分布式光伏電站逆變器選擇與應(yīng)用

王 天 方

(寧波市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 浙江 寧波 315000)

0 引 言

隨著綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的貫徹,應(yīng)用分布式光伏發(fā)電作為可再生能源的項(xiàng)目越來越多[1-2]。不少設(shè)計(jì)人員對(duì)相關(guān)設(shè)備的選型及應(yīng)用尚不太了解,而相關(guān)的圖集對(duì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)還不夠詳盡、準(zhǔn)確。本文介紹光伏系統(tǒng)中逆變器的選擇與應(yīng)用。

1 逆變器的類型選擇

目前,市面上常見的逆變器種類包括集中式逆變器、組串式逆變器以及微型逆變器,其中微型逆變器由于其經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用場(chǎng)景的限制,一般很少采用[3-4]。集中式逆變器一般輸出功率為500～630 kW,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用DC-AC一級(jí)變換,再加工頻隔離變壓器的方式,防護(hù)等級(jí)一般為IP65,體積較大,采用室內(nèi)立式安裝。

集中式逆變器主要優(yōu)點(diǎn)是單位功率的成本相對(duì)較低,逆變器數(shù)量少,便于集中管理。主要缺點(diǎn)是其直流部分系統(tǒng)較復(fù)雜,而直流設(shè)備造價(jià)相對(duì)較高,監(jiān)控及管理不便,且故障率高;最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)電壓范圍窄,一般為450～820 V,組件配置不靈活,啟動(dòng)電壓較高,導(dǎo)致發(fā)電時(shí)間較短;發(fā)熱較大,需要強(qiáng)制風(fēng)冷,自身耗電較大;MPPT數(shù)量少,整體發(fā)電效率相對(duì)低。

組串式逆變器一般輸出功率為3～70 kW,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用DC-DC-BOOST升壓和DC-AC全橋逆變兩級(jí)變換,防護(hù)等級(jí)一般為IP65,體積較小,可以在室外就地安裝。

組串式逆變器主要優(yōu)點(diǎn)是不需要直流匯流箱和直流配電柜,直流部分簡(jiǎn)單;MPPT電壓范圍寬,一般為250～850 V,組件配置更為靈活,啟動(dòng)電壓較低,從而發(fā)電時(shí)間較長(zhǎng);體積小,重量輕,運(yùn)輸和安裝方便;自耗電低,故障影響小,更換維護(hù)方便;MPPT數(shù)量多,不受組串間模塊差異和陰影遮擋的影響,同時(shí)減少光伏電池組件最佳工作點(diǎn)與逆變器不匹配的情況,最大程度增加發(fā)電量。主要缺點(diǎn)是單位功率的成本相對(duì)較高;多個(gè)逆變器并聯(lián)時(shí),總諧波高,單臺(tái)逆變器電流畸變率可以控制到2%以下,但如果超過40臺(tái)逆變器并聯(lián)時(shí),總諧波會(huì)疊加,且較難抑制。

分布式光伏電站建設(shè)中,一般單個(gè)屋面或多個(gè)屋面組合的光伏組件裝機(jī)容量很難達(dá)到集中式逆變器的輸出容量,且不同屋面或同一屋面組件的朝向、傾角、組串?dāng)?shù)量等參數(shù)往往很難達(dá)到完全一致,采用組串式逆變器能更好地發(fā)揮所有組串的最佳發(fā)電效率。另外,并網(wǎng)專用逆變器室也是限制集中式逆變器使用的條件之一。根據(jù)上述優(yōu)缺點(diǎn),集中式逆變器一般用于日照均勻的大型廠房、荒漠電站、地面電站等大型發(fā)電系統(tǒng)中,系統(tǒng)總功率大,一般是兆瓦級(jí)以上。

2 逆變器應(yīng)用

2.1 電氣參數(shù)

以下就組串式逆變器樣本中提供的基本參數(shù)來分析實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

(1) 功率。一般逆變器型號(hào)表示的是逆變器的輸出功率,而逆變器的直流輸入功率一般都會(huì)超過其輸出功率的5%～20%。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]第6.1.4條,逆變器允許的最大直流輸入功率不應(yīng)小于其對(duì)應(yīng)的光伏方陣的實(shí)際最大直流輸出功率。錦浪公司GCI-30K型逆變器輸出功率為30 kW,而直流輸入功率可達(dá)34 kW,當(dāng)某項(xiàng)目光伏裝機(jī)容量超過30 kW而小于34 kW時(shí),選用1臺(tái)30 kW的逆變器已能滿足要求。目前,0.4 kV電壓等級(jí)并網(wǎng)的逆變器,單臺(tái)輸出功率已達(dá)到60 kW。

