集中式光伏電站逆變器選型問題探討

邵博文

華能寧夏能源有限公司 寧夏 銀川 750000

引言

自工業(yè)革命以來，化石能源的開發(fā)在一定程度上推動了人類進步，而這時也產(chǎn)生了資源匱乏以及環(huán)境污染等方面問題。所以推動能源轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的重要道路。當(dāng)前，我國風(fēng)電以及光伏發(fā)電不斷發(fā)展，成本也明顯降低，其中開發(fā)以及建設(shè)質(zhì)量也有了明顯提升，而這就為我國建設(shè)清潔﹑低碳的能源體系發(fā)揮出了十分重要的作用。國家相關(guān)補貼扶持政策的推出，使得我國的光伏產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，在光伏設(shè)計當(dāng)中逆變器在技術(shù)難度和價格等方面占據(jù)較大的比重，因此逆變器的選型顯得十分重要。

1 集中式光伏電站逆變器的優(yōu)勢

第一，具有較強的電網(wǎng)適應(yīng)性。通常來說，集中式光伏電站可以接受執(zhí)行調(diào)度機構(gòu)所發(fā)送的有功功率的控制指令等，從而保證光伏電站的功率根據(jù)有關(guān)機構(gòu)的要求實施運行。與此同時，逆變器需要按照調(diào)度指令在范圍內(nèi)實施無功功率補償。再就是低/零電壓穿越，主要應(yīng)用于電網(wǎng)發(fā)生故障時，這時逆變器可以快速進行檢測，并進入到低/零電壓穿越模式中。同時在電網(wǎng)發(fā)生故障時，需要確保電流控制器等均能夠進行工作，所以就要確保逆變器輸出合適的功率。

第二，可靠性比較高。逆變器是光伏電站的重要組成，其是否具有可靠性則在一定程度上決定著電站是否可以穩(wěn)定運行。一般來說，逆變器可靠性會涉及多個方面，比如從技術(shù)方面來說，則會受到器件選型以及檢測保護等的影響。而從器件選型方面來說，那么母線電容以及風(fēng)機等則是比較容易出現(xiàn)問題的部分，所以就需要重點進行關(guān)注[1]。比如在逆變器中母線電容能夠在其內(nèi)部發(fā)揮穩(wěn)定直流側(cè)電壓等的作用，因此其性能是比較重要的。

2 集中式光伏電站逆變器的構(gòu)成

第一，逆變器分類。對于集中式光伏電站的逆變器來說，其是發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成，能夠在一定程度上將光伏陣列電流轉(zhuǎn)變成為交流電，并且還可以接入電網(wǎng)。通常來說，逆變器具有集中式﹑組串式及集散式三種類型，具體分析如下：

（1）集中式的逆變器，其通過將多個組件進行串并聯(lián)，然后與大型的逆變器連接起來，通過借助這一設(shè)備轉(zhuǎn)變成交流電，將其輸出之后供給負(fù)載。對于這種集中式的逆變器來說，電路結(jié)構(gòu)通常是單級的，其不但可以將直流電轉(zhuǎn)化到交流電，還可以跟蹤光伏組件，在這個過程中可具備最大的功率點。一般來說，這種方式的光伏逆變器通常應(yīng)用在大型光伏電站當(dāng)中，其容量通常在500kW之上，將1MW作為1個發(fā)電單元，然后1MW的光伏組件功率輸送到2臺500kW的逆變器中，之后再經(jīng)雙分裂變壓器將電能輸送至主變中，最后實現(xiàn)升壓并網(wǎng)。

（2）散式逆變器。這種是一種集中式與組串式的逆變器的一個折中方案。這種類型的逆變器能夠在一定程度上獲取多路的最大功率跟蹤，而且還能夠?qū)嵤┙y(tǒng)一逆變，能夠顯著減少變換的成本，通常在大型光伏電站比較常見。因這種方案具有集中式逆變器能夠集中電能逆變的特征，并且也具有組串式逆變器分散MPPT的優(yōu)勢，再加之逆變器的直流側(cè)以及交流側(cè)的電壓均明顯提升，能夠顯著減少傳輸線損。

（3）串式逆變器?，F(xiàn)階段，大部分的大型光伏電站采用這一方式。這種類型的逆變器優(yōu)勢不會受到串間光伏組件性能之間的差異影響，而且也不會受到局部遮影方面的影響，能夠在一定程度上處理不同型號的組件，防止有些組件上存在陰影，進而喪失了較大的電量，有助于提升發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量[2]。同時，由于電站運行時間越來越長，再加之組件出現(xiàn)衰減以及虛接等情況，導(dǎo)致其差異性逐漸加大，所以實施精細(xì)化管理的優(yōu)點也愈發(fā)顯著，而且還可以顯著提高逆變器的發(fā)電量。另外，因組串式逆變器存在著多路MPPT功能，可以顯著降低光伏電站環(huán)境對發(fā)電量產(chǎn)生的不良影響。

