光伏电站逆变器选型指南

前言 　　光伏逆变器是光伏发电系统两大主要部件之一，光伏逆变器的核心任务是跟踪光伏阵列的最大输出功率，并将其能量以最小的变换损耗、最佳的电能质量馈入电网。由于逆变器是串联在光伏方阵和电网之间，逆变器的选择将成为光伏电站能否长期可靠运行并实现预期回报的关键，本文提出了“因地制宜，科学设计”——即根据光伏电站装机规模、所处环境和电网接入要求，合理选择逆变器类型，使得电站建设方、投资方、运营方以及电网等相关多方在安全、稳定和收益上的共同利益最大化，促进光伏行业健康、有序发展。 　　一、光伏电站分类及电站特点 　　按照光伏电站安装环境的不同，光伏电站一般分为荒漠电站、屋顶电站及山丘电站三种。（见表1） 　　荒漠电站：利用广阔平坦的荒漠地面资源开发的光伏电站。该类型电站规模大，一般大于5MW，目前单个50MW以上规模的电站已十分常见；电站逆变输出经过升压后直接馈入110KV、330KV或者更高电压等级的高压输电网；所处环境地势平坦，光伏组件朝向一致，无遮挡。该类电站是我国光伏电站的主力，主要集中在西部地区。 　　山丘电站：利用山地、丘陵等资源开发的光伏电站。该类电站规模大小不一，从几MW到上百MW不等；发电以并入高压输电网为主；受地形影响，多有组件朝向不一致或早晚遮挡问题。这类电站主要应用于山区，矿山以及大量不能种植的荒地。 　　屋顶电站：利用厂房、公共建筑、住宅等屋顶资源开发的光伏电站。该类型电站规模受有效屋顶面积限制，装机规模一般在几千瓦到几十兆瓦；电站发电鼓励就地消纳，直接馈入低压配电网或35KV及以下中高压电网；组件朝向、倾角及阴影遮挡情况多样化。该类电站是当前分布式光伏应用的主要形式，主要集中在我国中东部和南方地区。 　　二、逆变器分类及特点 　　光伏逆变器根据其功率等级、内部电路结构及应用场合不同，一般可分为集中型逆变器、组串型逆变器和微型逆变器三种类型。（见表2） 　　集中型逆变器：主要特点是单机功率大、最大功率跟踪（MPPT）数量少、每瓦成本低。目前国内的主流机型以500KW、630KW为主，欧洲及北美等地区主流机型单机功率800KW甚至更高，功率等级和集成度还在不断提高，德国SMA公司今年推出了单机功率2.5MW的逆变器。按照逆变器主电路结构，集中型逆变器又可以分为以下两种类型：（见表3) 　　集中型逆变器是目前大部分中大型光伏电站的首选，在全球5MW以上的光伏电站中，其选用比例超过98%。 　　组串型逆变器：单机功率在3-60KW之间。主流机型单机功率30-40KW，单个或多个MPPT，一般为6-15KW一路MPPT。该类逆变器每瓦成本较高，主要应用于中小型电站，在全球1MW以下容量的电站中选用率超过50%。 　　微型逆变器：单机功率在1KW以下，单MPPT，应用中多为0.25-1KW一路MPPT，其优点是可以对每块或几块电池板进行独立的MPPT控制，但该类逆变器每瓦成本很高。目前在北美地区10KW以下的家庭光伏电站中有较多应用。 　　几种逆变器的典型应用如图所示。（见图1）光伏组件通过串联形成组串，多个组串之间并联形成方阵，集中型将一个方阵的所有组串直流侧接入1台或2台逆变器，MPPT数量相对较少；组串型将一路或几路组串接入到一台逆变器，一个方阵中有多路MPPT，微型逆变器则对每块电池板进行MPPT跟踪。 　　当各组件由于阴影遮挡或朝向不一致时，则会出现串联和并联失配。组串型方案多路MPPT可以解决组串之间并联失配问题，微型逆变器既可以解决组串之间的并联失配，也可以解决组件之间的串联失配。因此，从技术方面看，几种逆变器的本质区别在于对组件失配问题的处理。 　　以逆变器为核心的设计选型，需要在光伏系统生命周期内寻找总发电量和总成本的平衡点，还要考虑电网接入，如故障穿越能力、电能质量、电网适应性等方面的要求。依据各种逆变器的特点，结合所应用的光伏电站实际情况，从电网友好、高投资回报、方便建设维护等方面进行科学合理的选用。 　　三、不同电站的逆变器选型指南 　　1、荒漠电站——集中型优势明显 　　集中型逆变器有以下几方面的优势，是荒漠电站的首选。 　　更低的初始投资。根据对比分析，集中型方案较组串型逆变器方案在初投上每兆瓦节省投资约26万元。（见表4） 　　发电量与组串型持平。