淺談組串式光伏逆變器的歷史及認(rèn)識(shí)的誤區(qū)

　　在我國(guó)，光伏電站從2010年開(kāi)始批量建設(shè)，此時(shí)國(guó)內(nèi)組串式逆變器供應(yīng)商少且技術(shù)不成熟，而國(guó)外的產(chǎn)品價(jià)格很高，在大型地面電站中使用組串式逆變器方案系統(tǒng)成本遠(yuǎn)高于使用集中式逆變器的方案，這就使得集中式逆變器成為地面電站的首選，從而造成了集中式逆變器在我國(guó)的地面電站中占據(jù)了絕對(duì)的統(tǒng)治地位。廣大的光伏從業(yè)者由于對(duì)組串式逆變器不熟悉，還存在著認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，主要有以下幾點(diǎn)：

　　1）誤區(qū)一，地面電站中組串式逆變器機(jī)器數(shù)量多，維護(hù)比集中式更復(fù)雜更難

　　這種觀點(diǎn)其實(shí)是對(duì)集中式和組串式維護(hù)方式不了解導(dǎo)致。組串式逆變器的維護(hù)一般是由電站運(yùn)維人員直接整機(jī)更換，對(duì)技能要求低；而集中式的維護(hù)則是必須由廠家技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)技能要求非常高。組串式的這種維護(hù)方式優(yōu)勢(shì)非常明顯，特別是在偏遠(yuǎn)的地區(qū)或者海外。一個(gè)明顯的事實(shí)可以證明：負(fù)責(zé)任的逆變器的廠商，很少敢把集中式逆變器賣到國(guó)外，但幾乎所有廠商，都敢把組串式逆變器賣到國(guó)外。原因很清楚，國(guó)外的維護(hù)成本太高，維護(hù)人員出去費(fèi)用昂貴。備件也是一個(gè)問(wèn)題，放在當(dāng)?shù)夭缓帽９?，隨身攜帶也不可行，到了現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)備件不合適還得從國(guó)內(nèi)重新發(fā)，不僅耽誤時(shí)間，還可能引發(fā)電站業(yè)主的索賠，這都將成為逆變器廠商的噩夢(mèng)。如果客戶要跟逆變器廠商簽20年的維保合同，那對(duì)逆變器廠商而言恐怕不是什么好事：長(zhǎng)達(dá)20年維保周期里集中式逆變器出問(wèn)題的概率是100%，出了問(wèn)題維護(hù)幾次就把賣設(shè)備掙的錢給賠進(jìn)去了。這也解釋了為什么各國(guó)集中式逆變器的供應(yīng)商幾乎全是本土廠商的原因，一方面是本土廠商更熟悉本國(guó)的市場(chǎng)，另一方面就是國(guó)外廠商服務(wù)難以保證。

　　從故障對(duì)電站的影響看，組串式逆變器也占有明顯優(yōu)勢(shì)：假設(shè)組串式逆變器和集中式逆變器的年故障率都是1%，1MW電站有2臺(tái)集中式逆變器，40臺(tái)組串式逆變器，按照組串式逆變器平均修復(fù)時(shí)間為2小時(shí)，集中式為12小時(shí)計(jì)算（考慮到各廠家響應(yīng)時(shí)間不一樣，集中式的實(shí)際修復(fù)時(shí)間可能還要長(zhǎng)很多），組串式逆變器故障造成的發(fā)電量損失只有集中式的1/6，如下表所示，這其中的根本原因還是維護(hù)方式的差異。

　　2）誤區(qū)二，組串式逆變器機(jī)器數(shù)量多，電站諧波將會(huì)變大

　　諧波是指電中中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電壓或者電流分量，一般是指對(duì)周期性的非正弦電流進(jìn)行傅立葉分解，扣除基波以外其他頻率點(diǎn)的電流分量。諧波電流會(huì)在電網(wǎng)短路阻抗上產(chǎn)生諧波電壓降，影響電壓輸出波形（用戶端電壓=電網(wǎng)穩(wěn)定電壓-諧波電壓降）。

　　電網(wǎng)諧波的主要來(lái)源于三個(gè)方面：一是發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波；二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波；三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，其中用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多。在用電設(shè)備中，由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