第二，逆變器的功能。光伏電站的逆變器存在著多個方面的功能，比如在特殊環(huán)境之下依舊能夠高效正常運行，并且光伏組件的輸出功率還會在一定程度上受到日照強度以及負(fù)荷變化等方面的影響[3]。同時還能夠確保電網(wǎng)的安全運行，為高效運行提供一定的支撐。其中支撐系統(tǒng)的重點就是輸出部分，通過調(diào)節(jié)正弦波電流來滿足電網(wǎng)的設(shè)計以及運行的需求，使其能夠在可接受的范圍中實現(xiàn)均衡狀態(tài)的控制。

第三，逆變器的容量以及電壓層級。目前，由于光伏裝機容量的增長，使得集中式逆變器的容量愈發(fā)增大，逐漸朝著MW級發(fā)展。其中這一功率級已經(jīng)逐漸成為電站主流。因此為了能夠降低逆變器所產(chǎn)生的損耗成本等，所以提升電壓層級逐漸引起了行業(yè)的廣泛關(guān)注。比如對1000V的光伏系統(tǒng)而言，要想提升電壓層級通常會直接提升交流側(cè)電壓，但是會在一定程度上縮小最大功率點跟蹤的范圍，從而對發(fā)電量產(chǎn)生不利影響。所以就需要選取組串式或者集散式進行變換，通過對后光伏組件的電壓進行調(diào)節(jié)，從而擴大跟蹤范圍，這時的輸出電壓可以高達400V之上。同時為了顯著提升交流側(cè)等的電壓層級，則出現(xiàn)了1500V的光伏組件。通過使用這一組建，除了能夠降低組件線纜的成本之外，還可以最大程度上減少匯流箱數(shù)量。研究發(fā)現(xiàn)，1500V的光伏組件可以顯著擴大最大功率點跟蹤范圍，提高光伏的發(fā)電量[4]。

3 建設(shè)集中式光伏電站的要點

光伏發(fā)電是發(fā)電單元以及中央控制系統(tǒng)等組合而來的。對于集中式光伏發(fā)電站來說，在建設(shè)中存在投入較為集中以及建設(shè)時間比較短等多種特征，所以在具體建設(shè)中需要重視光伏電站的選址以及逆變器選型等。

第一，光伏組件的傾斜角度及其選型。現(xiàn)階段，對一些商用的光伏組件是硅系以及薄膜光伏組件組成的，在所有的組件當(dāng)中晶歸類光伏組件是應(yīng)用較為廣泛的。這種組件存在單多晶硅，兩者區(qū)分相對比較容易，主要是提純的精度有所不同。對于單晶硅來說，其具有較高的轉(zhuǎn)換效率，現(xiàn)階段的一些主流產(chǎn)品能夠接近于20%。而后者的轉(zhuǎn)化率則可接近于15%，但這種類型的造價比前者要低。由于單晶提純技術(shù)得到了不斷發(fā)展，而單晶組件的造價也在逐漸降低，因此這種類型的組件也愈發(fā)受到市場的喜愛。

同時對于發(fā)電單元的方陣運行方法來說，其存在固定傾角以及可調(diào)式傾角等多種方式，就實際情況來說，不同的安裝方法特點也有所不同。其中固定傾角在運行時成本是比較低的，但是發(fā)電效果也相對比較差?，F(xiàn)階段，大部分的集中式光伏電站在建設(shè)時多使用可調(diào)式傾角，但是要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行結(jié)合。

第二，站點選址。集中式光伏電站在選擇主場地址時，通常會選擇平原或丘陵。同時還要避免地震帶以及規(guī)劃用地等項目。值得注意的是，在選址的過程中，要考慮到變電站和光伏站點之間的線路距離，并且還要考慮到送出線路等方面的問題。

4 逆變器選型分析

一般來說，大規(guī)模的集中式光伏電站的逆變器包括集中式以及組串式等。其中集中式的逆變器需要在安裝時對發(fā)電單元安裝匯流箱，組串式的逆變器則需要結(jié)合匯流和逆變。而對集中式光伏逆變器選型時要考慮到性能可靠效率高以及存在過壓過流等保護作用等。

第一，技術(shù)指標(biāo)。對光伏電站來說，光伏并網(wǎng)逆變器是最為重要的設(shè)備，其基礎(chǔ)作用是將光伏電池組件所輸出的直流電轉(zhuǎn)變成為交流電，并且還存在著自動運行停止等功能。將某一工程的子方陣作為研究對象，具體如下：

（1）集中式逆變器。在1.2MW子方陣中只有8路 MPPT，其中25年平均利用數(shù)大約為1184h；在每個子方陣當(dāng)中均需要1套集裝箱式逆變器以及升壓變；方案設(shè)計比較簡單，并且有關(guān)設(shè)備也比較成熟；若1臺1.2MWp方陣單臺為500kW的逆變器出現(xiàn)故障時那么就會對將近一半的發(fā)電量產(chǎn)生影響；存在較寬的熱設(shè)計裕量，并且當(dāng)室外的溫度達到55℃左右時不會降額運行，但是分裂變壓器的損耗要相對比較高。