荒漠电站中集中型和组串型发电量基本持平，综合集中型在最高效率和过载能力等方面的优势，集中型发电量略高于组串型。少数电站出现的早晚前后排的遮挡，使用组串型无法克服，需要通过优化组件布局进行规避。(见表5） 　　运维更方便更经济。通过对比集中型和组串型主流机型方案在100MW电站的运维数据，发电量损失二者相当；由于组串型设备是整机维护，而集中型设备是器件维护，设备维护成本上，集中型优势非常明显。同时，在占地几千亩的百MW级大规模电站中，对完全分散布置的组串逆变器进行更换，维护人员花在路途上的时间将远高于进行设备更换的时间，这也是组串型的大型电站应用不利因素之一。(见表6） 　　集中型方案更加符合电网接入要求。高压输电网对并网的光伏发电在调度响应、故障穿越、限发、超发、平滑、谐波限制、功率变化率、紧急启停等方面都有严格要求。故障穿越是指电网出现短路、浪涌、缺相情况下，逆变器必须能够在625毫秒到几秒的时间内依然输出一定容量的有功和无功功率，确保电力系统继电保护能够正常动作，由于集中型逆变器在电站中台数少,单机功能强大，通讯控制简单，故障期间能够穿越故障的概率远大于组串逆变器。 　　2013年6月中旬国网组织的实地低电压穿越检验，多个型号集中逆变器也不同程度出现脱网情况，设想如果有上千台小型逆变器在大型电站中运行，一旦电网出现故障，由于设备众多控制复杂，电网耦合、谐振概率陡增，组串型逆变器必然会出现大量脱网、甚至设备自身损坏的情况，危及电网安全运行。另外由于逆变器数量太多，无法确保30ms内响应无功调度指令的电网要求。 　　2、山丘电站——多MPPT集中型方案为主，也可考虑组串型方案 　　山丘电站可以看做地势并不平坦的荒漠电站，也是馈入输电网为主，规模多为5MW以上。在山丘电站项目中，通常一个坐标系下规划100多KW左右容量组件（如125KW的组件铺设成同一朝向），达到发电量和投资维护成本的最优比例。 　　针对此应用开发的多MPPT模组模式的集中型逆变器，每路MPPT跟踪100多KW组件，将同一朝向组件的设计占地面积单位缩小到约1000平米，大大提升了施工便利性并有效解决朝向和遮挡问题，同时共交流母线输出，具备集中型逆变器电网友好性特点，是山丘电站的首选方案。 　　如果所选的山丘电站地形非常复杂，实现100多KW组件同一朝向铺设施工难度很大，可以考虑组串型逆变器作为补充。 　　3、屋顶电站——推荐组串型，也可选用集中型方案 　　屋顶电站的设计相对较为复杂，受屋顶大小、布局、材质承重、以及阴影遮挡等影响，需要通过组件铺设和逆变器选型规划来实现收益最大化。同时组件安装在屋顶，需要考虑火灾防范等安全问题。接入配电网，直接靠近用户负荷，需要考虑用户用电安全性，电能质量符合要求，及与原有配电之间的继电保护协调等。接入用户配电网后，对用户的功率因数影响十分明显，逆变器除了输出有功外，还需要快速的根据光伏系统实时发电情况、用户实时负荷数据以及用户配电房原有的SVC、SVG投入情况综合计算以确定逆变器的实时无功输出容量。因此，屋顶光伏系统方案的选用需要在安全、电网友好、投资回报、维护等多个因素中寻求平衡点。 　　屋顶结构复杂，存在遮挡或朝向不一致，推荐选用组串型逆变器。屋顶结构复杂，为了简化设计，推荐使用组串型逆变器，并且根据实际屋顶和并网点的位置及并网点电压等级，选择逆变器。组串型逆变器需要具备拉弧监测和关断能力，以有效防止火灾的发生，具备PID消除功能，具备高精度漏电流保护功能和孤岛保护功能等。 　　大型厂房，考虑到屋顶承重和维护便利性，可选用集中型方案。工业厂房屋顶平坦、规模大、阴影遮挡少、朝向简单、多为10KV中压配电网并网。考虑到大多厂房为彩钢屋顶，承重有限无法安装组串型逆变器，以及日常维护便利、不影响正常生产运行等实际情况，可选用集中型逆变器。 　　总结：逆变器作为组件和电网之间的桥梁，是光伏系统的核心部件。根据电站规模、以及不同的应用场合，选择合适的逆变器，对系统成本和发电量都大有益处。在规模大、地势平坦的荒漠、滩涂，适合选用集中型逆变器；在规模较大、地势起伏的山丘电站，适合选用多MPPT的集中型逆变器；在规模相对较小、布局多样化的屋顶电站，适合选用组串型逆变器。因地制宜，科学选择光伏电站逆变器，可以确保光伏电站在投资决策阶段少走弯路，在后期运行维护阶段更加可靠高效运行。（作者单位为阳光电源股份有限公司）