淺談組串式光伏逆變器的歷史及認(rèn)識(shí)的誤區(qū)

一、組串式逆變器的定義　　早期的光伏電池板價(jià)格很高，光伏電站的功率都不大，幾塊電池板組成一個(gè)組串，功率為幾百瓦到上千瓦，接入小功率單相逆變器，這種逆變器稱為組串式逆變器?！　〗?jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在的組串型逆變器指的是能夠直接跟組串連接，用于室外掛式安裝的單相或者三相輸出逆變器，功率為幾千瓦到幾十千瓦。它形成了一些固定的特性：防護(hù)等級(jí)高，多為IP65，能夠直接在室外安裝；直流輸入為光伏專用的MC4防水端子，能夠直接與電池板相連，不需要經(jīng)過直流匯流箱；輸出電壓范圍寬，輸出交流相電壓多為180~280V之間，能夠直接接入本地單相或者三相電網(wǎng)；MPPT路數(shù)通常為2個(gè)或者3個(gè)，MPPT控制更精細(xì)，效率高，設(shè)計(jì)靈活，能夠適應(yīng)各種不同應(yīng)用場景如地面電站，山地，樓面等環(huán)境的需求。　　二、并網(wǎng)光伏逆變器的發(fā)展歷程　　并網(wǎng)光伏逆變器的發(fā)展是和光伏電池板及光伏電站的發(fā)展緊密相連的，逆變器的功率完全是由光伏電站設(shè)計(jì)的需求決定的。德國的SMA是逆變器的代表公司，從它的產(chǎn)品發(fā)展歷史可以反映出光伏逆變器發(fā)展歷程：　　1991年，推出第一臺(tái)光伏逆變器產(chǎn)品，室內(nèi)安裝，有LCD顯示，能與計(jì)算機(jī)通信；　　1995年，推出組串式逆變器Sunny Boy產(chǎn)品，室外安裝；　　2002年，推出集中式逆變器Sunny Central產(chǎn)品，功率100kW；　　2006年，推出組串式逆變器Sunny Mini Central系列產(chǎn)品，效率達(dá)到98%，廣泛用于歐洲的地面電站；　　2009年，推出大功率集中式逆變器Sunny Central系列產(chǎn)品，功率達(dá)到500kW；　　2010年，推出三相組串式逆變器Tripower系列產(chǎn)品，最大功率17Kw，　　從SMA的產(chǎn)品發(fā)展歷史我們可以看到光伏逆變器發(fā)展的幾個(gè)階段：　　1）組串式逆變器是最早出現(xiàn)的逆變器，幾乎是伴隨著光伏電站發(fā)展的歷史發(fā)展起來的。SMA的組串式產(chǎn)品從1995年開始面世，當(dāng)時(shí)的光伏電站容量很小，多為1~2kW左右；　　2）隨著光伏電池板的發(fā)展，光伏電站容量越來越大，2002年SMA推出了集中式逆變器，但功率并不大，僅為100kW左右；　　3）2006年，電站容量進(jìn)一步變大，SMA推出的SMC（Sunny Mini Central）系列產(chǎn)品由于效率高，室外防護(hù)，安裝方便，在屋頂電站及地面電站中都占據(jù)了相當(dāng)大的市場份額。2008年隨著德國的并網(wǎng)法規(guī)越來越完善，歐洲各國的補(bǔ)貼政策陸續(xù)出臺(tái)，光伏電站在歐洲蓬勃發(fā)展，此時(shí)由于大功率的集中式逆變器不多，SMC系列產(chǎn)品用三臺(tái)單相機(jī)外加控制器組成的三相系統(tǒng)成為地面電站配置的主流，組串式逆變器開始廣泛應(yīng)用于大型的地面電站；　　4）由于組串式逆變器價(jià)格較高，SMA 2009年推出大功率的集中式逆變器產(chǎn)品，滿足大型的地面電站的要求。但同樣是2009年，Danfoss推出了10~15kW三相組串式系列產(chǎn)品，由于MPPT數(shù)量多，防護(hù)等級(jí)高，設(shè)計(jì)更加靈活，安裝維護(hù)方便，受到市場追捧，廣泛用于大型地面電站中。2010年SMA推出的三相組串式產(chǎn)品STP系列迅速成為其主力發(fā)貨產(chǎn)品，在歐洲廣受歡迎。此后在歐洲的大型地面電站中，集中式逆變器由于成本上占有優(yōu)勢而應(yīng)用較多，但組串式逆變器也占有一定的市場份額；　　5）自2013年以來，組串式逆變器由于競爭激烈，價(jià)格下降很快，采用用組串式逆變器方案的地面電站系統(tǒng)成本正在逐步接近采用集中式逆變器方案的電站。國際咨詢公司IHS在2014年4月發(fā)布了一個(gè)重要的調(diào)查結(jié)果：通過對(duì)300家太陽能安裝商、經(jīng)銷商及設(shè)計(jì)、采購和施工（EPC）公司調(diào)查的結(jié)果表明，在規(guī)模超過1MW的大型光伏發(fā)電站中，組串式逆變器　　從逆變器發(fā)展的歷史中可以看到，組串式逆變器在歐洲用于大型地面電站的歷史比集中式逆變器更久，技術(shù)也非常成熟。國內(nèi)的華為，陽光等逆變器廠商的組串式產(chǎn)品也已廣泛用于國內(nèi)外的地面電站中。在2014年的慕尼黑的intersolar論壇上，資深的光伏從業(yè)人士Manfred Bachler（曾是全球最大的EPC廠商Phoenix solar的首席技術(shù)官）就提出了用組串式逆變器改造現(xiàn)存的集中式逆變器的方案，給出的結(jié)論是5~6年可以收回改造的成本，主要的原因是因?yàn)榧惺侥孀兤骶S護(hù)麻煩，可用性差，僅僅在可用度方面就比組串式逆變器差6%?！　∪㈥P(guān)于組串式逆變器的認(rèn)識(shí)誤區(qū)　　在我國，光伏電站從2010年開始批量建設(shè)，此時(shí)國內(nèi)組串式逆變器供應(yīng)商少且技術(shù)不成熟，而國外的產(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，對(duì)技能要求非常高。組串式的這種維護(hù)方式優(yōu)勢非常明顯，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外，但幾乎所有廠商，都敢把組串式逆變器賣到國外。原因很清楚，國外的維護(hù)成本太高，維護(hù)人員出去費(fèi)用昂貴。備件也是一個(gè)問題，放在當(dāng)?shù)夭缓帽９?，隨身攜帶也不可行，到了現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)備件不合適還得從國內(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。