前言:光伏逆變器是光伏發電系統兩大主要部件之一,光伏逆變器的核心任務是跟蹤光伏陣列的最大輸出功率,並將其能量以最小的變換損耗、最佳的電能質量饋入電網。由於逆變器是串聯在光伏方陣和電網之間,逆變器的選擇將成為光伏電站能否長期可靠運行並實現預期回報的關鍵,本文提出了“因地制宜,科學設計”——即根據光伏電站裝機規模、所處環境和電網接入要求,合理選擇逆變器類型,使得電站建設方、投資方、運營方以及電網等相關多方在安全、穩定和收益上的共同利益最大化,促進光伏行業健康、有序發展。
  一、光伏電站分類及電站特點
  按照光伏電站安裝環境的不同,光伏電站一般分為荒漠電站、屋頂電站及山丘電站三種。
  荒漠電站:利用廣闊平坦的荒漠地面資源開發的光伏電站。該類型電站規模大,一般大於5MW,目前單個50MW以上規模的電站已十分常見;電站逆變輸出經過升壓後直接饋入110KV、330KV或者更高電壓等級的高壓輸電網;所處環境地勢平坦,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。
  山丘電站:利用山地、丘陵等資源開發的光伏電站。該類電站規模大小不一,從幾MW到上百MW不等;發電以併入高壓輸電網為主;受地形影響,多有組件朝向不一致或早晚遮擋問題。這類電站主要應用於山區,礦山以及大量不能種植的荒地。
  屋頂電站:利用廠房、公共建築、住宅等屋頂資源開發的光伏電站。該類型電站規模受有效屋頂面積限制,裝機規模一般在幾千瓦到幾十兆瓦;電站發電鼓勵就地消納,直接饋入低壓配電網或35KV及以下中高壓電網;組件朝向、傾角及陰影遮擋情況多樣化。該類電站是當前分佈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。
  二、逆變器分類及特點
  光伏逆變器根據其功率等級、內部電路結構及應用場合不同,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。
  集中型逆變器:主要特點是單機功率大、最大功率跟蹤(MPPT)數量少、每瓦成本低。目前國內的主流機型以500KW、630KW為主,歐洲及北美等地區主流機型單機功率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構,集中型逆變器又可以分為單機型和模組並聯型。
  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,主要應用於中小型電站,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。
  光伏組件通過串聯形成組串,多個組串之間並聯形成方陣,集中型將一個方陣的所有組串直流側接入1台或2台逆變器,MPPT數量相對較少;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。當各組件由於陰影遮擋或朝向不一致時,則會出現串聯和並聯失配。組串型方案多路MPPT可以解決組串之間並聯失配問題,微型逆變器既可以解決組串之間的並聯失配,也可以解決組件之間的串聯失配。因此,從技術方面看,幾種逆變器的本質區別在於對組件失配問題的處理。
  以逆變器為核心的設計選型,需要在光伏系統生命周期內尋找總發電量和總成本的平衡點,還要考慮電網接入,如故障穿越能力、電能質量、電網適應性等方面的要求。依據各種逆變器的特點,結合所應用的光伏電站實際情況,從電網友好、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——集中型優勢明顯
  集中型逆變器有以下幾方面的優勢,是荒漠電站的首選。
  更低的初始投資。根據對比分析,集中型方案較組串型逆變器方案在初投上每兆瓦節省投資約26萬元。
  發電量與組串型持平:荒漠電站中集中型和組串型發電量基本持平,綜合集中型在最高效率和過載能力等方面的優勢,集中型發電量略高於組串型。少數電站出現的早晚前後排的遮擋,使用組串型無法剋服,需要通過優化組件佈局進行規避。
  運維更方便更經濟。通過對比集中型和組串型主流機型方案在100MW電站的運維數據,發電量損失二者相當;由於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,集中型優勢非常明顯。同時,在占地幾千畝的百MW級大規模電站中,對完全分散佈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於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。
  集中型方案更加符合電網接入要求。高壓輸電網對並網的光伏發電在調度響應、故障穿越、限發、超發、平滑、諧波限制、功率變化率、緊急啟停等方面都有嚴格要求。故障穿越是指電網出現短路、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依然輸出一定容量的有功和無功功率,確保電力系統繼電保護能夠正常動作,由於集中型逆變器在電站中台數少,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於組串逆變器。2013年6月中旬國網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脫網情況,設想如果有上千台小型逆變器在大型電站中運行,一旦電網出現故障,由於設備眾多控制複雜,電網耦合、諧振概率陡增,組串型逆變器必然會出現大量脫網、甚至設備自身損壞的情況,危及電網安全運行。另外由於逆變器數量太多,無法確保30ms內響應無功調度指令的電網要求。
  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並不平坦的荒漠電站,也是饋入輸電網為主,規模多為5MW以上。在山丘電站項目中,通常一個坐標系下規劃100多KW左右容量組件(如125KW的組件鋪設成同一朝向),達到發電量和投資維護成本的最優比例。針對此應用開發的多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並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複雜,實現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複雜,受屋頂大小、佈局、材質承重、以及陰影遮擋等影響,需要通過組件鋪設和逆變器選型規劃來實現收益最大化。同時組件安裝在屋頂,需要考慮火災防範等安全問題。接入配電網,直接靠近用戶負荷,需要考慮用戶用電安全性,電能質量符合要求,及與原有配電之間的繼電保護協調等。接入用戶配電網後,對用戶的功率因數影響十分明顯,逆變器除了輸出有功外,還需要快速的根據光伏系統實時發電情況、用戶實時負荷數據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,屋頂光伏系統方案的選用需要在安全、電網友好、投資回報、維護等多個因素中尋求平衡點。
  屋頂結構複雜,存在遮擋或朝向不一致,推薦選用組串型逆變器。屋頂結構複雜,為了簡化設計,推薦使用組串型逆變器,並且根據實際屋頂和並網點的位置及並網點電壓等級,選擇逆變器。組串型逆變器需要具備拉弧監測和關斷能力,以有效防止火災的發生,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。工業廠房屋頂平坦、規模大、陰影遮擋少、朝向簡單、多為10KV中壓配電網並網。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、不影響正常生產運行等實際情況,可選用集中型逆變器。
  總結:逆變器作為組件和電網之間的橋梁,是光伏系統的核心部件。根據電站規模、以及不同的應用場合,選擇合適的逆變器,對系統成本和發電量都大有益處。在規模大、地勢平坦的荒漠、灘塗,適合選用集中型逆變器;在規模較大、地勢起伏的山丘電站,適合選用多MPPT的集中型逆變器;在規模相對較小、佈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,在後期運行維護階段更加可靠高效運行。(嚴信陽光電源股份有限公司)  (原標題:“因地制宜,科學設計”光伏電站逆變器選型指南)
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