光伏电站解决方案对比分析

特变电工西安电气科技有限公司国家能源局敲定2014年国内光伏新装机容量达14GW，伴随着光伏电站规划目标的提升，引起了人们对电站设计方案的讨论，特别是针对组串式和集中式这两种光伏逆变器的选择。相比于国际市场，国内市场以大型地面电站为主，更多的光伏投资商倾向于集中式逆变器，本文主要从逆变器技术方案入手,就两种方案的适用场合及优劣势进行分析。1.方案介绍兆瓦级箱式逆变站解决方案：1MW单元采用一台兆瓦级箱式逆变站，内部集成2台500kW并网逆变器（集成直流配电柜）、交流配电箱等设备，该箱式逆变站箱体防护等级可达IP54，可直接室外安装,无需建造逆变器室土建房。兆瓦级箱式逆变站解决方案集中式解决方案：1MW单元需建设逆变器室，内置2台500kW并网逆变器（集成直流配电柜）、1台通讯柜等设备。现场需要建造逆变器土建房。集中式解决方案组串式解决方案：1MW单元采用40台28kW组串式并网逆变器，组串式逆变器防护等级IP65，可安装在组件支架背后。组串式解决方案2.方案对比2.1 投资成本对比组串式解决方案：集中式解决方案：兆瓦级箱式逆变站解决方案：备注：以上价格来源于各设备厂商及系统集成商，此报价仅供参考。设备数量均按照1MW单元计算。2.2 可靠性对比（1）元器件对比集中式解决方案：1MW配置2台集中式并网逆变器，单台设备采用单级拓扑设计，共用功率模块6个，2台并网逆变器共12个。单兆瓦配置设备少、总器件数少，发电单元更加可靠。另外，集中式逆变器采用金属薄膜电容，MTBF超过10万小时，保证25年无需更换。组串式解决方案：1MW配置40台组串式并网逆变器，单台设备采用双级拓扑设计，共用功率模块12个，40台并网逆变器共480个。功率器件电气间隙小，不适合高海拔地区。组串式逆变器采用户外安装，风吹日晒很容易导致外壳和散热片老化;且单兆瓦配置设备数量多、总器件数多，可靠性低；采用铝电解电容，MTBF仅为数千个小时，且故障后无法现场更换。（2）应用业绩对比集中式解决方案：集中式并网逆变器在大型地面电站中应用广泛，国内目前99%的光伏电站均采用该类型并网逆变器，市场占有率高，认可度高。组串式解决方案：组串式并网逆变器在大型地面电站中的应用极少，国内目前只在青海格尔木有4MW的运行业绩，市场占有率低，认可度低。根据全球最权威的光伏逆变器行业研究机构IHS截至2013年12月的统计，容量在5MW以上的光伏电站中，全球约2%的电站采用了组串式方案接入。各代表区域市场里面，比例最高的德国市场，采用组串式方案的比例为12%；近年市场容量排名第一第二的中国和美国市场，采用组串式方案很低，比例不到1%。（3）谐波及环流问题集中式解决方案：1MW电站仅需2台并网逆变器，接入双分裂变压器，交流侧无需汇流设备，完全不用考虑环流问题和谐波叠加问题，更加可靠。组串式解决方案：1MW多达40台组串式并网逆变器,单台设备在额定功率下的谐波含量远高于集中式逆变器，且40台逆变器并联后，会在并网点造成谐波叠加问题，而且较难抑制。另外，因交流输出侧采用双绕组变压器，多台设备间的环流问题严重。单台设备额定功率下的谐波电流对比（数据来源于CQC检测报告）（4）MPPT跟踪技术集中式解决方案：集中式并网逆变器采用单路MPPT跟踪技术，单级拓扑，无BOOST电路，完全适用于大型地面电站无遮挡的环境中，可靠性更高。组串式解决方案：组串式并网逆变器采用多路MPPT跟踪技术，双级拓扑，配备BOOST升压电路，主要针对分布式及小型电站设计，而大型地面电站因其组件种类单一、朝向角度一致、无局部遮挡，无需配置多路MPPT逆变器。（5）故障设备数量假设组串式逆变器故障率为1%，集中式故障率2%，电站容量按照100MW计算。集中式解决方案：100MW共需200台集中式并网逆变器，按照故障率2%计算，故障设备为4台，按照每台更换一半元器件的极端情况考虑，共需要花费＜30万。组串式解决方案：100MW共需4000台组串式并网逆变器，按照故障率1%计算，故障数量为40台，按照组串式整机更换的维护理念，共需人工更换逆变器40次，共需花费61.6万元。