淺談大型光伏電站中集中式與組串式逆變器的選擇

廣東水電二局股份有限公司 任 斌

為保證大型光伏電站在發(fā)電和運行過程中的安全穩(wěn)定，需配備相應的光伏發(fā)電模塊，保持發(fā)電系統(tǒng)在基于效率、強度等關鍵核心要素定義下的運行狀態(tài)控制。在大型的光伏電站系統(tǒng)運行過程中，基于系統(tǒng)設計的電流和電壓的自動調節(jié)是系統(tǒng)穩(wěn)定的重要支撐，尤其是在穩(wěn)定性方面及節(jié)能降耗方面更有較強的技術和效率優(yōu)勢。在光伏電站使用的逆變系統(tǒng)中，技術人員可實現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出，合理控制光伏電站系統(tǒng)的發(fā)電和運行。

1 地面光伏電站關鍵設備分析

1.1 光伏組件

光伏組件串聯(lián)數(shù)量由逆變器額定容量決定。系列光伏模塊的數(shù)量公式如下：

Vmpptmin/Vpm×[1+(t'-25)×kV'] ≤ Vmpptmax/Vpm×[1+(t-25)×kV']，N ≤ Vdcmax/Voc×[1+(t-25)×kV]。

kV 為-0.0035、是光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)；kV'為-0.0045、是光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)；N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)（N 取整數(shù)）；T 為-10、是光伏組件工作條件下的極端低溫（℃）；t'為40、是光伏組件工作條件下的極端高溫（℃）；Vdcmax 為1000、是逆變器允許的最大直流輸入電壓（V）；Vmpptmax 為800、是逆變器MPPT 電壓最大值（V）；Vmpptmin 為500、是逆變器MPPT 電壓最小值（V）；Voc 為45.2、是光伏組件的開路電壓（V）；Vpm 為36.3、是光伏組件的工作電壓（V）；系數(shù)10.9325、系數(shù)21.1575、系數(shù)31.1225，計算1:14.7711578≤N ≤19.0397991；計算2: N ≤19.7094822。

1MW 集中式光伏發(fā)電機組選用325W 光伏組件，選用兩臺500kW 集中式逆變器作為逆變器，因此串聯(lián)的光伏組件數(shù)為13≤n ≤22。根據現(xiàn)場氣候、光伏組件溫度校正參數(shù)和逆變器的最佳輸入電壓，串聯(lián)的光伏組件數(shù)量為18個。串聯(lián)各部分額定功率為5850W。1MW 系列光伏發(fā)電機組選用325W 系列光伏組件和50kW 系列逆變器，串聯(lián)的光伏組件數(shù)量為20個。

1.2 并網逆變器

集中式逆變器的主要產品是500kW，使用單個MPPT（最大功率點跟蹤）。最大功率MPPT 的電壓范圍較窄，一般為450～820V。光伏組件的屏蔽和衰減以及不同組件間距引起的串聯(lián)電壓差將影響整個光伏電站的發(fā)電效率[1]。集中式逆變器采用強制冷卻方式，保證設備溫度在允許范圍內工作，諧波分量少、電能質量高、數(shù)量少，便于管理。主要用于日照均勻的大型光伏電站和沙漠電站。系統(tǒng)的總功率很大，通常高于兆瓦級。并網光伏逆變器的基本特點是并網設備集成了交流電流的轉換。逆變系統(tǒng)為并網發(fā)電提供必要的能量，將直流電源轉換為交流電源，實現(xiàn)可持續(xù)、清潔的并網發(fā)電目標。在實施光伏并網發(fā)電時應能實現(xiàn)高質量運行，達到既定的效率和效果，尤其是安全運行方面。

近年來光伏發(fā)電領域的技術日新月異，小型并網發(fā)電裝置、系列光伏逆變器、集中式光伏逆變器和微電網光伏逆變器應運而生。在功率轉換過程中，系統(tǒng)的直流功率通過晶體管進行轉換，開展面向交流功率轉換方面的運行設計[2]，實現(xiàn)轉換的目標。一旦在發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)非正常的情況和運行障礙，依靠逆變器的安全設計可實現(xiàn)安全運行，保障系統(tǒng)維持正?？沙掷m(xù)的運轉。

2 并網逆變器的功能、分類及優(yōu)點

2.1 并網逆變器的構成和功能

在逆變器的功率轉換部分，利用功率晶體管直流的頻繁切換，實現(xiàn)交流電。在其組成上，電子電路是組成控制裝置的核心部件，同是也是保護裝置的核心組成部件。在功能方面，控制裝置是就功率轉換進行調控和管理，保護裝置就是發(fā)生運行非正常狀態(tài)下的保護設計。

關于逆變器的功能可進一步總結為：特殊環(huán)境下的高效正常運行；光伏組件的輸出功率受日照強度、負荷變化和環(huán)境溫度的影響較大。因此無論光伏組件的輸出電壓和電流如何隨溫度變化和日照強度變化而變化[3]；保障電網的可靠安全運行，為安全高效運行提供支撐。支撐系統(tǒng)的關鍵是輸出部分的內容，就是通過正弦波電流的調節(jié)滿足電網設計和運行的目標需要，在可接受的范圍內實現(xiàn)均衡狀態(tài)的調節(jié)和控制；面相電壓合理控制范圍的需要，通過電壓自動調節(jié)將電壓控制在合理的范圍之內。

2.2 并網逆變器的分類

2.2.1 集中式并網逆變器

所有光伏陣列均由一系列組成，每個光伏陣列包含相等數(shù)量的設計模塊，模塊采用的聯(lián)結方式是并聯(lián)，通過光伏陣列實現(xiàn)供電目的，尤其是在集中式逆變器方面更是如此。當前的國內情況下，國內生產的逆變器設計的功率一般在50～1000kW 范圍內，通過三相方面的輸出，通過單點進行電網的連接和進入[4]。

