光伏電站逆變器選型指南

前言 　　光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)兩大主要部件之一，光伏逆變器的核心任務是跟蹤光伏陣列的最大輸出功率，并將其能量以最小的變換損耗、最佳的電能質(zhì)量饋入電網(wǎng)。由于逆變器是串聯(lián)在光伏方陣和電網(wǎng)之間，逆變器的選擇將成為光伏電站能否長期可靠運行并實現(xiàn)預期回報的關鍵，本文提出了“因地制宜，科學設計”——即根據(jù)光伏電站裝機規(guī)模、所處環(huán)境和電網(wǎng)接入要求，合理選擇逆變器類型，使得電站建設方、投資方、運營方以及電網(wǎng)等相關多方在安全、穩(wěn)定和收益上的共同利益最大化，促進光伏行業(yè)健康、有序發(fā)展。 　　一、光伏電站分類及電站特點 　　按照光伏電站安裝環(huán)境的不同，光伏電站一般分為荒漠電站、屋頂電站及山丘電站三種。（見表1） 　　荒漠電站：利用廣闊平坦的荒漠地面資源開發(fā)的光伏電站。該類型電站規(guī)模大，一般大于5MW，目前單個50MW以上規(guī)模的電站已十分常見；電站逆變輸出經(jīng)過升壓后直接饋入110KV、330KV或者更高電壓等級的高壓輸電網(wǎng)；所處環(huán)境地勢平坦，光伏組件朝向一致，無遮擋。該類電站是我國光伏電站的主力，主要集中在西部地區(qū)。 　　山丘電站：利用山地、丘陵等資源開發(fā)的光伏電站。該類電站規(guī)模大小不一，從幾MW到上百MW不等；發(fā)電以并入高壓輸電網(wǎng)為主；受地形影響，多有組件朝向不一致或早晚遮擋問題。這類電站主要應用于山區(qū)，礦山以及大量不能種植的荒地。 　　屋頂電站：利用廠房、公共建筑、住宅等屋頂資源開發(fā)的光伏電站。該類型電站規(guī)模受有效屋頂面積限制，裝機規(guī)模一般在幾千瓦到幾十兆瓦；電站發(fā)電鼓勵就地消納，直接饋入低壓配電網(wǎng)或35KV及以下中高壓電網(wǎng)；組件朝向、傾角及陰影遮擋情況多樣化。該類電站是當前分布式光伏應用的主要形式，主要集中在我國中東部和南方地區(qū)。 　　二、逆變器分類及特點 　　光伏逆變器根據(jù)其功率等級、內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及應用場合不同，一般可分為集中型逆變器、組串型逆變器和微型逆變器三種類型。（見表2） 　　集中型逆變器：主要特點是單機功率大、最大功率跟蹤（MPPT）數(shù)量少、每瓦成本低。目前國內(nèi)的主流機型以500KW、630KW為主，歐洲及北美等地區(qū)主流機型單機功率800KW甚至更高，功率等級和集成度還在不斷提高，德國SMA公司今年推出了單機功率2.5MW的逆變器。按照逆變器主電路結(jié)構(gòu)，集中型逆變器又可以分為以下兩種類型：（見表3) 　　集中型逆變器是目前大部分中大型光伏電站的首選，在全球5MW以上的光伏電站中，其選用比例超過98%。 　　組串型逆變器：單機功率在3-60KW之間。主流機型單機功率30-40KW，單個或多個MPPT，一般為6-15KW一路MPPT。該類逆變器每瓦成本較高，主要應用于中小型電站，在全球1MW以下容量的電站中選用率超過50%。 　　微型逆變器：單機功率在1KW以下，單MPPT，應用中多為0.25-1KW一路MPPT，其優(yōu)點是可以對每塊或幾塊電池板進行獨立的MPPT控制，但該類逆變器每瓦成本很高。