(2) 電壓。對(duì)直流輸入電壓和交流輸出電壓討論。目前,部分逆變器的最大輸入電壓已達(dá)1 100 V,MPPT電壓范圍可達(dá)200～1 000 V,意味著在同一組串內(nèi)可以接入更多的組件,接線靈活性更好。組串式逆變器的交流輸出電壓分兩種,一種是304～460 V,應(yīng)用于低壓并網(wǎng)項(xiàng)目中;另一種電壓范圍為384～576 V,應(yīng)用于中壓并網(wǎng)項(xiàng)目,輸出功率為40～70 kW,交流側(cè)經(jīng)匯流后接入升壓變壓器。注意的是,并網(wǎng)電壓等級(jí)為10 kV的光伏升壓變壓器,當(dāng)所接逆變器為組串式逆變器時(shí),其二次側(cè)電壓一般為480 V,而當(dāng)所接逆變器為集中式逆變器時(shí),其二次側(cè)電壓一般為315 V,且一般選擇二次側(cè)為雙分裂繞組的升壓變壓器。

(3) MPPT。MPPT數(shù)量越多,跟蹤性能越好,目前市面上20 kW以上的組串式逆變器的MPPT數(shù)量一般為3～4個(gè)。

(4) 功率因數(shù)。一般逆變器的輸出功率因數(shù)在0.8(超前)～0.8(滯后)可調(diào),實(shí)際計(jì)算電流時(shí)建議按0.95考慮。

(5)工作環(huán)境溫度。一般工作環(huán)境溫度為-25～60 ℃。根據(jù)GB 50797—2012中第6.4.2條,工作溫度在計(jì)算組串?dāng)?shù)量時(shí)會(huì)用到,由于組件的工作溫度一般在-40～85 ℃,其范圍寬于逆變器,故計(jì)算溫度一般以逆變器為準(zhǔn)。注意的是,根據(jù)GB 50797—2012中第6.4.2條中公式計(jì)算組串?dāng)?shù)量時(shí),溫度范圍取值應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際氣候條件來確定,以寧波地區(qū)為例,其全年最低溫度不會(huì)達(dá)到逆變器的最低溫度,如按照-25 ℃來計(jì)算就過于極端,建議按照當(dāng)?shù)氐哪曜畹蜌鉁貋砣?。根?jù)實(shí)際計(jì)算可得,按當(dāng)?shù)氐哪曜畹蜌鉁剡M(jìn)行計(jì)算,比按逆變器工作溫度計(jì)算,最大組串?dāng)?shù)量往往可增加1～2塊。

2.2 接線設(shè)計(jì)

組串式逆變器的直流部分接線有如下方面需要注意:

(1) 接入同一MPPT的組串,須在電氣參數(shù)上保持一致。這就要求在這些組串內(nèi)不僅是組件的選型要一致,而且朝向(平屋面分水線的南北坡也屬不同朝向)、傾角、組串?dāng)?shù)量都要一致,才能使所有組件的工作電壓接近于一致。

(2) 接入不同MPPT的組串,允許在電氣參數(shù)上有所不同,包括允許采用不同型號(hào)規(guī)格的組件。而一般在同一項(xiàng)目中,所有組件均是采用同一規(guī)格型號(hào),在實(shí)際應(yīng)用中的意義就在于當(dāng)組件數(shù)量不是計(jì)算所得組串串接數(shù)量的整數(shù)倍時(shí),可以在同一逆變器中接入不同組串?dāng)?shù)量的組件,大大地方便接線設(shè)計(jì)。如,某項(xiàng)目根據(jù)綠建要求共需總面積為200 m2的光伏組件,設(shè)計(jì)選擇單塊面積為1.63 m2的270 Wp光伏組件共計(jì)122塊,總裝機(jī)容量共32.94 kWp,采用一臺(tái)30 kW逆變器,參照錦浪GCI-30K型逆變器,其MPPT/組串?dāng)?shù)為4/8,根據(jù)GB 50797—2012第6.4.2條,計(jì)算得組串允許串接組件塊數(shù)為10～22塊,而由于不能被其中任何一個(gè)數(shù)整除,則可以采取在MPPT1接入20×2串,在MPPT2接入20×2串,在MPPT3接入21×2串,極大地增加接線的簡(jiǎn)便性。

