基于組串逆變器的漁光互補(bǔ)光伏電站設(shè)計(jì)方案

張 睿，王 鵬，譚 晉，張 聰

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)新能源有限公司，北京 100120；2.華為技術(shù)有限公司，北京 100102)

基于組串逆變器的漁光互補(bǔ)光伏電站設(shè)計(jì)方案

張 睿1，王 鵬1，譚 晉1，張 聰2

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)新能源有限公司，北京 100120；2.華為技術(shù)有限公司，北京 100102)

本文針對(duì)漁光互補(bǔ)并網(wǎng)光伏電站的特點(diǎn),主要在光伏并網(wǎng)逆變器選擇和通訊方式方面對(duì)傳統(tǒng)光伏電站的光伏發(fā)電部分進(jìn)行設(shè)計(jì)改造和升級(jí)，提出了基于組串式逆變器的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了投資成本分析。指出基于組串式逆變器的設(shè)計(jì)方案具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，值得推廣。

并網(wǎng)光伏電站；漁光互補(bǔ)；組串式逆變器；集中式逆變器。

光伏發(fā)電作為可再生能源的重要組成部分，由于具備直接利用效率高、可持續(xù)發(fā)展、綠色無(wú)污染、可靈活部署等優(yōu)點(diǎn)，在能源供給體系里占有越來(lái)越重要的位置，正持續(xù)向上快速發(fā)展。2014年，全國(guó)新增并網(wǎng)光伏發(fā)電容量1060萬(wàn)kW，約占全球新增容量的1/5。根據(jù)國(guó)家能源局[2015]73號(hào)文件，2015年全國(guó)新增光伏電站規(guī)模為1780萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)78%。光伏行業(yè)存在巨大潛力和發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：

(1)電站場(chǎng)景復(fù)雜，缺乏有效的發(fā)電量綜合考慮。

(2)目前光伏發(fā)電成本相比化石能源等偏高。

(3)數(shù)據(jù)精度低，管理系統(tǒng)落后，無(wú)法支撐集團(tuán)規(guī)模運(yùn)營(yíng)。

1 漁光互補(bǔ)光伏電站的特點(diǎn)

漁光互補(bǔ)光伏電站由于其科學(xué)利用土地、水上發(fā)電、水下養(yǎng)殖，充分發(fā)揮土地效益，受到了越來(lái)越多的青睞。與傳統(tǒng)大型地面光伏電站相比，漁光互補(bǔ)以及灘涂電站，由于濕度大，溫度高，場(chǎng)景復(fù)雜，存在種種挑戰(zhàn)。

(1)人員財(cái)產(chǎn)安全

員工在水中作業(yè)，魚(yú)塘中養(yǎng)殖著魚(yú)蝦，但銹蝕的電纜保護(hù)層隨時(shí)可能將1000 V高壓直流導(dǎo)入水中，嚴(yán)重危及員工生命安全。

(2)濕度大，組件PID衰減更嚴(yán)重

漁光互補(bǔ)電站中電池組件一直處于高溫高濕環(huán)境下工作，相對(duì)更易出現(xiàn)PID衰減。經(jīng)檢測(cè)，某10 MW漁光互補(bǔ)電站，運(yùn)行2年左右，部分組件功率衰減達(dá)10%左右。

(3)地形不規(guī)整，面積一致性差

漁光互補(bǔ)電站一般依照原有魚(yú)塘地形建造，地形不規(guī)整且面積一致性差，子陣規(guī)模大小不等；

(4)如何保障高可靠的監(jiān)控通訊，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確定位故障及消除安全隱患；傳統(tǒng)方案直流匯流箱RS485通訊線與直流線纜共線槽走線，通訊故障時(shí)有發(fā)生，且由于檢修排查困難，一直無(wú)法修復(fù)，電站故障及安全風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法監(jiān)控。

2 并網(wǎng)逆變器的選擇

逆變器也稱逆變電源，是將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能的變流裝置。逆變器是光伏電站的關(guān)鍵設(shè)備，它的選擇對(duì)于提高系統(tǒng)效率、可靠性，提高系統(tǒng)的壽命、降低成本至關(guān)重要。目前市場(chǎng)上應(yīng)用于大型并網(wǎng)光伏逆變器的產(chǎn)品主要有兩種主流的發(fā)展方向：一種是集中式逆變器，一種是組串式逆變器。目前，集中式逆變器在國(guó)內(nèi)大規(guī)模并網(wǎng)光伏電站中應(yīng)用較廣泛，而組串式逆變器在國(guó)際市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.1 集中式逆變器

