離變壓器型和無變壓器型，設(shè)備功率在50～1 000 kW之間，三相相輸出，單點(diǎn)接入電網(wǎng)。集中式逆變器原理圖見圖1。

若采用集中式逆變器，并網(wǎng)系統(tǒng)主要包括光伏組件—直流電纜—匯流箱—直流電纜—直流防雷配電柜—直流電纜—逆變器—升壓變壓器—交流配電柜和監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備，如圖2所示。

（1）集中式逆變器具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1）集中式并網(wǎng)逆變器所有的電子部件集成在一個(gè)設(shè)備中，逆變器的功率容量提高了，同時(shí)機(jī)械部分和輔助控制電路成本的份額降低，可降低單位成本。

2）逆變器采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在一個(gè)甚至多個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍可以繼續(xù)向電網(wǎng)提供電能，提高發(fā)電可靠性。

3）具有有功功率調(diào)節(jié)和低電壓穿越功能。在電網(wǎng)電壓出線瞬時(shí)跌落時(shí)，逆變器對電網(wǎng)電壓始終保證以額定電流工作模式，輸出端電壓跟隨電網(wǎng)電壓，可以再很低電壓下運(yùn)行，為電網(wǎng)盡可能打的提供電能支持，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4）逆變器安裝于獨(dú)立的逆變器室內(nèi)，在環(huán)境條件惡劣的地區(qū)，可以對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。集中逆變單元數(shù)量少，便于運(yùn)行人員檢修維護(hù)。

（2）集中式逆變器具有如下缺點(diǎn)：

1）單點(diǎn)故障對系統(tǒng)影響較為明顯，所有轉(zhuǎn)換和功率饋電過程受控于單一設(shè)備，若逆變器出現(xiàn)故障，對光伏發(fā)電量影響較大。

2）所有組串并聯(lián)在一起接入逆變器中，由一個(gè)MPPT算法控制，并且不能監(jiān)測和跟蹤每一組串的最佳電流和電壓。

3） 逆變器室占地面積大，會(huì)對光伏場內(nèi)的光伏組件有一定的遮擋，影響發(fā)電量。

圖1 集中式逆變器原理圖

圖2 集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)圖

1.2.2 組串式并網(wǎng)逆變器

目前國內(nèi)組串式逆變器的技術(shù)已經(jīng)完全成熟，設(shè)備功率分別在1～30 kW之間。多組串逆變器是混合了微網(wǎng)逆變器和集中式逆變器，即在每個(gè)支架方陣上安裝多組串式逆變器，一般采用兩個(gè)組串接入并網(wǎng)逆變器，同時(shí)，幾個(gè)并網(wǎng)逆變器輸出并聯(lián)后，通過升壓變壓器升壓至高壓電，接入電網(wǎng)，如圖3所示。

（1）組串式逆變器優(yōu)點(diǎn)

1） 組串式逆變器直流輸入電壓的匹配性好，可實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)電，提高發(fā)電量。組串式逆變器采用多核發(fā)電，縮小故障影響范圍，不需要中斷發(fā)電；采用多路MPPT，遮擋、組件失配對發(fā)電量影響小，最大功率跟蹤范圍為200～900 V，電壓跟蹤范圍寬，能夠更好的發(fā)揮出光伏組件最大功率的特性。

2） 組串式逆變器采用智能化組串監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對組件的智能管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控光伏組串的狀態(tài)，在發(fā)生異常和故障時(shí)自動(dòng)發(fā)出告警，并精確定位組串故障，縮短了維修時(shí)間，方便運(yùn)維，提高發(fā)電量，使逆變器成為電站的大腦和管家。

3） 組串式逆變器體積小、重量輕，便于運(yùn)輸和安裝，無需配置專門的逆變器室，可直接安裝于光伏支架上。在實(shí)際工程案例中可減少占地面積、簡化施工流程。

（2）組串式逆變器缺點(diǎn)

1）組串是逆變器功率期間電氣間隙小，不適合高海拔地區(qū)。

2）組串式逆變器采用戶外安裝，風(fēng)吹日曬容易導(dǎo)致外殼和散熱片老化，且在大型光伏電站中配置的數(shù)量較多、總器件數(shù)目多，降低可靠性。

3）當(dāng)超過40臺(tái)逆變器并聯(lián)后，單臺(tái)設(shè)備在額定功率下的諧波含量原高于集中式逆變器，且40臺(tái)逆變器并聯(lián)后，會(huì)在并網(wǎng)點(diǎn)在成諧波疊加問題，而且較難抑制。另外，因交流輸出側(cè)采用雙繞組變壓器，多臺(tái)設(shè)備間的環(huán)流問題嚴(yán)重。

2 方案對比

圖3 組串式逆變器原理圖

根據(jù)青海華拓新能源有限公司黃南州尖扎縣20 MW并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目，對采用集中式逆變器與組串式逆變器進(jìn)行對比，對其投資成本與發(fā)電量進(jìn)行比較。