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：長達(dá)20年維保周期里集中式逆變器出問題的概率是100%，出了問題維護(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的市場，另一方面就是國外廠商服務(wù)難以保證?！　墓收蠈?duì)電站的影響看，組串式逆變器也占有明顯優(yōu)勢：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?！　拈L時(shí)間看，組串式逆變器的維護(hù)優(yōu)勢更加明顯。舉個(gè)例子，用現(xiàn)在的組串小機(jī)去替換10年前組串式小機(jī)，直流側(cè)和交流側(cè)線纜相差不大，通信協(xié)議稍有差異，如果端子線纜不適配，完全可以通過外加線纜轉(zhuǎn)接的方式實(shí)現(xiàn)，而現(xiàn)在的組串式逆變器遠(yuǎn)比10年前的產(chǎn)品便宜，替換起來更簡單。如果用同一個(gè)廠家現(xiàn)在的集中式逆變器去替換10年前的機(jī)器，由于一般的產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間不超過5年，會(huì)發(fā)現(xiàn)所有的電路板，電感等元器件均不適配，而元器件的庫存也不可能超過5年，器件替換就非常昂貴且難找。用組串式逆變器實(shí)現(xiàn)相互替換更加現(xiàn)實(shí)且成本更低，而集中式逆變器替換的就跟重新建設(shè)電站沒有差別，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。國內(nèi)的集中式電站都是2010年以后才開始建設(shè)，維護(hù)問題還不突出，后續(xù)維護(hù)問題將會(huì)逐漸暴露。 　　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，高開關(guān)頻率三電平的組串式逆變器比低開關(guān)頻率兩電平的集中式逆變器更有優(yōu)勢。　?。?）軟件控制帶寬：逆變器的開關(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關(guān)頻率的1/10左右；組串式逆變器的開關(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)。控制頻率高，可以在控制環(huán)路中對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行檢測，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)?！　。?）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合較難碰到，而分布式的低壓并網(wǎng)場合由于本地負(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)?！　∵@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說，設(shè)計(jì)上一般1～2MW組成一個(gè)并網(wǎng)單元，通過隔離變壓器并網(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?！　?）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)逆變器還需要檢測到電網(wǎng)的相位，才能發(fā)出無功對(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)量沒有必然的聯(lián)系。德國中壓并網(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)的測試，然后根據(jù)單機(jī)測試結(jié)果進(jìn)行建模仿真。多機(jī)并聯(lián)的低穿特性通過軟件仿真得到，在并聯(lián)仿真的過程中多臺(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?！　?）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?！　∧孀兤鞯姆拦聧u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)式方案通過檢測逆變器交流輸出端電壓或頻率的異常來檢測孤島效應(yīng)，這種方案中，各臺(tái)逆變器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行檢測，多臺(tái)逆變器之間是不會(huì)產(chǎn)生相互干擾的。主動(dòng)式方案通過有意地引入擾動(dòng)信號(hào)來監(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?！　?biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的過程中，反孤島的測試非常嚴(yán)格，測試機(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，逆變器通過電壓和頻率檢測等被動(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)際電站中沒有因?yàn)楣聧u而出現(xiàn)問題的案例?！　∷?、總結(jié)　　隨著我國光伏電站的裝機(jī)容量越來越大，發(fā)電量和可維護(hù)性將成為電站設(shè)計(jì)的考慮重要因素。組串式逆變器技術(shù)成熟，設(shè)計(jì)靈活，維護(hù)方便，適應(yīng)性強(qiáng)，不僅能夠用于分布式的屋頂電站，而且在大型地面電站中也將得到廣泛的應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，在未來的一段時(shí)間內(nèi)，組串式逆變器我國的光伏電站中將占據(jù)越來越重要的地位。(山西電力勘測設(shè)計(jì)院  王艷國)