集中式逆變器的規(guī)格以單機(jī)500 kW為主要產(chǎn)品，隨著技術(shù)的更新也出現(xiàn)了1 MW的并網(wǎng)逆變器及一體化機(jī)房。集中型逆變器一般采用單路最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)跟蹤，組件串經(jīng)直流匯流后接入并網(wǎng)逆變器。采用集中型逆變器后，每個(gè)組串至逆變器的路徑有一定差異，組串間由于遮擋情況和衰減不同，使得壓降和線路損耗不同，因此集中式逆變器側(cè)的直流母線電壓側(cè)其實(shí)不能真實(shí)的反應(yīng)每個(gè)組串的電壓。實(shí)際上，這種方式并不能跟蹤到整個(gè)1 MWp子方陣的最大功率點(diǎn)。其次，單臺(tái)500 kW逆變器的故障會(huì)使1 MW子陣損失50%的發(fā)電量。

2.2 組串式逆變器

組串式逆變器是基于模塊化的概念，以組串為單位，即把光伏方陣中每個(gè)光伏組串輸入到一臺(tái)指定的逆變器中，多個(gè)光伏組串和逆變器又模塊化地組合在一起，所有逆變器在交流輸出端并聯(lián)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是采用多路MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)方案，因此可以跟蹤到每個(gè)組串的最大功率點(diǎn)。組串式逆變器應(yīng)用于漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下優(yōu)勢(shì)，不僅降低了系統(tǒng)成本，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

(1)更高效發(fā)電

在魚(yú)塘項(xiàng)目中，水面對(duì)日光的反射、云層遮擋、灰塵等異物遮擋、組件故障等均會(huì)造成組件間發(fā)電量失配。多路MPPT能分別追蹤每(兩)串組件的最大功率，基本消除了組串失配的影響，有效提升發(fā)電量。圖1中，由于各種原因的影響各組串的最大功率點(diǎn)會(huì)位于不同的電壓下，如P1，P2，P3…… 集中式逆變器會(huì)選取一個(gè)總值最大點(diǎn)(P點(diǎn))作為所有組串的工作電壓，但P點(diǎn)和各組串的最大功率點(diǎn)Pn都不是同一個(gè)電壓，即P1+P2+P3＞P。而組串式逆變器就能分別跟蹤各組串的最大功率，實(shí)際輸出Pout= P1+P2+P3。

圖1 組串P－V曲線

由于不受組串間光伏電池組件性能差異和局部遮影的影響，可以處理不同朝向和不同型號(hào)的光伏組件，也可以避免部分光伏組件上有陰影時(shí)造成巨大的電量損失。隨著電站的運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，組件不適配、衰減、虛接等原因，組件個(gè)體差異不斷增大，組件的精細(xì)化管理優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯，組串式逆變器發(fā)電量提升將會(huì)更加明顯。

(2)更簡(jiǎn)潔、安全、可靠

采用組串式逆變器，可以省去直流匯流箱和直流配電柜，組串直接連接到逆變器，節(jié)省了大量的直流電纜，減少了直流回路的線損，而且使光伏發(fā)電系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔和靈活。

其次，魚(yú)塘環(huán)境濕度較大，組件的PID衰減更加嚴(yán)重。組串式逆變器可自動(dòng)檢測(cè)組件電勢(shì)，主動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)工作電壓，采用虛擬接地技術(shù)，保證負(fù)極對(duì)地正偏壓，有效規(guī)避了PID效應(yīng)。逆變器內(nèi)置高精度RCD(殘余電流檢測(cè))保護(hù)電路，能在檢測(cè)到漏電流大于30mA的情況下，150 ms內(nèi)切斷電路，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)安全。

(3)并網(wǎng)濾波器性能與諧波抵消能力

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(qiáng)、受并網(wǎng)阻抗影響小的優(yōu)點(diǎn)。另外，1個(gè)方陣多臺(tái)組串式逆變器距離升壓變壓器距離不一樣，線路阻抗會(huì)有差異。線路阻抗會(huì)等效改變并網(wǎng)LCL濾波器中L2的電感，不同的濾波器參數(shù)會(huì)改變諧波的相位。當(dāng)多臺(tái)組串式逆變器并聯(lián)工作時(shí)，諧波成分將會(huì)由于相位的差異而部分相互低消，降低系統(tǒng)整體的諧波值。

3 通訊方案設(shè)計(jì)

3.1 光伏子陣內(nèi)通訊方案設(shè)計(jì)