(3) 組串所串接的組件數(shù)量在允許的范圍內(nèi)越多越好。這是由于MPPT有啟動(dòng)電壓,當(dāng)串接的組件數(shù)量越多,達(dá)到啟動(dòng)電壓所需要的光照條件越小,則其一天中能夠啟動(dòng)發(fā)電的時(shí)間也越長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)效益越好。

(4) 組串式逆變器無需直流匯流裝置。有設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中參照國(guó)標(biāo)圖集15D202-4的案例設(shè)計(jì),直流部分先通過直流匯流箱匯流,再接入逆變器,實(shí)際上這樣的做法不但增加直流匯流箱的投資,而且也浪費(fèi)逆變器本身的多MPPT追蹤功能,使這組經(jīng)匯流的組串整體效率由于木桶效應(yīng)而降低。而直流匯流箱具有的短路、過電流保護(hù)、電涌保護(hù)等電氣保護(hù)功能,逆變器的交直流側(cè)均有集成,不必?fù)?dān)心取消直流匯流箱后缺少相關(guān)保護(hù)的問題。

組串式逆變器的交流部分接線有如下方面需要注意:

(1) 用于低壓并網(wǎng)的組串式逆變器(輸出電壓為380 V),其支持的電網(wǎng)形式有TN-S、TN-C、TN-C-S、TT。需要注意的是,市面上多數(shù)輸出容量在40 kW以上的逆變器,只有L1、L2、L3和PE端子,并不設(shè)N端子,其連接電纜線芯采用3+1型。用于低壓并網(wǎng)的組串式逆變器支持的電網(wǎng)形式如圖1所示。

圖1 用于低壓并網(wǎng)的組串式逆變器支持的電網(wǎng)形式

(2) 用于中壓并網(wǎng)的組串式逆變器(輸出電壓為480 V),其支持的電網(wǎng)形式一般為IT,如圖2所示,此時(shí)其升壓系統(tǒng)的制式與一般民用建筑中采取的接地制式有所不同。

圖2 用于中壓并網(wǎng)的組串式逆變器支持的電網(wǎng)形式

2.3 保護(hù)配置

組串式逆變器一般具有如下保護(hù):直流反接保護(hù)、交流短路保護(hù)、交流輸出過電流保護(hù)、絕緣阻抗保護(hù)、殘余電流檢測(cè)、電涌保護(hù)、孤島保護(hù)、溫度保護(hù)等,這里著重介紹孤島保護(hù)。孤島效應(yīng)是指電網(wǎng)由于某種原因而中斷供電時(shí),光伏電站未能及時(shí)切離網(wǎng)絡(luò),仍繼續(xù)向電網(wǎng)輸送電能,從而與負(fù)載形成一個(gè)供電孤島的現(xiàn)象。其主要作用就是故障時(shí)斷開并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān),避免線路上有人員施工檢修,造成不必要的人員傷亡;避免電網(wǎng)的故障,引起光伏電站的不正常運(yùn)行,對(duì)電站造成沖擊。雖然逆變器本身具有孤島保護(hù),可以在檢測(cè)到外部故障時(shí)停機(jī)運(yùn)行,但只是針對(duì)單臺(tái)逆變器。而對(duì)于整個(gè)光伏電站,還需在并網(wǎng)點(diǎn)處設(shè)置防孤島保護(hù)裝置來跳開并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)。

3 結(jié) 語

民用建筑分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中一般采用組串式逆變器,其應(yīng)用中有不少注意事項(xiàng)尚不為建筑電氣設(shè)計(jì)從業(yè)人員所熟知。詳細(xì)闡述組串式逆變器的各電氣參數(shù)功能,并結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì),列出逆變器選擇時(shí)需要注意的要點(diǎn)。

[1]王旭,康家玉,曹舉,等.基于重復(fù)和PI復(fù)合控制的單相光伏并網(wǎng)逆變器仿真研究[J].電器與能效管理技術(shù),2017(22):55-62.

[2]康家玉,王旭,曹舉,等.基于PR控制的新型單相H5光伏并網(wǎng)逆變器的仿真研究[J].電器與能效管理技術(shù),2017(9):67-73.

[3]方永輝,孫宇貞,李平,等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].電器與能效管理技術(shù),2016(23):50-54.

[4]張堯,晁勤,吳春艷,等.光伏并網(wǎng)逆變器研究綜述[J].電器與能效管理技術(shù),2016(17):7-11.

[5]光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50797—2012[S].