集中式逆變器與組串式逆變器對比與分析

王健 李成武 劉猛

摘 要：逆變器作為組件和電網之間的橋梁，是光伏系統(tǒng)的關鍵核心部件，通過對逆變器的選型方案、發(fā)電量、核心器件、安全可靠性及經濟性等指標進行對比與分析，得出不同的應用場合中，選擇合適的逆變器，對系統(tǒng)生命周期內的系統(tǒng)成本、發(fā)電量和度電成本都有顯著影響。

關鍵詞：逆變器；發(fā)電量；光伏系統(tǒng)；光伏電站

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.152

1 綜述

逆變器作為光伏系統(tǒng)的橋梁，成本占比低但對系統(tǒng)成本和發(fā)電量影響大。秉承“因地制宜、科學設計”的理念，結合了不同項目的地環(huán)境特點，倡導不同類型電站選擇不同類型逆變器，不斷降低光伏系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)發(fā)電效率，幫助用戶在競價上網的新模式下取得最大收益，最終促進光伏平價上網。

本文主要對比研究了光伏電站的集中和組串式兩種主流逆變方案的技術經濟性、安全可靠性、運維便利性等。

2 集中式與組串式逆變方案分析

在地面電站或者是無陰影遮擋的失配小的電站，集中式優(yōu)勢明顯，可使初始投資節(jié)省0.22元/W，度電成本LCOE降低2分/kWh，如圖2.1和表2.1所示。

2.1 兩種方案的對比

2.1.1 同輻照和地域條件最佳容配比

超配的定義--主動超配和補償超配。

補償超配：由于光伏系統(tǒng)中的系統(tǒng)損耗客觀存在，通過適當提升組件的配比，補償能量在傳輸過程中的系統(tǒng)損耗，使得逆變器可以達到滿功率工作的狀態(tài)，這就是光伏系統(tǒng)的補償超配。

主動超配：在補償超配使得逆變器部分時間段達到滿載工作后，繼續(xù)增加光伏組件容量，通過主動延長逆變器滿載工作時間，在增加組件投入成本和系統(tǒng)發(fā)電收益之間尋找平衡點，實現(xiàn)LCOE最小，這就是光伏系統(tǒng)的主動超配。

為便于最優(yōu)超配方案的計算，簡化分析推導過程，對理想容配比的推導進行以下條件限制或假設：

（1）在各光照資源地區(qū)選定代表城市，獲得當?shù)毓庹铡庀蟮葦?shù)據(jù)，作為電站選址后方案設計的基礎自然條件。

（2）在超配方案設計中，對于達到逆變器滿載為目標的補償超配直接設計到最大，補償超配后，容配比進一步提升到主動超配范圍，最優(yōu)方案以LCOE為評價標準。

（3）集中型逆變器進行超配方案更加靈活，因此，在進行最優(yōu)超配方案的推算就直接使用集中式方案的成本結構。

（4）以10MW的規(guī)模電站進行計算，設定組件年衰減率為1%，電站年維護投入為初始投資的2%，在20年內計算度電成本最低的超配方案。

以I類光照資源地區(qū)的酒泉為例，在同樣條件的基礎上，各容配比下，系統(tǒng)度電成本如表2.2所示，可以看出，在酒泉地區(qū)，地面電站的最優(yōu)超配方案是1.25倍容配比。

分別以酒泉、蘭州、徐州、貴陽四個城市作為代表，重復以上的推算過程 ，得出各類光照資源地區(qū)度電成本最低的推薦超配比方案如表2.3所示。

2.2 發(fā)電量對比

2.2.1 實證發(fā)電量對比

在大型地面電站，地勢平坦不考慮遮擋的情況下，經過理論分析計算以及西北多個電站發(fā)電量數(shù)據(jù)的對比驗證，集中式和組串式逆變器在發(fā)電量上持平，甚至集中式發(fā)電量略高。

大型地面電站，集中式逆變器和組串式方案真實發(fā)電量比較報告如下所示：大同領跑者項目中電國際電站集中式逆變器（陽光）與組串式逆變器（華為）7月份發(fā)電量比較（集中式發(fā)電量略高），如表2.4所示。

2.2.2 發(fā)電損耗對比

逆變器的損耗和效率指標一樣。組串式逆變器，當MPPT電路工作時，轉換效率偏低，損耗變大。集中式逆變器，為單級逆變器，系統(tǒng)轉換效率偏高，系統(tǒng)損耗較低，如表2.5所示。

2.2.3 逆變器效率對比

集中式PV電壓越高，效率越低；組串式和集散式類似，電壓越接近輸入額定電壓，效率越高。380Vac并網的逆變器，直流電壓越接近600Vdc，效率越高；500Vac并網的逆變器，直流電壓越接近750Vdc，效率越高。