(1)傳統(tǒng)光伏電站的設(shè)計(jì)中，光伏子陣內(nèi)匯流箱、箱變及逆變器的信息通過(guò)在子陣內(nèi)敷設(shè)RS485通訊線接入到數(shù)據(jù)采集器，然后數(shù)據(jù)采集器通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)與中控室進(jìn)行通訊。

(2)本文設(shè)計(jì)方案中，在光伏子陣內(nèi)，逆變器直接將通訊信號(hào)注入到電力線(A，B，C)3相線中，通過(guò)集電線路來(lái)傳輸逆變器等設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，無(wú)需單獨(dú)敷設(shè)RS485通訊線。在靠近箱變側(cè)放置1個(gè)PLC模塊，從箱變的交流母排取(A，B，C)3相線接入模塊，PLC模塊將信號(hào)調(diào)制解調(diào)出來(lái)只需用一小段RS485線接入到數(shù)據(jù)采集器中。數(shù)采與中控室的通訊可以通過(guò)無(wú)線LTE來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 光伏子陣內(nèi)PLC通訊組網(wǎng)圖

逆變器與數(shù)采通訊采用PLC電力載波通訊，借用交流電纜來(lái)通訊，無(wú)通訊線纜，完全解決了通訊線和電力線共線槽干擾，端子連接不良，通訊接地不好等問(wèn)題。通訊速率也從原來(lái)9.6 kbps提升到115.2 kbps。表1為RS485與PLC通訊比較。

表1 PLC與RS485通訊對(duì)比

3.2 子陣與中控室通訊方案設(shè)計(jì)

3.2.1 對(duì)通訊能力的要求

隨著光伏電站建設(shè)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，電站的飛速增長(zhǎng)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和巡檢、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)訴求進(jìn)一步增強(qiáng)，對(duì)通信能力提出了更高的要求，但采用的傳統(tǒng)光伏電站通信方法無(wú)法滿足客戶對(duì)于業(yè)務(wù)移動(dòng)的訴求，制約了光伏電站的發(fā)展。具體表現(xiàn)為：

(1)可靠通信需求

①滿足惡劣環(huán)境下的工作要求：長(zhǎng)期經(jīng)受不利的氣候條件的考驗(yàn)，如水浸、洪水與泥石流等惡劣環(huán)境下的戶外要求。

②抗干擾：在較強(qiáng)的電磁干擾(EMI)下工作。

(2)成本考慮需求

①選取合適的通信方式，可以節(jié)省大筆的建設(shè)費(fèi)用。 例如魚(yú)塘、山地等土地利用率低，范圍廣的電站。

②除了設(shè)備及建設(shè)成本外，施工難易程度和投資維護(hù)費(fèi)用是構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)的另一關(guān)鍵因素。

(3)雙向通信需求

①實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)荷控制設(shè)備是否正常，必須借助于雙向通信。

②故障區(qū)段隔離和恢復(fù)正常區(qū)域供電的功能，必須要有雙向通信能力的信道。

3.2.2 無(wú)線寬帶集群方案的優(yōu)勢(shì)

(4)運(yùn)維方便需求

①通信網(wǎng)絡(luò)要便于管理，能維護(hù)網(wǎng)絡(luò)流量，優(yōu)先級(jí)等，系統(tǒng)能遠(yuǎn)程升級(jí)。

②網(wǎng)絡(luò)故障能迅速發(fā)現(xiàn)與排除。

針對(duì)這些更高的需求，無(wú)線寬帶集群方案可以為光伏電站提供一個(gè)更加便捷和穩(wěn)定的通道，其優(yōu)勢(shì)在于：

(1)快速部署，減少工作量

主要設(shè)備集中放置在中控室內(nèi)，光伏子陣只需要安裝一個(gè)CPE終端(240 mm×200 mm ×60 mm)，建設(shè)時(shí)無(wú)需挖溝埋光纜，整個(gè)工期可在在2周內(nèi)完成(100 MW電站為例)；

(2)維護(hù)簡(jiǎn)單

整體網(wǎng)絡(luò)更扁平化，簡(jiǎn)單化，設(shè)備集中放置方便操作和維護(hù)。終端IP65防護(hù)等級(jí)，可靠性高，利用無(wú)線網(wǎng)管可以對(duì)端到端設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，減少設(shè)因設(shè)備故障造成的通信中斷時(shí)間；

