淺談“非主流”光伏技術(shù)（六）：聊聊逆變器

1．關(guān)于光伏扶貧項目

前一段時間，國家質(zhì)檢總局曝光了一批逆變器不合格名單。在本不平靜的光伏圈里，又激起了波瀾。筆者看了一下不合格原因，也看了廠家名單（名單中不乏上市公司，也不乏主要產(chǎn)品在10KW以下的著名廠家）基本就做出了判斷原因不在逆變器廠家，在電網(wǎng)。

絕大多數(shù)逆變器在城市里應(yīng)用都沒有什么問題，但是到了農(nóng)村，特別是沒有進(jìn)行過農(nóng)網(wǎng)改造的農(nóng)村就會問題頻出。

1．1 下面一個較典型的因為低電壓不能并網(wǎng)的案例

“某3臺逆變器安裝在某莊農(nóng)戶家。有1臺是單獨安裝在一個農(nóng)戶家。另外兩臺5KW逆變器安裝在另外一個農(nóng)戶家。這3臺逆變器在穩(wěn)定運行一周后，開始出現(xiàn)3臺逆變器反復(fù)啟動。且在天氣溫度高的情況下（中午12點－下午15點），基本停止工作不發(fā)電?！?/p>

原因由于該村是個大村。并且該村的電壓偏低。安裝時氣溫還比較適宜，順利并網(wǎng)。過了一星期左右的時間，當(dāng)?shù)貧鉁厣?，大部分的農(nóng)戶家里開空調(diào)，當(dāng)用電量大了以后，致使當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)電壓偏低。超出了逆變器的交流電壓輸出范圍的下限（187－270VAC）。又一周后，項目現(xiàn)場下過大雨，村里用電量變少，電網(wǎng)的電壓就又滿足了逆變器電壓要求，系統(tǒng)工作正常?！?/p>

很多公司遇到這種情況都會把逆變器的電壓調(diào)寬，從原來的（178－270）VAC調(diào)到（140－270）VAC，有海外市場的企業(yè)會把“安規(guī)”調(diào)整到“澳洲安規(guī)”。從而造成抽檢不合格。

1．2 還有一種情況是電壓超上限，導(dǎo)致逆變器不工作

“某扶貧項目幾十臺逆變器并聯(lián)組網(wǎng)時，逆變器出現(xiàn)輸出電壓過高導(dǎo)致的重連，有異常響聲等問題，影響用戶發(fā)電量?！?/p>

為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？我們做一個計算。

首先，線路的電阻，即逆變器端到變壓器端的阻抗（這里按照純電阻計算，交流電比較復(fù)雜）

R＝ρ＊L／S銅電阻率0．0175，鋁電阻率0．0283（項目現(xiàn)場使用鋁線）

當(dāng)?shù)夭⒕W(wǎng)點離變壓器1400米L＝1400M

輸電線徑95mmS＝95

R＝ρ＊L／S＝0．0283＊1400／95＝0．4Ω

該項目每條火線上平均有13臺機器，太陽光照強時，平均一臺機器往外輸出電流為10A，那么13臺機器電流就為130A，此時電壓最大能被抬升130＊0．4＝52V！即從變壓器到逆變器端的電壓會被抬升52V。根據(jù)在現(xiàn)場測試結(jié)果，中午時，變壓器低壓側(cè)的電壓最高達(dá)到240V，加上電壓抬升，到逆變器輸出端電壓將達(dá)到240＋52＝292V，實際抬升的電壓會更高。超出逆變器電壓范圍，所以會報錯重連。在光照弱時，逆變器往外輸出電流小，電壓抬升小，逆變器輸出端電壓在正常范圍內(nèi)，也就能正常發(fā)電。這也是為什么現(xiàn)場有時重連現(xiàn)象更頻繁的原因。

