集散式逆變器應用及設計方案探討

鄧宇

（上海電力設計院，上海 200025）

集散式逆變器應用及設計方案探討

鄧宇

（上海電力設計院，上海 200025）

近幾年我國光伏發(fā)電飛速發(fā)展，新增光伏裝機容量世界第一，累計光伏裝機容量世界前二。同時我國西北部光伏裝機已基本飽和，開始向東部和南部發(fā)展。本文就上海電力設計院在云南的光伏設計項目，結(jié)合當?shù)厣降氐那闆r提出了集散式逆變器配置方案，對集散式逆變器的應用提出了幾點看法。

光伏場；逆變器；集散式

1 采用集散式逆變器方案的緣由

近幾年我國光伏發(fā)電飛速發(fā)展，新增光伏裝機容量連續(xù)三年世界第一，累計光伏裝機容量世界前二，并有望在今年或明年成為世界第一。同時我國西北部光伏裝機已基本飽和，受到當?shù)仉娋W(wǎng)負荷較小和輸出線路容量增長相對緩慢等的約束，我國西北部光伏的發(fā)展速度開始大大減慢。

2013年以后，我國光伏開始逐漸向東部和南部發(fā)展。首先，東部和南部當?shù)仉娋W(wǎng)負荷較大，光伏所發(fā)電量更易消化，限制發(fā)電的可能性較小。其次，東部和南部距離用電負荷中心較近，光伏輸出線路建設更方便。但東部和南部受到土地資源的約束，如很多土地已經(jīng)開發(fā)利用，可成片/大片開發(fā)的土地基本不存在，同時還需考慮避讓耕地/林地等，造成光伏場選址困難。上海電力設計院在云南的光伏設計項目也受到上述土地資源的約束，只能在丘陵山地中挑選較平整較大的地塊來布置光伏場。

集中式逆變方案是大型光伏地面電站普遍采用的技術方案，系統(tǒng)技術相對成熟，電站可靠性較高，投資性價比高。但在丘陵山地中，由于各光伏組件朝向和傾角不統(tǒng)一，存在單機功率過大與光伏組件MPPT失配造成的發(fā)電量損失的矛盾。針對此種情況，考慮采用集散式逆變器，將逆變器MPPT功能下放至匯流箱，可將每MW光伏MPPT數(shù)量由集中式的2個提高到48個，可以很好地解決逆變器單機大功率化與光伏電池組件并聯(lián)MPPT失配損失之間的矛盾。

2 集散式逆變器的優(yōu)勢

在傳統(tǒng)的集中式MPPT優(yōu)化方案中，每500kW逆變器僅對應1路MPPT優(yōu)化單元，因此將因灰塵遮擋、陰影遮擋、組件劣化等造成不同特性的組件直接并聯(lián)在一起，會導致無法保證每個組件的最大出力，也就是說將存在非常明顯的組件匹配損失。這種現(xiàn)象在丘陵山地地區(qū)，當無法保證朝向和傾角一致時，發(fā)電量的損失將會更加明顯。采用小功率的組串式光伏逆變器理論上可以很好地解決光伏組件MPPT的失配造成的發(fā)電量損失，但卻存在輕載情況下轉(zhuǎn)換效率變差，以及輕載情況下的并網(wǎng)電能質(zhì)量劣化的問題，甚至出現(xiàn)其它一些并網(wǎng)及后期運維等問題，系統(tǒng)成本造價相比集中逆變系統(tǒng)也會提高。因此目前組串型光伏逆變器一般應用于并網(wǎng)規(guī)模較小的光伏發(fā)電系統(tǒng)中。而集散式逆變器方案，每22kW對應一路MPPT優(yōu)化單元，1MW具備48路獨立的MPPT優(yōu)化單元，可最大限度地減少因灰塵遮擋、陰影遮擋、組件劣化等不同特性而導致的組件失配帶來的發(fā)電量損失。在一致性較好的大型地面電站，系統(tǒng)發(fā)電量將有2%～3%的發(fā)電量提升，而在山地、屋頂?shù)葟碗s運行環(huán)境中發(fā)電量將有3%～5%的提升。同時集散式逆變器方案與傳統(tǒng)典型的大型并網(wǎng)光伏電站的設計方案（集中式逆變器）基本兼容，施工簡單、快捷，運行人員也不需重新適應新的運行維護方式。