集中式逆變器具有以下優(yōu)點：需將電子元件和設備安裝在同一設備中，在一定程度上提高了逆變器的功率容量，且降低了機械部分和輔助控制電路的成本；變頻器通過模塊化的相關設計和構造，一旦其中部分產生運行障礙或設備問題時，系統(tǒng)仍然可以保持運行，不會因為局部的障礙影響整體的輸出和運行，解決了局部問題影響最低化的設計；具有在低壓狀況下的可持續(xù)運行維持，一旦出現(xiàn)電壓的瞬時降低，處于額定工作電流模式時、也就是輸出電壓在一種低壓狀態(tài)運行時，仍可保持電網的供電和電力運行狀態(tài)，使得電力供應一直處于一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)下；能夠在惡劣環(huán)境下對運行設備和設施進行保全，是設備正常運轉的護身符和保駕裝置，且由于其中的核心部件不多，在進行后期維護和維修中更加容易簡便。

但集中式逆變器也有比較顯著的缺陷：在單點上產生的問題也會對于運行產生一定的障礙和不利，基于單個設備控制的設計是有缺陷的，不能產生并聯(lián)中的協(xié)同效應。如果逆變器發(fā)生故障將極大地影響光伏發(fā)電；所有串聯(lián)和并聯(lián)組均連接到相應的逆變器上，通過基于設計的算法進行相關的控制和調整，但這種設計也并不十全十美，存在著不能關于最佳狀態(tài)下的電壓與電流的運行和可持續(xù)問題。其四，設備占地的問題，逆變器需要較大的空間和房間放置和安裝，較大的空間和房間對于光伏組件有一定的屏蔽作用，影響發(fā)電。

2.2.2 組串式并網逆變器

多組串聯(lián)逆變器是微電網逆變器和集中式逆變器的混合體，即安裝在多組串聯(lián)逆變器的每個支架矩陣上。通常將兩組串聯(lián)連接到并網逆變器，并發(fā)并行輸出多個并網逆變器，然后通過升壓變壓器將電壓升壓到高壓，然后再連接到電網。

組串式并網逆變器優(yōu)勢：串聯(lián)逆變器可與直流輸入電壓穩(wěn)定匹配以確保高效發(fā)電。其中多核方式發(fā)電是其主要的發(fā)電模式，這種方式的狀態(tài)下，對于發(fā)電安全有明顯支撐作用和保障作用，可保持電源的穩(wěn)定性和持續(xù)性，不至于在發(fā)電過程中出現(xiàn)斷電情況。當然，在多通道MPPT 狀態(tài)下，對于功率最有特性也是有更大的促進作用的；本系列逆變器采用智能組群監(jiān)控功能，實現(xiàn)模塊的智能管理、光伏組群狀態(tài)的實時監(jiān)控、異常故障自動報警、組群故障的準確定位，縮短維護時間、方便運維、提高發(fā)電量，使逆變器成為電站的大腦和管家；該系列變頻器體積小、重量輕，易于運輸和安裝，可直接安裝在光伏支架上而無需專用的逆變器室。

組系列的逆變器也有一些缺陷：該系列變頻器安裝在室外，風吹日曬容易導致外殼和散熱器老化。而且大型光伏電站具有許多配置和大量設備，這降低了其可靠性。

3 合理選擇集中式逆變器與組串式逆變器的要點

3.1 發(fā)電穩(wěn)定性與網格相結合

標準系列電網連接逆變器和集中式電網連接逆變器具有出色的電網運行性能，不受水平強度的影響，不受電平強度的影響，并具有高系統(tǒng)運行負荷，同時電網連接逆變器可實現(xiàn)優(yōu)異的自我調節(jié)。通過跟蹤系統(tǒng)產生的功率，可在整個生成過程中調整對象以確保系統(tǒng)電壓和電流的穩(wěn)定性。在輸出狀態(tài)太陽能電源模塊的情況下，系統(tǒng)模塊可通過自調節(jié)來適應外部環(huán)境溫度和外部負載強度和太陽能磁盤強度的變化，且逆變器系統(tǒng)的性能指標必須嚴格限制。

水平觸點主要用于小型分布式太陽能發(fā)電，集中式系統(tǒng)是大型電站的最佳選擇。這是因為集中式變頻器能夠轉換直流電源來實現(xiàn)穩(wěn)定的網格連接和系統(tǒng)提升處理。變頻器系統(tǒng)的功耗，必須反映系統(tǒng)的內阻和電力系統(tǒng)。為了減少脈沖幅度調節(jié)，應采取靈活的控制措施。

3.2 優(yōu)化改造并網發(fā)電的運行方式

有關部門要確?，F(xiàn)階段投資的大型電站引進數(shù)字化技術，并對后期系統(tǒng)運行維護費用給予足夠重視。增加電量的方式可以是對于逆變器新技術進行革新以及設備進行改造，尤其是在環(huán)境極其惡劣的環(huán)境下，對于加快建設和設備升級改造都是具有顯著效果的。但在做相關選擇時要進行技術經濟評價，根據評價選擇最優(yōu)方案。

綜上，在大型光伏發(fā)電站中核心的組成部件是逆變器，關于逆變器類型的選型和技術經濟評價，要綜合考量多方面的影響因素和關鍵目標設置，如穩(wěn)定性、安全性、技術經濟性、高效性、優(yōu)質性等方面。對于技術升級改造要綜合考量最優(yōu)化配置，也就是選型的技術經濟性的問題和技術適恰性問題，選擇的問題涉及到的關鍵核心要素要綜合判斷和綜合考量，做出不同情況下的最優(yōu)化方案。