　　逆變器屬于發(fā)電設(shè)備，它本身對(duì)輸出電壓是不控的，依托于電網(wǎng)電壓，只是把電流灌入電網(wǎng)，這種工作方式對(duì)電網(wǎng)電壓諧波的影響較?。ǖ绻孀兤饕l(fā)了電網(wǎng)的諧振除外），所以在衡量光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量時(shí)，在電網(wǎng)電壓諧波能夠達(dá)到5%要求的情況下，重點(diǎn)關(guān)注的是逆變器輸出的電流諧波。逆變器的電流諧波主要和以下幾個(gè)因素有關(guān)：

　?。?）輸出電壓波形質(zhì)量：逆變器的控制算法中輸出電壓為正弦波，當(dāng)經(jīng)過(guò)逆變器調(diào)制輸出PWM波有畸變時(shí)，將影響逆變器的輸出諧波與控制效果。 提高開(kāi)關(guān)頻率與輸出PWM電平數(shù)有助于降低PWM波形的畸變率，高開(kāi)關(guān)頻率三電平的組串式逆變器比低開(kāi)關(guān)頻率兩電平的集中式逆變器更有優(yōu)勢(shì)。

　?。?）軟件控制帶寬：逆變器的開(kāi)關(guān)頻率越高，控制帶寬越寬，對(duì)于寬范圍的電流諧波抑制更充分，為保證穩(wěn)定性，逆變器的控制帶寬通常取開(kāi)關(guān)頻率的1/10左右；組串式逆變器的開(kāi)關(guān)頻率（16kHz左右）遠(yuǎn)高于集中式逆變器（兩電平逆變器為3kHz，三電平可以做到8k左右），控制帶寬更寬，對(duì)于低次諧波的控制能力更強(qiáng)?？刂祁l率高，可以在控制環(huán)路中對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行檢測(cè)，加入對(duì)低頻諧波的抑制程序，使得逆變器的輸出電流諧波比電網(wǎng)的電壓諧波做的更好。

　?。?）并網(wǎng)濾波器性能：控制帶寬以外輸出電流高頻成分，需要依賴濾波器來(lái)濾除，組串式逆變器一般采用LCL型濾波器，具有高頻諧波衰減能力強(qiáng)、受并網(wǎng)阻抗影響小的優(yōu)點(diǎn)。

　　（4）并機(jī)諧波抵消能力：1個(gè)方陣多臺(tái)組串式逆變器距離升壓變壓器距離不一樣，線路阻抗會(huì)有差異。線路阻抗會(huì)等效改變并網(wǎng)LCL濾波器中L2的電感，不同的濾波器參數(shù)會(huì)改變諧波的相位。當(dāng)多臺(tái)組串式逆變器并聯(lián)工作時(shí)，諧波成分將會(huì)由于相位的差異而部分相互低消，降低系統(tǒng)整體的諧波值。

　　從以上四點(diǎn)可以看出，組串式逆變器的輸出電流諧波原理上并不會(huì)比集中式的差，由于其工作頻率更高，完全可以在算法中加入諧波抑制的算法，保證輸出電流諧波不受電網(wǎng)諧波的干擾，這是比集中式更有優(yōu)勢(shì)的地方。

　　3）誤區(qū)三，組串式逆變器的并聯(lián)的數(shù)量多，更容易引起諧振，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定

　　逆變器多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)由光伏電池陣列、多臺(tái)逆變器、輸配電設(shè)備與電網(wǎng)組成。逆變器和輸配電設(shè)備都具有很強(qiáng)的非線性，功率輸入端的光伏電池陣列與輸出電網(wǎng)也可能出現(xiàn)大幅度的擾動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)非常復(fù)雜。設(shè)計(jì)不合理有可能出現(xiàn)多臺(tái)逆變器之間，逆變器與電網(wǎng)之間的振蕩，導(dǎo)致逆變器保護(hù)脫網(wǎng)，甚至造成人身與財(cái)產(chǎn)損失。諧振的產(chǎn)生原因是多方面的，跟設(shè)備的數(shù)量多少并沒(méi)有直接的關(guān)系。舉個(gè)例子，從配電網(wǎng)的情況看，配電網(wǎng)中居民用戶有大量的用電設(shè)備，功率大小不等，但諧振的情況并不明顯，反而是工廠里面的數(shù)量少的大功率設(shè)備，更加容易引起諧振。

