分布式光伏電站中集中式逆變器和組串式逆變器的選擇比較

賈帥

（中電投（深圳）電力銷售有限公司，廣東 廣州 510000）

1 逆變器轉(zhuǎn)換效率重要性

提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率有很大的重要性。比如我們提高1%的轉(zhuǎn)換效率，500kW的逆變器，平均每天算4h，逆變器每天可以多發(fā)電20kW·h，那么1年就可以多發(fā)電7300kW·h，10年即可多發(fā)出73000kW·h。這樣就相當(dāng)于1臺(tái)5kW逆變器的發(fā)電量。這樣客戶可以節(jié)省1臺(tái)5kW逆變器的電站。所以為了提高客戶的最大利益，我們需要盡可能的提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率。

2 逆變器效率的影響因素

提高逆變器效率措施就是降低損耗，逆變器的主要損耗來自于IGBT、MOSFET等功率開關(guān)管，以及變壓器、電感等磁性器件。損耗和元器件的電流，電壓以及選用的材料采取的工藝有關(guān)系，見表1。

表1

IGBT的損耗主要有導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，其中導(dǎo)通損耗和器件內(nèi)阻、經(jīng)過的電流有關(guān)，開關(guān)損耗和器件的開關(guān)頻率，器件承受的直流電壓有關(guān)。電感的損耗主要有銅損和鐵損，銅損指電感線圈電阻所引起的損耗，當(dāng)電流通過線圈電阻發(fā)熱時(shí)，一部分電能就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p耗，由于線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成，因此稱為銅損，銅損可以通過測(cè)量變壓器短路阻抗來計(jì)算。鐵損包括兩個(gè)方面：一是磁滯損耗，另一是渦流損耗，鐵損可以通過測(cè)量變壓器空載電流來計(jì)算。

3 提高逆變器轉(zhuǎn)換效率技術(shù)路線

目前有三種技術(shù)路線：一是采用空間矢量脈寬調(diào)制等控制方式，降低損耗；二是采用碳化硅材料的元器件，降低功率器件的內(nèi)阻；三是采用三電平、五電平等多電平電氣拓?fù)湟约败涢_關(guān)技術(shù)，降低功率器件兩端的電壓，降低功率器件的開關(guān)頻率。

4 分布式光伏電站中集中式、組串式逆變器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

分布式光伏電站主要利用分散式的發(fā)電資源，裝機(jī)規(guī)模一般是比較小的、經(jīng)常布置在用戶附近的發(fā)電系統(tǒng)，分布式光伏電站特指采用光伏組件，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的分布式光伏電站。在分布式光伏電站中逆變器是重要的組成部分，逆變器是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉(zhuǎn)變成交流電(一般為220V,50Hz正弦波)。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。在分布式光伏電站中，逆變器最常用的有兩種，集中式逆變器、組串式逆變器，為了能夠更好的選擇和使用，就要全面的了解集中式逆變器、組串式逆變器各自的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。

4.1 集中式逆變器

集中式逆變器顧名思義是將光伏組件產(chǎn)生的直流電匯總轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姾筮M(jìn)行升壓、并網(wǎng)。因此，逆變器的功率都相對(duì)較大。光伏電站中一般采用500kW以上的集中式逆變器。

（1）集中式逆變器的優(yōu)點(diǎn)：①功率大，數(shù)量少，便于管理；元器件少，穩(wěn)定性好，便于維護(hù)。②諧波含量少，電能質(zhì)量高；保護(hù)功能齊全，安全性高。③有功率因素調(diào)節(jié)功能和低電壓穿越功能，電網(wǎng)調(diào)節(jié)性好。

（2）集中式逆變器的缺點(diǎn)：①容易出現(xiàn)故障，影響整體的發(fā)電。②惡劣天氣容易出現(xiàn)故障問題，導(dǎo)致停電。③集中式逆變器的安裝對(duì)技術(shù)要求比較高且要求逆變器和組件配合度高，匹配度低則會(huì)造成發(fā)電量損失。如果有遮擋、多云或者組件有問題，則會(huì)對(duì)整個(gè)光伏系統(tǒng)的效率產(chǎn)生影響。

（3）集中式逆變器的作用原理，如圖1。

圖1 集中式逆變器原理圖

4.2 組串式逆變器

現(xiàn)在我們常說的組串式逆變器指的是能夠直接跟組串連接，用于室外掛式安裝的單相或者三相輸出逆變器，功率為幾千瓦到幾十千瓦。像華為SUN2000-50KTL-C1、 古瑞瓦特30000-50000TL3-SE系列等等都屬于組串式逆變器。