2.1 投資成本對比

見表1、表2。

2.2 年上網(wǎng)量對比

2.2.1 集中式發(fā)電量

（1）第一年及逐年理論發(fā)電量

根據(jù)光伏組件電池組件25 a衰減率，按照分段線性衰減，第1年衰減2%，第2年至第10年，平均年衰減率0.75%/a，總衰減6.75%；第11年至第25年，平均年衰減率0.7%/a，總衰減10.5%；整個(gè)生命周期組件總衰減19.25%。并按此計(jì)算得出25 a分年發(fā)電量，詳見表3。考慮組件衰減性，第一年發(fā)電量理論計(jì)算值為3239.8×104 kWh，比年平均上網(wǎng)電量高出10.5%。

（2）年平均上網(wǎng)電量

根據(jù)以上各項(xiàng)的估算修正，得出理論年發(fā)電量總的綜合效率系數(shù)。據(jù)此估算出光伏電場的年上網(wǎng)電量及標(biāo)準(zhǔn)功率年利用小時(shí)，詳見表4。

表1 組串式解決方案

表2 集中式解決方案

表4 年平均上網(wǎng)電量及年利用小時(shí)數(shù)

2.2.2 組串式發(fā)電量

（1）第一年及逐年理論發(fā)電量

根據(jù)光伏組件電池組件25 a衰減率，按照分段線性衰減，第一年衰減2%，第二年至第十年，平均衰減率0.75%/a，總衰減6.75%；第十一年至第二十五，平均衰減率0.7%/a，總衰減10.5%；整個(gè)生命周期組件總衰減19.25%。并按此計(jì)算得出25 a分年發(fā)電量，詳見表5?？紤]組件衰減性，第一年發(fā)電量理論計(jì)算值為3428.8×104 kWh，比年平均上網(wǎng)電量高出10.5%。

表3 25年分年發(fā)電量及利用小時(shí)數(shù)

表5 25 a分年發(fā)電量及利用小時(shí)數(shù)

（2）年平均上網(wǎng)電量

根據(jù)以上各項(xiàng)的估算修正，得出理論年發(fā)電量總的綜合效率系數(shù)。據(jù)此估算出光伏電場的年上網(wǎng)電量及標(biāo)準(zhǔn)功率年利用小時(shí)，詳見表6。

表6 年平均上網(wǎng)電量及年利用小時(shí)數(shù)

2.3 結(jié)論

通過上述分析，在相同20 MW并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目比較，發(fā)現(xiàn)集中式方案比組串式方案初始投資更低。但在電站25 a生命周期內(nèi)，組串式年平均發(fā)電量較集中式有明顯提高。但組串式更能有效解決光伏電站售后交付和運(yùn)維中長期存在的煩惱，組串式解決方案無論在初期運(yùn)維還是后期運(yùn)維上，都有著明顯優(yōu)勢。組串式解決方案通過精細(xì)化管理和智能化管理，顯著提高了電站建設(shè)和運(yùn)維水平。

3 結(jié)語

在大型地面電站的投資中，我們不僅要考慮電站的初始投資，還需要關(guān)注運(yùn)維的總成本及采用更先進(jìn)的設(shè)備更優(yōu)化的方案，使電站發(fā)電量得到提高，是未來電站的發(fā)展趨勢。目前，集中式逆變器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地廣人稀的沙漠、戈壁地帶的光伏電站中，在我國市場上占據(jù)了主導(dǎo)地位。但組串式逆變器構(gòu)成的逆變系統(tǒng)雖然從初期設(shè)備投入略高，但從系統(tǒng)成本及長期運(yùn)營角度，投資回報(bào)率略高。隨著國內(nèi)光伏市場的發(fā)展，在未來大型光伏電站的建設(shè)中，組串式逆變器的應(yīng)用會(huì)是一種趨勢。

[1] （日）太陽能發(fā)電協(xié)會(huì)；劉樹民，宏偉譯.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

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

[3]楊秀緣，劉小河，張芳，等.大型太陽能并網(wǎng)發(fā)電模型及應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，（z1）

[4]魯陳維，沈輝，鄧幼俊，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器技術(shù)應(yīng)用及展望[J].電力電子技術(shù)，2006，（4）.

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Centralized Inverter and Series Inverter Selection in Large PV Power Plant

Pan Hui
Shanghai Electrical Power Design Institute New Energy

With PV power generation as key project in our country’s renewable energy development, research on photovoltaic grid connected inverter has become a hot study field. The article introduces functions and classification of PV inverter and characteristics of centralized inverter and series inverter with engineering case studies analysis on centralized inverter and series inverter selection in large PV power plant.

Large PV Power Plant, Photovoltaic Grid Connected Inverter, Centralized Inverter, Series Inverter

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.01.006