2.3 设备性能对比（1）逆变器效率对比为什么组串式并网逆变器的效率相比集中式低呢？原因主要在于常见的组串式并网逆变器采用DC-DC-AC双级拓扑，而集中式逆变器采用DC-AC单级拓扑，正是因为多一级直流升压电路从而导致逆变器整机效率下降，通常单级变换要比两级变换效率高0.4%以上，而组串式逆变器厂家对外宣称的效率通常是在高直流输入电压下测得，相当于关闭DC-DC逆变电路，但实际应用中母线电压不可能时刻保持在高电压下，所以组串式逆变器宣称效率远低于实际效率。按照100MWp电站（以西北各省平均日照小时数均在3000小时以上，折算成峰值日照小时数约为1650小时），参考当前电网电价0.95元/度，则25年可增加发电收入为1650（万元）。100（MW）×1650（小时）×25（年）×0.95（元/度）×0.4％=1568（万元）（2）功能对比集中式并网逆变器具备更加全面的功能，例如夜间无功补偿（SVG）、零电压穿越、无功调节、功率因数校正等，适应多种电网环境及大型地面电站的技术要求,同时能够响应电网的各种调度指令。组串式并网逆变器因针对分布式电站和小型地面电站设计，其单体功率小，应用在大型地面电站中则需要的设备总数巨大，单台逆变器虽可以实现零电压穿越功能，但多机并联时，零电压穿越、无功调节、有功调节等功能实现较难。多台设备是否能够同时应对电网的各种故障，还有待实践考验。（3）拓扑对比集中式并网逆变器采用单级拓扑，功率器件少、控制系统简单，技术成熟，大规模应用在大功率并网逆变产品中。组串式并网逆变器采用两级拓扑，功率器件多、控制系统复杂、驱动繁琐，主要应用在中小功率逆变器中。单级vs双级：组串式拓扑vs集中式拓扑：（4）过载能力对比集中式并网逆变器过载能力高达120%，能够匹配更大容量的光伏阵列，在光照条件良好的情况为用户带来更多的收益。组串式并网逆变器过载能力仅为110%，因组串式逆变器受到防护等级的限制，在设计时需将散热部分和发热元件采用单独封装的方式分开，冷空气无法直接经过主要发热元件，造成散热效率较低，所以过载能力受限。2.4 可维护性对比集中式并网逆变器采用模块化前维护设计，控制系统、散热风机、功率模块等均采用模块化设计，待专业的售后服务人员定位故障后，可在20分钟内完成更换，十分方便。组串式并网逆变器采用直接更换的维护方式，因设备数量较多，现场故障定位较为繁琐，仍然要与逆变器厂家沟通确认；其次逆变器现场应用分散，更换困难，整机更换维护成本高，且需要专门配置备件库房，尤其是在山丘或者站内路况较差的情况，需要人工搬运组串式逆变器，维护时间较长；再有因组串式没有一级汇流设备，如在白天更换无法断开直流侧，存在高电压危险，为保障人员安全只能在夜间进行更换，影响维护效率。3.对比总结通过以上的对比说明不难看出组串式逆变器应用在大型地面电站上面存在较大的风险，也会增加相应的投资；而集中式解决方案和兆瓦级箱式逆变站解决方案专门针对大型地面电站，优势非常突出，应用业绩也十分广泛，下面对三种方案进行系统的对比。4.结论集中式解决方案与兆瓦级箱式逆变站解决方案目前广泛应用在大型地面电中，此类电站装机容量多在5MW以上，一般处于地广人稀的沙漠、戈壁地带，组件布局朝向一致，极少出现局部遮挡；中压10KV或以上并网，对电能质量和电网调度要求高。因此要求逆变器输出功率高，可靠性好，设备运行维护快捷方便，电网适应性强，能够从容应对电网可能出现的各种故障。所以大功率集中式逆变器更加适用于5MW以上的大型地面电站。组串型式并网逆变器解决方案目前广泛应用在分布式电站和小型电站小型地面电站中，此类电站容量多在5MW以下，常以家用、商用屋顶为组件载体，单个屋顶或单个容量常小于100kW，系统能够直接并入低压配电网或供用户直接使用。分布式发电系统因受到屋顶角度、建筑物阴影、树木阴影等原因的影响，采用具备多路MPPT功能逆变器可灵活配置组件功率和种类，所以组串型逆变器更加适用于5MW以下的小型地面电站和分布式电站中。