效率與電平結構的關系，三電平電路的效率比兩電平效率高，特別是在弱光條件下，三電平的效率更加明顯。

2.3 核心設備的對比

2.3.1 熔絲

集中式內部無熔絲，當發(fā)生過電流時，斷路器會自動跳脫，達到過流保護的作用，組件直流側，在匯流箱內有熔絲保護。

2.3.2 電容

集中式逆變器體積較大，母線支撐電容可以采用全薄膜電容設計，工作壽命長，可靠性高。

而組串式逆變器因為體積小，母線支撐電容無法采用全薄膜電容設計，采用了膜電容與電解電容混合設計或者電解電容設計。

2.3.3 風扇

集中式逆變器采用知名品牌風扇，設計壽命很長，故障率低，風扇故障占逆變器故障的比重很低，并非故障點。

逆變器的真正故障點是IGBT，IGBT的故障和工作溫度有直接的關系，當逆變器工作溫度過高，IGBT的故障率會相應變高。

2.3.4 變壓器

集中式逆變器1.25MW方案可以采用干變設計，變壓器方案免維護。組串式逆變器一般采用油變，需要定期檢查和維護，集中式和組串式均可以采用雙繞組變壓器。

2.3.5 防雷

集中型逆變器交直流均采用二級防雷，防雷等級高，且防雷器有狀態(tài)指示功能。組串式逆變器，交直流防雷器也采用二級防雷。

2.4 安全可靠性

2.4.1 設備可利用率（故障率）

組串式逆變器的電站系統(tǒng)，由于逆變設備數(shù)量多，是集中式逆變器數(shù)量的10倍，同樣故障比率的情況下，電站故障次數(shù)也將是10倍，單個故障損失小，但是故障次數(shù)比較多，因此發(fā)電損失基本一致。集中式逆變器，一般故障24小時解決問題，嚴重故障48小時解決，不會對發(fā)電量造成太大損失。

由于組串式逆變器的電站，故障次數(shù)比較多，因此人工的運維成本會大于集中式逆變器。同樣100MW光伏電站，組串式逆變器的系統(tǒng)運維人員將比集中式系統(tǒng)運維人員多兩人。

2.4.2 是否不易散熱，內部溫度過高，元器件壽命降低

集中式逆變器和智能風冷組串式逆變器，散熱效率高，內部元器

件溫度低，壽命長，整機設計壽命達到25年。采用自然冷卻的組串式逆變器，高溫天氣，無風狀態(tài)下，散熱效果很差，內部溫度升高，設計壽命短，故障率高。

2.4.3 電網接入與并聯(lián)環(huán)流問題

集中式：一臺變壓器，電網響應速度更快，采用LC或LCL濾波參數(shù)，電網友好。組串式：多臺并聯(lián)，電網響應速度更快，存在諧波風險；在電位高壓側波動情況下下，易產生過欠壓脫網；

交流側環(huán)流過大可引起整體脫網（如內蒙古鋒威100MWp和黃河

景泰項目），當項目地點距離電網接入點過大時（如超過6km），此種影響會加劇，可通過加SVG解決。

2.5 經濟性對比

2.5.1 運維成本

無論集中式還是組串式逆變器，均能實現(xiàn)準確定位。集中式逆變器采用模塊化設計，運維簡單便利。集中式逆變器，一般故障24小時解決問題，嚴重故障48小時解決，不會對發(fā)電量造成太大損失。組串式逆變器，由于逆變設備數(shù)量多，是集中式逆變器數(shù)量的10倍，同樣故障比率的情況下，電站故障次數(shù)也是10倍，單個故障損失小，但是故障次數(shù)比較多，因此發(fā)電損失基本一樣。

由于組串式逆變器的電站，故障次數(shù)比較多，因此人工的運維成本會大于集中式逆變器。同樣100MW光伏電站，組串式逆變器的系統(tǒng)運維人員將比集中式系統(tǒng)運維人員多三人，如表2.6所示。

2.5.2 度電成本

根據(jù)不同的場景設計不同的電站，做到度電成本最優(yōu)。大型地面電站或者無遮擋失配比較小的電站，集中式系統(tǒng)電站的度電成本低于組串式系統(tǒng)電站的度電成本。在山丘電站或者有陰影遮擋失配比較嚴重的電站，組串式多MPPT發(fā)揮作用，組串式系統(tǒng)電站的度電成本低于集中式系統(tǒng)電站的度電成本。

3 總結

逆變器作為組件和電網之間的橋梁，是光伏系統(tǒng)的關鍵核心部件。不同的應用場合中，選擇合適的逆變器，對系統(tǒng)生命周期內的系統(tǒng)成本、發(fā)電量和度電成本都有顯著影響，根據(jù)不同應用環(huán)境的實際情況，因地制宜，科學設計，從系統(tǒng)角度進行技術創(chuàng)新，幫助用戶不斷降低系統(tǒng)成本，提升系統(tǒng)發(fā)電量，助力用戶在競價上網新形式下保持較強的競爭力，最終為光伏發(fā)電的平價上網貢獻自己的力量。