集中式逆變器采用一臺1MW逆變器，也繼承了集中式逆變器高可靠性、易于維護和管理等優(yōu)點。集中式逆變器的輸入電壓范圍更寬，可更大限度地利用光能，工作電壓范圍將從傳統(tǒng)集中式逆變器的450VDC～820VDC，拓寬到300VDC～820VDC左右。光伏電池板通過MPPT方陣功率優(yōu)化器后，電壓被調(diào)節(jié)成穩(wěn)定的直流高壓（800VDC左右），從而使得其工作電壓范圍被顯著提升，高于280VDC的電壓都將可以被有效利用,從而有效利用了早晚以及弱光下的能量。集散式逆變器方案可以節(jié)省輸入/輸出電纜成本。集散式逆變方案將輸入直流電壓由傳統(tǒng)的600VDC左右的直流電壓提升到穩(wěn)定的800VDC左右，同等功率下電流下降25%，因此輸入直流電纜的截面可以降低，從而節(jié)省電纜購買費用。同樣對于交流輸出而言，集散式逆變方案的交流輸出電壓也由傳統(tǒng)的315VAC電壓提升到500VAC左右，同等功率下電流下降37%，因此輸出交流電纜的的截面可以降低，從而節(jié)省電纜購買費用。此外，集散式逆變器集成直流輸入配電柜功能，可以減少采購直流配電柜費用，進一步降低工程造價。

圖1

3 集散式逆變器的劣勢

集散式逆變器也有著一些劣勢。

首先，集散式逆變器使用的是單機1MW，單臺逆變器發(fā)生故障對發(fā)電量影響增大。

其次，集散式逆變器將MPPT功能下放至直流匯流箱，當電網(wǎng)下達有功功率調(diào)度命令時，控制中心由逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鲄R流箱，直流匯流箱的響應速度、直流匯流箱之間的配合以及可靠性尚需一段時間運行驗證。

再次，集散式逆變器方案的直流匯流箱功能更多，相應的對通信線纜的可靠性要求更高。如果遇到距離較遠或干擾較強的場所，通信線纜需改用光纜，相關的工程費用需要增加。最后，集散式逆變器運行業(yè)績和生產(chǎn)廠家較少，大規(guī)模應用集散式逆變器時，低電壓穿越/零電壓穿越等性能能否滿足電網(wǎng)要求尚未經(jīng)過較長時間運行檢驗。

4 集散式逆變器的配置方案

以上海電力設計院在云南丘北的光伏設計項目為例，項目場址位于丘陵山地，現(xiàn)場地形起伏多變。運用集散式逆變器方案，可以很好地解決光伏組件MPPT的失配造成的發(fā)電量損失，有效的提升發(fā)電量。

在本項目中，設計院采用了10MW的集散式逆變器方案，配置了10臺1MW集散式逆變器、110臺16進1出的直流防雷智能匯流控制箱以及10臺1100kVA箱式變壓器。集散式逆變器和直流防雷智能匯流控制箱配套提供，10MW分為兩部分，各為5MW，分別采用無錫上能和深圳禾望公司產(chǎn)品。箱式變壓器采用上海一電集團有限公司的產(chǎn)品。光伏組件首先通過光伏專用電纜接入至直流防雷智能匯流控制箱。每個直流防雷智能匯流控制箱可以接入16路光伏組串。直流防雷智能匯流控制箱匯總光伏所發(fā)電能后，將電壓穩(wěn)定在直流800V左右以一路輸出至1MW集散式逆變器。每個1MW集散式逆變器可接入11臺直流防雷智能匯流控制箱所匯集的直流電能，同時將直流電能逆變?yōu)?00V左右的交流電能。逆變器再通過電纜將交流電能傳送給就地升壓箱變，就地升壓箱變將電壓抬升到35kV后，通過35kV電纜接入當?shù)仉娋W(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。

逆變器箱房布置見圖1。

5 集散式逆變器的應用前景

集散式逆變器屬于新技術流派，它是逆變器行業(yè)中一個新的概念、新的發(fā)展方向，也是一個新的可供業(yè)主選擇的方案，其每MW光伏單元MPPT跟蹤路數(shù)也遠大于集中式逆變方案，適合于大型屋頂分布式光伏、復雜地形地面光伏項目，能有效提高這類光伏項目的發(fā)電量。

同時結(jié)合我國目前光伏發(fā)展狀況，在丘陵山地這類的復雜地形上建設光伏電站的情況將越來越多，可預見集散式逆變器的市場前景光明，將有越來越多的工程采用此種逆變器。

[1]建筑工程技術和設計. 2015年：光伏逆變器選型的探討.

[2]電氣技術，2015年6期：禾望集散式逆變器系統(tǒng)正式亮相上海SNEC第九屆光伏展.

[3] 2015第四屆分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術大會：集散式逆變器及其系統(tǒng)設計應用.

[4] 李正明，周建偉，張國松. 增強型準Z源逆變器的設計和驗證[J]. 電子技術應用，2017(05).

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