　　并網(wǎng)逆變器中常見(jiàn)的并聯(lián)諧振分為兩種情況：

　　第一種情況是逆變器多機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，其輸出并網(wǎng)端有公共阻抗引發(fā)了并聯(lián)逆變器之間的多機(jī)諧振。在并聯(lián)系統(tǒng)中，當(dāng)其中一臺(tái)逆變器的輸出電流含有諧波時(shí)，該諧波分量將在回路上產(chǎn)生諧波壓降，并影響并聯(lián)的其他逆變器的并網(wǎng)端電壓，當(dāng)該電壓諧波與逆變器的控制頻率接近時(shí)，就有可能導(dǎo)致多機(jī)并聯(lián)諧振。這種諧振多見(jiàn)于工作頻率較低的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，集中式逆變器工作頻率為3~8kHz，而組串式逆變器工作頻率高于16kHz，因此，并聯(lián)的集中式逆變器更容易出現(xiàn)這種諧振。

　　第二種情況是，逆變器端口有濾波電容，該電容與變壓器的漏感組成LC網(wǎng)絡(luò)，逆變器的輸出電流中含有的高次諧波正好與該LC網(wǎng)絡(luò)諧振頻率相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧振。此時(shí)如果電網(wǎng)中正好也含有相同頻率的高次諧波，震蕩就會(huì)加劇，從而導(dǎo)致了電網(wǎng)電壓的震蕩。這種諧振在電網(wǎng)較干凈的大型地面電站的場(chǎng)合較難碰到，而分布式的低壓并網(wǎng)場(chǎng)合由于本地負(fù)載情況復(fù)雜，電網(wǎng)中含有高次諧波含量較大時(shí)就可能出現(xiàn)。

　　這兩種諧振從本質(zhì)上看都是逆變器自身輸出含有高次諧波導(dǎo)致。抑制諧振的根本方法是改善逆變器的控制和LC濾波器的設(shè)計(jì)，保證逆變器輸出側(cè)不含高頻諧波。對(duì)于采用組串式逆變器的大型電站來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)上一般1～2MW組成一個(gè)并網(wǎng)單元，通過(guò)隔離變壓器并網(wǎng)。隔離變壓器將在MW單元之間起到良好的解耦作用，確保MW單元之間不會(huì)相會(huì)影響。在MW單元內(nèi)部，多機(jī)并聯(lián)時(shí)，由于組串式逆變器開(kāi)關(guān)頻率較高，一般達(dá)到16KHz以上，控制帶寬也相應(yīng)較寬，一般達(dá)到2kHz左右，而電網(wǎng)中的諧波分量一般不超過(guò)2kHz，在組串式逆變器的控制帶寬之內(nèi)，組串式逆變器可以在控制環(huán)路中加入這些諧波的抑制算法，使得逆變器對(duì)這些頻率的諧波不響應(yīng)，就能有效防止諧振的發(fā)生，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

　　4）誤區(qū)四，組串式逆變器的低壓穿越性能比集中式差

　　所謂低穿/零穿是逆變器檢測(cè)到電網(wǎng)電壓跌落后，短時(shí)間內(nèi)保持不脫網(wǎng)，并對(duì)電網(wǎng)輸出無(wú)功支持電網(wǎng)盡快恢復(fù)。零穿的時(shí)候電網(wǎng)電壓并不是完全跌到零，標(biāo)準(zhǔn)上認(rèn)為電網(wǎng)電壓跌倒5%以下就是零穿，因?yàn)榱愦r(shí)逆變器還需要檢測(cè)到電網(wǎng)的相位，才能發(fā)出無(wú)功對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行支撐。逆變器對(duì)低穿產(chǎn)生響應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于逆變器能夠及時(shí)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓的跌落，然后再根據(jù)內(nèi)部的算法做出相應(yīng)的反應(yīng)。在一個(gè)并網(wǎng)單元內(nèi)，交流線纜的阻抗不大，逆變器都能夠及時(shí)檢測(cè)到電網(wǎng)跌落并作出反應(yīng)。因此，低穿完全是逆變器自主的行為，不需要逆變器之間有任何的聯(lián)動(dòng)，電站的低穿特性跟逆變器的數(shù)量沒(méi)有必然的聯(lián)系。德國(guó)中壓并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)BDEW在業(yè)界第一次提出了低壓穿越的要求，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)逆變器低穿的評(píng)估主要是進(jìn)行單機(jī)的測(cè)試，然后根據(jù)單機(jī)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行建模仿真。多機(jī)并聯(lián)的低穿特性通過(guò)軟件仿真得到，在并聯(lián)仿真的過(guò)程中多臺(tái)逆變器之間也不會(huì)出現(xiàn)相互干擾導(dǎo)致低穿性能變差。