目前在北美地區(qū)10KW以下的家庭光伏電站中有較多應用。 　　幾種逆變器的典型應用如圖所示。（見圖1）光伏組件通過串聯(lián)形成組串，多個組串之間并聯(lián)形成方陣，集中型將一個方陣的所有組串直流側(cè)接入1臺或2臺逆變器，MPPT數(shù)量相對較少；組串型將一路或幾路組串接入到一臺逆變器，一個方陣中有多路MPPT，微型逆變器則對每塊電池板進行MPPT跟蹤。 　　當各組件由于陰影遮擋或朝向不一致時，則會出現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)失配。組串型方案多路MPPT可以解決組串之間并聯(lián)失配問題，微型逆變器既可以解決組串之間的并聯(lián)失配，也可以解決組件之間的串聯(lián)失配。因此，從技術方面看，幾種逆變器的本質(zhì)區(qū)別在于對組件失配問題的處理。 　　以逆變器為核心的設計選型，需要在光伏系統(tǒng)生命周期內(nèi)尋找總發(fā)電量和總成本的平衡點，還要考慮電網(wǎng)接入，如故障穿越能力、電能質(zhì)量、電網(wǎng)適應性等方面的要求。依據(jù)各種逆變器的特點，結(jié)合所應用的光伏電站實際情況，從電網(wǎng)友好、高投資回報、方便建設維護等方面進行科學合理的選用。 　　三、不同電站的逆變器選型指南 　　1、荒漠電站——集中型優(yōu)勢明顯 　　集中型逆變器有以下幾方面的優(yōu)勢，是荒漠電站的首選。 　　更低的初始投資。根據(jù)對比分析，集中型方案較組串型逆變器方案在初投上每兆瓦節(jié)省投資約26萬元。（見表4） 　　發(fā)電量與組串型持平?；哪娬局屑行秃徒M串型發(fā)電量基本持平，綜合集中型在最高效率和過載能力等方面的優(yōu)勢，集中型發(fā)電量略高于組串型。少數(shù)電站出現(xiàn)的早晚前后排的遮擋，使用組串型無法克服，需要通過優(yōu)化組件布局進行規(guī)避。(見表5） 　　運維更方便更經(jīng)濟。通過對比集中型和組串型主流機型方案在100MW電站的運維數(shù)據(jù)，發(fā)電量損失二者相當；由于組串型設備是整機維護，而集中型設備是器件維護，設備維護成本上，集中型優(yōu)勢非常明顯。同時，在占地幾千畝的百MW級大規(guī)模電站中，對完全分散布置的組串逆變器進行更換，維護人員花在路途上的時間將遠高于進行設備更換的時間，這也是組串型的大型電站應用不利因素之一。(見表6） 　　集中型方案更加符合電網(wǎng)接入要求。高壓輸電網(wǎng)對并網(wǎng)的光伏發(fā)電在調(diào)度響應、故障穿越、限發(fā)、超發(fā)、平滑、諧波限制、功率變化率、緊急啟停等方面都有嚴格要求。故障穿越是指電網(wǎng)出現(xiàn)短路、浪涌、缺相情況下，逆變器必須能夠在625毫秒到幾秒的時間內(nèi)依然輸出一定容量的有功和無功功率，確保電力系統(tǒng)繼電保護能夠正常動作，由于集中型逆變器在電站中臺數(shù)少,單機功能強大，通訊控制簡單，故障期間能夠穿越故障的概率遠大于組串逆變器。 　　2013年6月中旬國網(wǎng)組織的實地低電壓穿越檢驗，多個型號集中逆變器也不同程度出現(xiàn)脫網(wǎng)情況，設想如果有上千臺小型逆變器在大型電站中運行，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，由于設備眾多控制復雜，電網(wǎng)耦合、諧振概率陡增，組串型逆變器必然會出現(xiàn)大量脫網(wǎng)、甚至設備自身損壞的情況，危及電網(wǎng)安全運行。