（2）組串式逆變器。在1.6MW子方陣中存在138路MPPT，且25年平均利用小數(shù)為1220h；每個子方陣只需要使用1個升壓變及其基礎(chǔ)，能夠大大減少工程量；方案設(shè)計比較復(fù)雜，且有關(guān)技術(shù)還不成熟；如果單臺組串式逆變器出現(xiàn)故障那么就只會影響到2.2%的發(fā)電量；逆變器是在室外進行安裝的，并不產(chǎn)生散熱功耗，而且對于變壓器的損耗也較低。

綜合上述情況來說，在技術(shù)指標(biāo)比選方面，組串式要比集中式逆變器效果要好。

第二，經(jīng)濟指標(biāo)。還是以某一工程的子方陣作為研究對象，分析集中式與組串式的經(jīng)濟方案，具體如下：

（1）集中式。對于一個1.2MW集中式系統(tǒng)來說，需要用到200塊的280W的光伏組件，其價格大約為480萬；而且還會應(yīng)用到1000kW集中式逆變器，其價格為40萬。同時，25年平均可利用小時數(shù)為1184h左右，每W的價格大約在4.87元，且子方陣度電成本為4.11元。

（2）組串式。對1.6MW組串式系統(tǒng)而言，要使用256塊的280W光伏組件，其價格大約為640萬；而且還會使用到50kW的組串逆變器，價格大約為88萬左右。而組串式逆變器25年平均可利用小時數(shù)大約為1220h，其每W的價格大約在4.96元，子方陣度電成本為4.09元。

綜上情況來說，組串式要比集中式逆變器好，并且還可以顯著減少失配損失，提升光伏電站的發(fā)電量。

第三，運行效果分析。為了讓數(shù)據(jù)更加具有說服力，通過選取同一省市，且經(jīng)緯度均比較接近的光伏項目實施分析。具體為一個50MW光伏項目，其容量為50MW，選取集中式逆變器；一個20MW光伏項目，容量為20MW，選取組串式逆變器；一個40MW光伏項目，容量為40MW，選取集中式逆變器。其中40MW光伏項目一年的發(fā)電量為5000萬kWh左右；50MW光伏項目一年的發(fā)電量為2000萬kWh左右；20MW光伏項目一年的發(fā)電量為2000萬kWh左右。

綜合上述情況來說，集中式比組串式逆變器的運行效果要好，且具有較大的發(fā)電量。

因此，在對集中式光伏電站逆變器選型時要充分考慮到項目的具體情況。組串式逆變器容易建設(shè)，并且后續(xù)維護比較簡單，發(fā)電量也比較高，在后期電場收益等方面具有較為顯著的優(yōu)勢，更加適合建設(shè)地點不規(guī)則的項目。但是這種逆變器的價格比較高，前期投入較大。如果從前期投入方面進行考慮可選擇集中式的逆變器方案。同時，若項目建立在較為平坦的區(qū)域，并且周邊沒有明顯的障礙物進行遮擋，那么也可以選擇集中式逆變器。

5 逆變器選型的注意事項

第一，電壓調(diào)整性能。具體來說，就是輸出電壓的調(diào)整性能，其可以表示出逆變器所輸出電壓的穩(wěn)壓效果。通常來說，逆變器產(chǎn)品是通過直流輸入電壓進行的，而且其波動范圍是在規(guī)定范圍中的。當(dāng)光伏逆變器的性能比較高時，那么當(dāng)負(fù)載從0朝向著100%進行變化時，那么這時輸出的電壓偏差的百分比責(zé)備叫作負(fù)載調(diào)整率[5]。對一個光伏逆變器來說，其電壓調(diào)整率需要處于±3%這個范圍之中。

第二，電站規(guī)模與啟動效果。對光伏電站而言，其規(guī)模能夠在一定程度上決定著逆變器選型，比如是大型的地面光伏電站，那么則建議選擇集中式逆變器。通常來說，逆變器需要確保在額定的負(fù)載之下進行啟動，而在集中式光伏電站逆變器選型中只要選擇合適的類型，就能多次滿負(fù)荷啟動，并且還不會對功率開關(guān)器件等產(chǎn)生損壞。而對一些小型的逆變器來說，為確保自身安全則會采取軟啟動進行工作。

第三，整機效率。整機效率能夠在一定程度上說明逆變器功率損耗情況。通常來說在kW級之下的逆變器，其效率大約在80%左右，而10kW級效率則在85%左右，對于一些更大的功率，其效率就在90%之上。同時，逆變器的效率能夠影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量以及發(fā)電成本，所以在選擇逆變器時要選擇一些整機效率較高的類型。

6 結(jié)束語

綜上所述，逆變器在集中式光伏電站中是一個非常重要的組件，其存在著集中式與組串式兩種類型，所以在對其進行選型時需要根據(jù)集中式光伏電站的實際情況來進行確定。同時，在選型時還要考慮到光伏電站現(xiàn)有的系統(tǒng)輸出電流和輸入電流的強度，并對其運行組件實施靈活性的調(diào)整。選擇合適的逆變器不但可以降低造價，還可以有效提升發(fā)電效率。所以只有不斷完善逆變器的選型，才可以確保光伏電站根據(jù)計劃順利完成。