逆變器廠家也會把電壓（178－270）VAC的上限調(diào)高，有時候會調(diào)高到320VAC。從而也會造成抽檢不合格。

1．3 光伏扶貧遇到的問題

由于國家農(nóng)村電網(wǎng)分布廣，發(fā)展不一，農(nóng)網(wǎng)的電能質(zhì)量一些問題和特點給光伏發(fā)電，尤其逆變器端的運行帶來了一定挑戰(zhàn)，同時現(xiàn)行的光伏逆變器標(biāo)準(zhǔn)更多的是依據(jù)地面電站，發(fā)達(dá)地區(qū)電網(wǎng)而設(shè)計，因此存在著一定的不適應(yīng)性，這些均要求光伏發(fā)電設(shè)計端，EPC端等做出合理的設(shè)計和考量，獲得最大的發(fā)電穩(wěn)定性和效率。

對光伏發(fā)電而言，農(nóng)村電網(wǎng)有如下幾個電能質(zhì)量特點容易影響到逆變器的正常運行

1）線路損耗大

線路導(dǎo)線有效截面較小很多分布式光伏發(fā)電裝置是依托現(xiàn)有的輸配電設(shè)施進(jìn)行電站建設(shè)，一些區(qū)域由于施工較早，既有設(shè)施容量偏低，對負(fù)荷（光伏發(fā)電容量，對電網(wǎng)而言是一個反向的負(fù)荷）預(yù)期不準(zhǔn)確，導(dǎo)致導(dǎo)線截面選擇過小，采用鋁線電阻率偏高，電源點建設(shè)較少，低壓配電線路供電半徑較長，當(dāng)供電半徑超過一定長度時（合理建議最大不超過0．5km，配變應(yīng)設(shè)在接近負(fù)荷中心的位置），線路損耗太大，均造成逆變器側(cè)端電壓遠(yuǎn)高于PCC（公共接入點）電壓，導(dǎo)致逆變器電壓范圍高出法定要求范圍（CQC電壓范圍187V—252V），逆變器頻繁跳脫，發(fā)電量較少或無法正常工作；

2）三相電壓不平衡農(nóng)村電網(wǎng)電工水平低，設(shè)計或增容時三相負(fù)載不平衡，引起中點偏移，導(dǎo)致相電壓不平衡，負(fù)載輕的一相電壓偏高，負(fù)載重的一相電壓偏低，部分地區(qū)因此超過國標(biāo)要求的《三相電壓允許不平衡度》要求，導(dǎo)致逆變器無法正常工作；

3）配變?nèi)萘啃。到y(tǒng)阻抗高負(fù)荷高峰時出現(xiàn)超負(fù)荷情況，導(dǎo)致電壓偏低，負(fù)載低谷時電壓又偏高，單日周期內(nèi)電壓有明顯的大范圍變化，超過《供電電壓允許偏差》范圍，變電站主變采用有載自動調(diào)壓式變壓器可以減緩這個問題；配變?nèi)萘?、配電線路長還有一個嚴(yán)重的問題是使得系統(tǒng)阻抗相比很大，系統(tǒng)阻抗大帶來的顯著問題是使得逆變器多機并聯(lián)的系統(tǒng)穩(wěn)定性下降、諧波放大，單一點數(shù)量越多越明顯，通常逆變器廠家會限制逆變器交流端到PCC點的傳輸距離，以及總的并聯(lián)數(shù)量。

1．4 個人對農(nóng)村光伏扶貧的建議

農(nóng)網(wǎng)目前特點是電網(wǎng)差、線損大、安全用電水平有待提高。其中線損是指供電系統(tǒng)在傳輸電能的過程中，在線路和變壓器中的損耗電量。

線損有以下幾種表現(xiàn)

（1）設(shè)備漏電鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)、農(nóng)戶大多以便宜價格購進(jìn)城市淘汰下來的非標(biāo)準(zhǔn)用電設(shè)備，長年失修，漏電嚴(yán)重。

