大型光伏電站中集中式逆變器與組串式逆變器的選擇探究

梁昌盛

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

大型光伏電站設(shè)有光伏發(fā)電組件，使得光伏電站的發(fā)電運行過程具有良好的穩(wěn)定性，且不易受到系統(tǒng)負(fù)載強度、外界光照強度與環(huán)境溫度的影響[1]。大型光伏電站在發(fā)電運行中，系統(tǒng)輸出電流與輸出電壓能夠保持良好的平穩(wěn)度，運用自動調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)最大化的光伏發(fā)電運行效能。可見，大型光伏電站體現(xiàn)出發(fā)電節(jié)能的明顯優(yōu)勢。技術(shù)人員通過正確搭配運用光伏電站中的逆變器系統(tǒng)，能夠達(dá)到平穩(wěn)的電能輸出效果，同時可合理控制光伏電站系統(tǒng)的發(fā)電運行功率[2]。

1 大型光伏電站的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)運行原理

光伏并網(wǎng)逆變器的基本特征為電網(wǎng)裝置并入轉(zhuǎn)換后的交流電流，逆變器系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換直流電的方式提供并網(wǎng)發(fā)電必需的能源，進(jìn)而實現(xiàn)可持續(xù)的清潔并網(wǎng)發(fā)電目標(biāo)。在光伏并網(wǎng)發(fā)電的實施環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)能夠保證高效、可靠與安全的并網(wǎng)運行狀態(tài)，確保實現(xiàn)穩(wěn)定的電能輸出效果。經(jīng)過以上的電能轉(zhuǎn)換處理后，大規(guī)模的光伏發(fā)電站相比于傳統(tǒng)發(fā)電站能夠提供更好的發(fā)電質(zhì)量，保證平穩(wěn)的系統(tǒng)運行狀態(tài)[3]。

近年來，光伏發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)手段正在迅速轉(zhuǎn)變，誕生了小規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電裝置、組串式光伏逆變器、集中式光伏逆變器以及微網(wǎng)光伏逆變器。在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)電功率的環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)直流電由于受到晶體管的切換作用，因此重新設(shè)置了排序，最終達(dá)到交流電轉(zhuǎn)換的目標(biāo)。此外，并網(wǎng)逆變器設(shè)有電子電路和系統(tǒng)控制裝置，其中電子電路屬于系統(tǒng)保護(hù)裝置。光伏發(fā)電系統(tǒng)如果突然出現(xiàn)運行故障，那么逆變器可以啟用安全保護(hù)操作。

2 大型光伏電站中的組串式逆變器與集中式逆變器

2.1 組串式光伏并網(wǎng)逆變器

組串式光伏逆變器具有系統(tǒng)發(fā)電量較高的優(yōu)勢，并且能夠保證實現(xiàn)良好的電壓輸入匹配性[4]。在多核發(fā)電的技術(shù)手段支撐下，運用組串式逆變器可以避免出現(xiàn)頻繁中斷系統(tǒng)發(fā)電的故障，也能明顯縮小潛在的故障影響范圍。這是由于組串式逆變器設(shè)計為多核發(fā)電運行模式，因此可以確保達(dá)到900 V的發(fā)電功率跟蹤范圍，并且有效避免系統(tǒng)發(fā)電量受到錯誤組件配置的影響。在智能化軟件的全面控制下，技術(shù)人員能夠?qū)崟r監(jiān)控組串式光伏并網(wǎng)逆變器，確保隨時掌握目前的逆變器運行狀態(tài)，妥善處理逆變器的安全運行故障。運用組串式系統(tǒng)逆變器還有助于實現(xiàn)全過程的系統(tǒng)運維控制，縮短維修各個系統(tǒng)組件消耗的時間。

2.2 集中式光伏并網(wǎng)逆變器

相比于系統(tǒng)自重較輕且體積較小的便攜組串式逆變器，集中式光伏逆變器占據(jù)較多的空間位置，系統(tǒng)組成如圖1所示。集中式逆變器呈現(xiàn)明顯的單點故障現(xiàn)象，運用單一的系統(tǒng)設(shè)備控制各個功率饋電以及功率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。但是不應(yīng)忽視，集中式光伏逆變器具有較高的系統(tǒng)集成度，因而可以達(dá)到明顯提升逆變器裝置容量和系統(tǒng)運行功率的效果，遵循模塊化的系統(tǒng)設(shè)計方式實現(xiàn)靈活的調(diào)節(jié)。

圖1 集中式的大型光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

3 合理選擇集中式逆變器與組串式逆變器的要點

3.1 綜合考慮系統(tǒng)運維成本和系統(tǒng)發(fā)電量

集中式逆變器與組串式逆變器具有各自的運行優(yōu)勢，因此技術(shù)人員需要合理選擇以上兩種類型的逆變器，綜合考慮逆變器的投資建設(shè)成本、系統(tǒng)發(fā)電量以及系統(tǒng)組件的衰減性標(biāo)準(zhǔn)，確保選出安全性能良好的逆變器組件類型。例如，對于20 MW大型光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)整體對比對于特定生命周期內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)電量，進(jìn)而判斷得出不同系統(tǒng)初始投資方案之間存在的差異[5]。從總體角度來講，組串式系統(tǒng)逆變器可以維持良好的集中運行性能，但是系統(tǒng)組件會消耗較大的系統(tǒng)維護(hù)成本。因此，在實施逆變器組件的全面技術(shù)改造實踐中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)注重智能化與精細(xì)化的逆變器系統(tǒng)實施全面運行改造，充分發(fā)揮信息科技手段融入逆變器技術(shù)改造的重要作用。