（1）組串式逆變器的優(yōu)點(diǎn)。①組串式逆變器采用智能化的設(shè)計(jì)，可以在無風(fēng)扇和無熔絲的條件下運(yùn)行，還能解決直流匯流箱的故障問題，對(duì)于整個(gè)分布式光伏發(fā)電站也有很大作用。②組串式逆變器在運(yùn)作原理上最大的好處就是當(dāng)出現(xiàn)故障的時(shí)候可以精確的定位到故障的位置，從而提高運(yùn)作效率。③組串式逆變器對(duì)外部因素的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，適合地區(qū)比較多，但也有例外。④不受組串模塊差異和遮影的影響，減少了組件與逆變器間的匹配問題，發(fā)電量增加，且安裝售后方便，價(jià)格居中。

（2）組串式逆變器的缺點(diǎn)。①組串式逆變器在構(gòu)成上是比較復(fù)雜的，所有的電子元器件都比較多，對(duì)于制造和安裝就造成了很多的難題。②組串式逆變器的元器件中，電氣間隙比較小，也有不適宜安裝的地區(qū)，例如海拔比較高的地區(qū)。③組串式逆變器安全性能比較差，在直流分量過大的情況下，容易對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不良的影響。④組串式逆變器是由線路串聯(lián)而成，在并聯(lián)時(shí)，總的電波會(huì)增加。⑤組串式逆變器由于是組串式的， 所以容易出現(xiàn)故障問題，并且不好進(jìn)行監(jiān)護(hù)。⑥在發(fā)生故障的時(shí)候，不容易處理險(xiǎn)情。

（3）組串式逆變器的作用原理如圖2?？偟膩碚f，集中式逆變器和組串式逆變器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)上都存在差異和區(qū)別，但分布式光伏電站中集中式逆變器和組串式逆變器如何更好的進(jìn)行選擇，還要在細(xì)節(jié)的方面進(jìn)行比較。

圖2 組串式逆變器原理圖

5 集中式逆變器和組串式逆變器

（1）發(fā)電量。分布式光伏電站中集中式逆變器和組串式逆變器最大的區(qū)別就是一個(gè)功率大一個(gè)功率小。①集中式逆變器。集中式逆變器的功率一般主要是在50～630kW，在功率的器件上主要是采用大電流IGBT，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用DC-AC一級(jí)電力電子器件變換全橋逆變，工頻隔離變壓器的方式，防護(hù)等級(jí)一般為IP20。集中式逆變器體積較大，適合室內(nèi)立式安裝。集中式逆變器主要系統(tǒng)器件：光伏組件，直流電纜，匯流箱，直流電纜，直流匯流配電，直流電纜，逆變器，隔離變壓器，交流配電。②組串式逆變器。組串式逆變器一般是功率小于30kW，功率開關(guān)管采用小電流的MOSFET，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用DC-DC-BOOST升壓和DC-AC全橋逆變兩級(jí)電力電子器件變換，防護(hù)等級(jí)一般為IP65。組串式逆變器體積較小，可室外臂掛式安裝。組串式逆變器由組件、直流電纜、逆變器、交流配電、電網(wǎng)等組成。③集中式逆變器和組串式逆變器方案故障損失發(fā)電量對(duì)比如表2。

表2

（2）匯流箱的區(qū)別。集中式逆變器主要采用的是直流匯流箱，每兆瓦約12～16臺(tái)，而組串式逆變器主要采用交流匯流箱，每兆瓦約6～10臺(tái)。

（3）在外部條件上的區(qū)別。集中式逆變器一般在輻射高、氣候寒冷的地區(qū)有優(yōu)勢(shì)，而組串式逆變器可以適應(yīng)低照度天氣進(jìn)行發(fā)電，適應(yīng)外部條件更加的廣泛。

（4）運(yùn)維成本。目前500kW～1MW的集中式逆變器價(jià)格約在0.18～0.25元/W（集中式逆變器在分布式項(xiàng)目中較為少用），30～50kW的組串式逆變器在0.25～0.38元/W，微逆則在0.8元/W以上。各大逆變器廠家推出3～8kW的戶用光伏逆變器價(jià)格約在0.6～0.8元/W不等。此外，各大逆變器廠家開始使用功率優(yōu)化器，不過由于成本問題，功率優(yōu)化器一般在國(guó)外項(xiàng)目中使用較多。