　　5）誤區(qū)五，多臺(tái)組串式逆變器相互干擾會(huì)導(dǎo)致孤島無(wú)法保護(hù)

　　孤島是指當(dāng)電網(wǎng)因當(dāng)電網(wǎng)因故障、事故、自然因素或停電維修等原因而跳脫中斷供電時(shí)，光伏并網(wǎng)逆變器未能即時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，仍繼續(xù)向電網(wǎng)輸送一定比例的電能，由太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載形成的一個(gè)電力公司無(wú)法掌握的自給供電孤島。從定義中可以看出，并網(wǎng)光伏逆變器形成孤島的條件有以下2個(gè)：逆變器系統(tǒng)與電網(wǎng)脫離；逆變器輸出功率與本地負(fù)載匹配，導(dǎo)致輸出電壓持續(xù)維持輸出，從而形成供電孤島運(yùn)行。

　　逆變器的防孤島保護(hù)方案分為主動(dòng)式防孤島保護(hù)方案和被動(dòng)式防孤島保護(hù)方案。被動(dòng)式方案通過(guò)檢測(cè)逆變器交流輸出端電壓或頻率的異常來(lái)檢測(cè)孤島效應(yīng)，這種方案中，各臺(tái)逆變器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，多臺(tái)逆變器之間是不會(huì)產(chǎn)生相互干擾的。主動(dòng)式方案通過(guò)有意地引入擾動(dòng)信號(hào)來(lái)監(jiān)控系統(tǒng)中電壓、頻率以及阻抗的相應(yīng)變化，以確定電網(wǎng)的存在與否。主動(dòng)式防孤島效應(yīng)保護(hù)方案主要有頻率偏移、電流脈沖注入引起的阻抗變動(dòng)、電力線載波通訊等。在主動(dòng)式孤島的方案中，如果一個(gè)并網(wǎng)單元中存在不同廠家的逆變器，是可能存在擾動(dòng)信號(hào)方向不一致導(dǎo)致主動(dòng)孤島方案受到影響的現(xiàn)象。

　　標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的過(guò)程中，反孤島的測(cè)試非常嚴(yán)格，測(cè)試機(jī)構(gòu)專門構(gòu)造了諧振頻率為50Hz的LC諧振網(wǎng)絡(luò)對(duì)孤島進(jìn)行測(cè)試，確保逆變器的在這些極端的情況下都能夠進(jìn)行孤島保護(hù)，逆變器為了滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，光靠被動(dòng)式反孤島還不夠，必須增加主動(dòng)式的反孤島方案。而在現(xiàn)實(shí)的并網(wǎng)中，諧振頻率正好50Hz的LC諧振網(wǎng)絡(luò)幾乎不可能碰到，逆變器通過(guò)電壓和頻率檢測(cè)等被動(dòng)反孤島手段就可以達(dá)到保護(hù)的目的。荷蘭有研究機(jī)構(gòu)發(fā)布報(bào)告表明，雖然歐洲有大量的電站都采用組串式逆變器，并且不同廠家的逆變器之間的主動(dòng)孤島方案可能都不一致，但僅靠被動(dòng)孤島方案就能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)，而被動(dòng)孤島方案是不會(huì)相互干擾的，所以實(shí)際電站中沒(méi)有因?yàn)楣聧u而出現(xiàn)問(wèn)題的案例。

　　四、總結(jié)