降低損耗有助于逆變器保證良好的運行效率，因此目前針對組串式光伏逆變器與集中式光伏逆變器必須做到密切關(guān)注系統(tǒng)損耗，全面運用逆變器損耗降低的做法保證逆變器的良好運行功效。對于變壓器、開關(guān)管與電感磁性部件，在實施優(yōu)化設(shè)計時必須充分降低系統(tǒng)損耗。對于各種磁性部件，要保證運用節(jié)能材料進(jìn)行設(shè)計，保證實現(xiàn)最大程度地降低系統(tǒng)損耗。例如，對于功率開關(guān)管（IGBT）來講，此類元件可能會造成開關(guān)損耗或者導(dǎo)通損耗，因此務(wù)必保證直流電壓處于控制范圍內(nèi)，同時要做到合理控制開關(guān)頻率。對于鐵導(dǎo)線與銅導(dǎo)線產(chǎn)生的電感損耗，在控制過程中需要充分保證流經(jīng)電流的平穩(wěn)性，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約逆變器運行功耗的效果，全面考慮系統(tǒng)運行中的功耗升高風(fēng)險。

3.2 結(jié)合并網(wǎng)發(fā)電的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)

組串式并網(wǎng)逆變器和集中式并網(wǎng)逆變器都具備良好的并網(wǎng)運行性能，而且能夠承受強度較高的外界光照作用，不會受到日照強度與系統(tǒng)運行負(fù)載大的影響。同時，并網(wǎng)逆變器可以達(dá)到良好的自生調(diào)節(jié)功能，運用跟蹤系統(tǒng)發(fā)電功率的方式實現(xiàn)全過程的發(fā)電運行調(diào)節(jié)目標(biāo)，從而保證平穩(wěn)的系統(tǒng)電壓與系統(tǒng)電流輸出狀態(tài)。對于光伏發(fā)電組件來講，系統(tǒng)組件能夠運用自我調(diào)節(jié)方式適應(yīng)外界的負(fù)載強度和日照強度改變，從而做到迅速適應(yīng)不斷變化的外界環(huán)境溫度。光伏逆變器對于正弦波的電流能夠予以持續(xù)輸出，確保電網(wǎng)能夠隨時接收回饋的電能。在此基礎(chǔ)上，為了保持可靠的電網(wǎng)運行狀態(tài)，需要做到嚴(yán)格避免產(chǎn)生直流分量或者高次諧波，嚴(yán)格限定逆變器的各項系統(tǒng)性能指標(biāo)。

組串式大型光伏系統(tǒng)逆變器和集中式大型光伏系統(tǒng)逆變器具有各自的缺陷及優(yōu)勢，因而必須結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀況進(jìn)行優(yōu)化選擇。多數(shù)情況下，對于具有分散性與小規(guī)模的光伏發(fā)電資源應(yīng)當(dāng)運用組串式系統(tǒng)，而對于具有較大規(guī)模的發(fā)電站則最好選擇集中式系統(tǒng)。這是由于集中式逆變器具有轉(zhuǎn)變直流電的性能，進(jìn)而達(dá)到順利實現(xiàn)并網(wǎng)處理與系統(tǒng)升壓處理的目的。逆變器系統(tǒng)必須能夠體現(xiàn)最佳的系統(tǒng)功耗與系統(tǒng)效率，因此應(yīng)當(dāng)致力于內(nèi)阻與功率的全面降低，還要運用靈活的控制措施調(diào)整系統(tǒng)脈寬。目前，對于逆變器在提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的實踐中，技術(shù)人員可以選擇運用軟開關(guān)技術(shù)或者電氣拓?fù)浼夹g(shù)完成系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的相關(guān)操作，進(jìn)而達(dá)到開關(guān)頻率明顯降低的效果，并且做到合理控制功率器件的系統(tǒng)運行電壓。

3.3 優(yōu)化改造并網(wǎng)發(fā)電的運行方式

相關(guān)部門對于現(xiàn)階段投資建成的大規(guī)模發(fā)電站，應(yīng)當(dāng)確保引進(jìn)數(shù)字技術(shù)手段，還要做到充分重視后期的系統(tǒng)運維成本。在全面實施逆變器技術(shù)改造的前提下，確保明顯提升系統(tǒng)發(fā)電量[6]。近年來，集中式逆變器已經(jīng)被推廣運用于某些人跡罕至的大型光伏電站建設(shè)區(qū)域，因而具備持續(xù)長期運行的優(yōu)勢。相關(guān)部門對于選擇兩種類型的光伏逆變器應(yīng)當(dāng)做到全面關(guān)注投資回報率和系統(tǒng)發(fā)電的安全性，以確保得出安全效能更好的光伏電站運行方案。

表1 影響逆變器功耗與運行效率的因素

4 結(jié) 論

經(jīng)過分析可見，組串式逆變器和集中式逆變器是大型光伏電站中的重要組件。對于兩種不同類型的逆變器，在進(jìn)行優(yōu)化配置時關(guān)鍵在于維持穩(wěn)定的系統(tǒng)發(fā)電量，還要做到綜合考慮現(xiàn)有的系統(tǒng)輸出電流與輸入電流強度，運用自生調(diào)節(jié)的運行模式實現(xiàn)對光伏電站運行組件的靈活調(diào)整。未來在技術(shù)改進(jìn)實踐中，對于大型光伏電站實施優(yōu)化改造的側(cè)重點在于優(yōu)化配置，合理選擇逆變器的型號與種類，確保并網(wǎng)運行的良好效果，從而為大型光伏電站提供安全運行保障。