另外由于逆變器數(shù)量太多，無法確保30ms內(nèi)響應無功調(diào)度指令的電網(wǎng)要求。 　　2、山丘電站——多MPPT集中型方案為主，也可考慮組串型方案 　　山丘電站可以看做地勢并不平坦的荒漠電站，也是饋入輸電網(wǎng)為主，規(guī)模多為5MW以上。在山丘電站項目中，通常一個坐標系下規(guī)劃100多KW左右容量組件（如125KW的組件鋪設成同一朝向），達到發(fā)電量和投資維護成本的最優(yōu)比例。 　　針對此應用開發(fā)的多MPPT模組模式的集中型逆變器，每路MPPT跟蹤100多KW組件，將同一朝向組件的設計占地面積單位縮小到約1000平米，大大提升了施工便利性并有效解決朝向和遮擋問題，同時共交流母線輸出，具備集中型逆變器電網(wǎng)友好性特點，是山丘電站的首選方案。 　　如果所選的山丘電站地形非常復雜，實現(xiàn)100多KW組件同一朝向鋪設施工難度很大，可以考慮組串型逆變器作為補充。 　　3、屋頂電站——推薦組串型，也可選用集中型方案 　　屋頂電站的設計相對較為復雜，受屋頂大小、布局、材質(zhì)承重、以及陰影遮擋等影響，需要通過組件鋪設和逆變器選型規(guī)劃來實現(xiàn)收益最大化。同時組件安裝在屋頂，需要考慮火災防范等安全問題。接入配電網(wǎng)，直接靠近用戶負荷，需要考慮用戶用電安全性，電能質(zhì)量符合要求，及與原有配電之間的繼電保護協(xié)調(diào)等。接入用戶配電網(wǎng)后，對用戶的功率因數(shù)影響十分明顯，逆變器除了輸出有功外，還需要快速的根據(jù)光伏系統(tǒng)實時發(fā)電情況、用戶實時負荷數(shù)據(jù)以及用戶配電房原有的SVC、SVG投入情況綜合計算以確定逆變器的實時無功輸出容量。因此，屋頂光伏系統(tǒng)方案的選用需要在安全、電網(wǎng)友好、投資回報、維護等多個因素中尋求平衡點。 　　屋頂結(jié)構(gòu)復雜，存在遮擋或朝向不一致，推薦選用組串型逆變器。屋頂結(jié)構(gòu)復雜，為了簡化設計，推薦使用組串型逆變器，并且根據(jù)實際屋頂和并網(wǎng)點的位置及并網(wǎng)點電壓等級，選擇逆變器。組串型逆變器需要具備拉弧監(jiān)測和關斷能力，以有效防止火災的發(fā)生，具備PID消除功能，具備高精度漏電流保護功能和孤島保護功能等。 　　大型廠房，考慮到屋頂承重和維護便利性，可選用集中型方案。工業(yè)廠房屋頂平坦、規(guī)模大、陰影遮擋少、朝向簡單、多為10KV中壓配電網(wǎng)并網(wǎng)。考慮到大多廠房為彩鋼屋頂，承重有限無法安裝組串型逆變器，以及日常維護便利、不影響正常生產(chǎn)運行等實際情況，可選用集中型逆變器。 　　總結(jié)：逆變器作為組件和電網(wǎng)之間的橋梁，是光伏系統(tǒng)的核心部件。根據(jù)電站規(guī)模、以及不同的應用場合，選擇合適的逆變器，對系統(tǒng)成本和發(fā)電量都大有益處。在規(guī)模大、地勢平坦的荒漠、灘涂，適合選用集中型逆變器；在規(guī)模較大、地勢起伏的山丘電站，適合選用多MPPT的集中型逆變器；在規(guī)模相對較小、布局多樣化的屋頂電站，適合選用組串型逆變器。因地制宜，科學選擇光伏電站逆變器，可以確保光伏電站在投資決策階段少走彎路，在后期運行維護階段更加可靠高效運行。（作者單位為陽光電源股份有限公司）