（5）電能質(zhì)量。集中式逆變器單機(jī)最大總諧波失真小于3%。每兆瓦總諧波失真約為3%，組串式逆變器單機(jī)最大總諧波失真小于3%，新設(shè)備采用三電平Pwm與小互動(dòng)適應(yīng)電網(wǎng)諧波技術(shù)，每兆瓦總諧波失真約為3%。

（6）安裝及施工。集中式逆變器的設(shè)備體積比較大，所以在進(jìn)行安裝及施工時(shí)，需要專門的建造逆變器基礎(chǔ)，并且在施工的周期上要花費(fèi)的時(shí)間比較長(zhǎng)。組串式逆變器的設(shè)備一般體積比較小，可以安裝于支架上，不需要土建基礎(chǔ)施工，并且在施工上也不需要太多的時(shí)間就可以完成安裝。

（7）在運(yùn)行管理上。集中式逆變器的逆變器數(shù)量都比較少，每兆瓦只有2臺(tái)逆變器即可，在使用的過程中非常的方便監(jiān)控和管理。組串式逆變器一般的逆變器的數(shù)量都比較多，每兆瓦25～35臺(tái)，在進(jìn)行監(jiān)控和管理的時(shí)候工作量就比較大，所以以進(jìn)行管理和監(jiān)控比較困難。

（8）產(chǎn)品的安全可靠性。①系統(tǒng)安全性能。集中式逆變器因?yàn)橹饕捎玫氖侵绷麟?，在直流電中，電流的方向不隨時(shí)間變化和大小變化而進(jìn)行改變，所以在直流輸電線路中，各級(jí)是獨(dú)立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒有影響。組串式逆變器，當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，只需停運(yùn)故障極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能.組串式逆變器一般采用的是交流電，交流電的方向隨時(shí)間而進(jìn)行周期變化，但在交流輸電線路中，任一向發(fā)生永久性故障，必須全線停電。②在事故率上。在我們的研究分析中，組串式逆變器在運(yùn)行的過程中比集中式逆變器發(fā)生故障的概率更少，根據(jù)有關(guān)的研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，集中式逆變器火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，組串式逆變器發(fā)生火災(zāi)的次數(shù)比較少見。所以在安全方面組串式逆變器的可靠度更加高一點(diǎn)。③在散熱上。集中式逆變器和組串式逆變器的功率有很大的不同，所以在運(yùn)行的過程中，發(fā)出的熱量也是不同的，逆變器在發(fā)熱之后，都需要自身進(jìn)行散熱，散熱的程度直接決定了逆變器的使用質(zhì)量。在散熱上，集中式逆變器不能實(shí)現(xiàn)自然散熱，在散熱的方式上也是采用風(fēng)扇來進(jìn)行散熱處理，組串式逆變器可以實(shí)現(xiàn)自然散熱，從而達(dá)到更好的散熱效果。④在后期維護(hù)上。集中式逆變器的后期維護(hù)比較復(fù)雜，需要專門的人員來進(jìn)行處理，并且在發(fā)生故障時(shí)，一般處理的時(shí)間都比較長(zhǎng)，對(duì)分布式光伏電站會(huì)造成很大的不便，組串式逆變器的后期維護(hù)比較簡(jiǎn)單快捷，但是要具備組串監(jiān)控功能，監(jiān)控光伏輸入每一個(gè)組件的電壓和電流，在光伏系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于組件的質(zhì)量，外部環(huán)境影響或者安裝施工操作不當(dāng)，會(huì)造成組件損傷、電路故障等問題，如果沒有組串監(jiān)測(cè)功能，有些小問題前期檢測(cè)不到，最后會(huì)造成大問題。有些問題需要專門人員去現(xiàn)場(chǎng)排查，時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)電量損失大。只要對(duì)故障部位進(jìn)行維修處理即可。

6 綜合比較

經(jīng)過綜合的比較，在分布式光伏電站集中式逆變器和組串式逆變器的推薦方案如表3。

表3

7 結(jié)語

國(guó)家電網(wǎng)對(duì)分布式光伏電站有具體的要求和操作規(guī)定，在逆變器的選擇上，要綜合的考慮雙方的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在把握基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上，要根據(jù)分布式光伏電站所在地區(qū)的具體實(shí)際情況，進(jìn)行分析和考證，選擇出最適應(yīng)當(dāng)?shù)氐姆植际焦夥娬竞妥顑?yōu)的逆變器方案，從而促進(jìn)本地區(qū)分布式光伏電站更好的發(fā)展。