（2）線路老化集中表現(xiàn)在拆股線，小線徑導(dǎo)線長年負(fù)荷重，加速老化，難經(jīng)風(fēng)雨，漏電多，電壓降大。

（3）設(shè)備超載大多數(shù)農(nóng)戶一方面是缺乏電器知識，另一方面是圖省錢蠻干，使得配變、電機、線路超載運行，熱耗增加。

（4）配電變壓器容量不合適，損耗高由于線路供電半徑過長，電壓質(zhì)量差，線損大，耗電嚴(yán)重。

（5）私拉亂接，室內(nèi)布線差農(nóng)村遇農(nóng)忙季節(jié)、集會場合，私拉亂接，違章用電；室內(nèi)線路敷設(shè)私自安裝，老化失修，捕電嚴(yán)重。

（6）管理混亂表現(xiàn)在竊電普遍、表計失準(zhǔn)、用人情電、賬目混亂等方面，管理失控?！?】

由于上述因素，從技術(shù)層面來說，對于偏遠(yuǎn)、沒有經(jīng)過農(nóng)網(wǎng)改造的農(nóng)村，不適合一家一戶一臺逆變器。而應(yīng)該規(guī)劃為一個并網(wǎng)點，減少逆變器的使用量。從其他層面來說，中國人有一個特點“不患寡，而患不均”。如果離變壓器較遠(yuǎn)的用戶，天天出問題，收益相對減少，很難保證他們沒有意見。

2．關(guān)于逆變器認(rèn)識的一些誤區(qū)

不知道從什么時候開始，光伏設(shè)計開始流行逆變器超配。這沒有錯，但是大家超配有些過頭了。

我們用公認(rèn)業(yè)內(nèi)最好的“合肥陽光”逆變器為例。SG500MX的參數(shù)如下圖

首先，為什么最大輸入電壓不是1200V，不是1100V？因為市場上主流的母線支撐電容最大耐壓等級是1100V，我們的IBGT一般是1200V／1400A，按照木桶原理，我們要按照電容的耐壓等級設(shè)計逆變器的輸入電壓，那么逆變器的直流電壓上限是1000V（留100V的余量，可以延長電容的壽命）。我們做組件串并聯(lián)設(shè)計的時候，不要刻意的用1000V去除以組件的開路電壓，用900V或者950V就可以了。

其次，為什么MPPT電壓的上限是850V下限是460V？SG500MX的輸出交流電壓是315V，315是交流電壓的平均值，平均值跟最大值的關(guān)系是1．41＊315＝445V。

為什么上限是850V，這個問題就有一點復(fù)雜了。這牽扯到逆變器IGBT的損耗問題。

IGBT的損耗主要包括通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。

通態(tài)損耗主要取決于IGBT的導(dǎo)通飽和壓降Vce（sat），開關(guān)損耗主要取決于開通時間Ton和關(guān)斷時間Toff，不同的頻率及不同的電路方式，這兩種損耗所占的總損耗的比例是不同的。當(dāng)工作頻率較低時，通態(tài)損耗是主要的，建議選取低飽和壓降的IGBT；當(dāng)工作頻率較高時，開關(guān)損耗是主要的，建議選取短拖尾電流的快速IGBT。

選用更大電流的模塊則可把開關(guān)速度提高并減小開關(guān)損耗。開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗，在串聯(lián)諧振電路中，IGBT開通時做到零電壓開通是較易做到的，這時的開通損耗極小；IGBT關(guān)斷時做到接近零電流關(guān)斷是可以做到的，這時的關(guān)斷損耗也較小。柵極電阻RG減小可縮短開通時間Ton和關(guān)斷時間Toff，并減小了開通損耗和關(guān)斷損耗，但卻增加了浪涌電壓和電磁干擾。

所以電壓越高IGBT的開關(guān)應(yīng)力越大，開關(guān)損耗變的很高。這就是為什么下圖所示850V時逆變器的效率最低。

組串逆變器也一樣，并不是組件串聯(lián)的數(shù)量越多越好，而是適中最好。希望光伏設(shè)計師學(xué)會看逆變器的效率曲線圖。不要去研究24塊一串好，還是23塊一串好。而是看最高和最低環(huán)境溫度時那種配置效率更高，不然就失去了組串逆變器的意義。

［1］翟明軍．金蓉 農(nóng)村電網(wǎng)改造的技術(shù)措施探討［期刊論文］－中國農(nóng)村水利水電2005（11）

作者張喆