(3)可靠安全

LTE無(wú)線端到端傳輸時(shí)延＜50 ms，電信級(jí)設(shè)備安全可靠率達(dá)到99.999%。

在傳統(tǒng)光伏電站設(shè)計(jì)中，子陣與中控室通訊主要通過(guò)光纖通訊完成。在漁光互補(bǔ)電站中，子陣間的光纜施工不如地面電站方便，其次，電站投產(chǎn)后，池塘注滿水，檢修和維護(hù)也比較困難，出現(xiàn)故障無(wú)法快速定位，恢復(fù)正常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)。

隨著無(wú)線通訊的越來(lái)越穩(wěn)定，高速，特別是LTE推出后，移動(dòng)通訊已經(jīng)成為了一種趨勢(shì)。在漁光互補(bǔ)光伏電站中，使用無(wú)線LTE來(lái)取代光纖環(huán)網(wǎng)通訊具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

4 組串式逆變器與集中式方案比較

對(duì)于漁光互補(bǔ)光伏電站，采用基于組串式逆變器設(shè)計(jì)方案較集中式常規(guī)設(shè)計(jì)方案在技術(shù)方面更有優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表2。

表2 組串式與集中式常規(guī)設(shè)計(jì)方案技術(shù)對(duì)比

5 投資成本分析

并網(wǎng)光伏電站的主要發(fā)電設(shè)備為電池組件、逆變器、升壓箱變等。施工主要包括平整土地、打樁、支架安裝、安裝組件、安裝設(shè)備、布線、逆變器室建設(shè)等方面。

本文選取在某大型漁光互補(bǔ)光伏國(guó)內(nèi)知名品牌廠商的傳統(tǒng)1 MW集裝箱式逆變器和組串式逆變器方案進(jìn)行建設(shè)成本(不計(jì)入相同部分，如組件等)的比較，見(jiàn)表3和表4。目前的市場(chǎng)價(jià)格集裝箱式逆變器在0.35元/W左右，組串式在0.45元/W左右。集中式逆變器選擇沿路放置，組串式逆變器選擇組件下方支架抱柱安裝。

表3 1 MWp光伏電站采用集中式逆變器方案

表4 1 MWp光伏電站采用組串式逆變器方案

從表3、表4可以看出，使用組串式逆變器方案要比使用集中式總體造價(jià)節(jié)約0.01元/W?？紤]各種實(shí)際布局因素，兩種方案初始投資成本基本持平。

6 結(jié)論

在漁光互補(bǔ)并網(wǎng)光伏電站建設(shè)中，采用基于組串式逆變器的設(shè)計(jì)方案，在不增加初始投資的情況下，提升了系統(tǒng)的發(fā)電量，提高了維護(hù)效率、增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性，更好地解決了漁光互補(bǔ)項(xiàng)目面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。綜合投入與產(chǎn)出，該方案將為投資方帶來(lái)更低的平準(zhǔn)化發(fā)電成本(Levelized Cost of Electricity，LCOE)，值得推廣。

[1]王亮．組串式逆變器在大型并網(wǎng)電站中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性[J]．有色冶金節(jié)能，2014，(3)．

[2]許映童．以數(shù)字信息技術(shù)助力打造智能光伏電站[J]．太陽(yáng)能，2014，(8)．

[3]王艷國(guó)．淺談組串式逆變器的歷史及認(rèn)識(shí)的誤區(qū)[J]．太陽(yáng)能，2014，(8)．

[4]石定寰．智能光伏引領(lǐng)行業(yè)實(shí)踐“互聯(lián)網(wǎng)+”[N]．中國(guó)能源報(bào)，2015－4－27(21)．

Design Scheme of the Photovoltaic Power Station with Fishing Light Complementation Based on the String Inverter

ZHANG Rui1, WANG Peng1, TAN Jin1, ZHANG Cong2
(1. New Energy Sources Co., Ltd of China Power Engineering Consulting Group, Beijing 100120, China; 2. Hua Wei Technologies Co., Ltd., Beijing 100102, China)

According to the characteristics of the fishpond-PV station, this paper has upgraded the photovoltaic generation part of the traditional PV-power station mainly in PV grid-connected inverter selection and communication mode.The solution based on the string inverter is put forward and the investment cost is analyzed. It is pointed out that the design scheme based on the string inverter has good technical economic value and is worth promoting.

Grid-connected PV power station; fishpond-PV; string inverter; centralized inverter.

TM615

B

1671-9913(2016)04-0065-06

2015-09-15

張睿(1981- )，女，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，工程師，主要從事新能源發(fā)電設(shè)計(jì)工作。