Fronius International GmbH光伏系統(tǒng)技術 Thomas M?hlberger J?rgen Wolfahrt

一 引言

逆變器在高負載的情況下能高效運行。當光照強度較弱時，損失會相對較大。這一方面是因為逆變器本身需消耗能量。從比例上來說，發(fā)電量較小時，消耗會更多。另一方面，多次開關機器也會使損耗增加，當發(fā)電量較低時，影響會更大。

由于逆變器大部分時間都是在有部分負載的情況下運行，所以，部分逆變器生產(chǎn)商就采用了主－副逆變原理，尤其是針對較高緯度的地區(qū)。Fronius主副逆變器交換(MIXTM)系統(tǒng)在這一原理基礎上有所突破，規(guī)避了主－副逆變原理的缺點，并應用于Fronius IG、Fronius IG Plus 和 Fronius CL集中式逆變器。

二 主－副逆變原理

典型的主－副逆變原理為:在一個由兩個或兩個以上的逆變器組成的系統(tǒng)中，其中一個起主導作用，始終作為主逆變器，負責控制所有的副逆變器。需要時，則開啟其他的副逆變器。在陰雨天或冬季，主逆變器可單獨工作，而所有的輔助逆變器都關閉。

這種運行模式意味著主逆變器運行的時間會比副逆變器長得多。即使是與非主－副模式運行的逆變器相比，主逆變器滿負荷運行的時間也很長。這樣，主逆變器的部件承受壓力非常大。從數(shù)據(jù)角度來說，這個事實可清楚地表明，主逆變器比起“普通”逆變器有更高的故障率，比副逆變器的故障率也高得多。并且，非常糟糕的情況是，當主逆變器發(fā)生故障后，所有的副逆變器也將停止工作，整個系統(tǒng)就會停止工作。因為，主逆變器負責管理并在需要時啟動副逆變器。這將導致發(fā)電量急劇降低，尤其在較大的光伏系統(tǒng)中更為明顯。

三 MIXTM系統(tǒng)的基本原理

MIXTM系統(tǒng)是主－副逆變原理的一個延伸，同樣具有部分負載下高效率的優(yōu)點，而且規(guī)避了運行時間和故障率方面的缺點。

MIXTM系統(tǒng)的工作原理為:一個功率模塊(主逆變器)負責協(xié)調和控制其他的功率模塊(Fronius目前已將這一原理擴展至15個功率模塊）?？刂栖浖詣訉⒅髂孀兤鬟@一角色分配給其中一個功率模塊。這種任務分擔的方法可有效減少單個功率模塊的運行時間，并且也能在部分負載的情況下提高發(fā)電量。

MIXTM系統(tǒng)中所有的功率模塊在本質上都是相同的，既可做主逆變器，也可是副逆變器。每個模塊的運行時間單獨計算。每次逆變器啟動時(通常是每天早晨)，控制軟件將會檢查哪個逆變器目前的總運行時間最短，那么這個逆變器就是(當天的)主逆變器。當光伏組件的輸出超過一定值(依據(jù)逆變器的額定輸出)，主逆變器就會開啟副逆變器。第二天早晨，又會再次檢查運行時間(依據(jù)目前的總運行時間確定)，另一個功率模塊就將變成主逆變器。MIXTM系統(tǒng)在穩(wěn)定性方面有著最高的標準。畢竟，一旦某個主逆變器發(fā)生故障，某個副逆變器可代替成為主逆變器，這樣，逆變器可持續(xù)輸出電力。也就是說，一個主逆變器故障，不會或者較少地影響到發(fā)電量。如果故障發(fā)生在下午、陰雨天或冬季，剩余的功率模塊可非常有序地工作，保證全額發(fā)電，這樣就不會“損失”任何一度電了。

四 MIXTM 系統(tǒng)的詳細內(nèi)容

任務分擔可節(jié)約運行時間，表1列出了MIXTM系統(tǒng)中逆變器整體和單個功率模塊分別減少的運行時間。其中，表中逆變器是帶有2個功率模塊的Fronius IG Plus 100，帶有3個功率模塊的Fronius IG Plus 150 和帶有 15個功率模塊的Fronius CL 60.0；第一列“逆變器總運行時間”表示在特定的月份內(nèi)，逆變器的總運行時間。第二列分別列出帶有2、3、15個功率模塊時，每個功率模塊不同的平均運行時間。

在冬季，12月份逆變器總運行為241h。根據(jù)2、3、15個不同的模塊數(shù)量，平均每個模塊的工作時間分別是139h、109h和71h。由于12月的光照相對較弱，通常一次只需開啟一個功率模塊。針對Fronius CL，當有3個以上功率模塊運行時，每次啟動都必須3個一組同時運行。

單個功率模塊不需要運行的時間比例表示為MIXTM因數(shù)(在15個功率模塊時，可高達70%)。

在夏季，7月份逆變器的總運行時間升至469h。平均單個功率模塊的工作時間分別為334h(2個功率模塊)、299h(3個功率模塊)和265h(15個功率模塊)。在這個光照強的月份，MIXTM因數(shù)分別是29%(2個功率模塊)和44%(15個功率模塊）。最佳情況下，MIXTM因數(shù)可分別達到50%(2個功率模塊)、66%(3個功率模塊)和93%(15個功率模塊)。這種情況下，每天只需要1個功率模塊運行，其他功率模塊都不需要啟動。然而，年度平均節(jié)約運行時間的比例在34%～53%之間(2～15個功率模塊)。

表1 MIXTM系統(tǒng)中逆變器整體和單個功率模塊分別減少的運行時間

從圖1可以看出，20年后每個功率模塊的總運行時間。2個功率模塊約13年，3個功率模塊約11年， 15個功率模塊約9年。

圖1

五 部分負載下的高效率保障了更高的發(fā)電量

若把帶有15個功率模塊的Fronius CL 60.0 與一個僅帶有單一功率模塊的逆變器比較，F(xiàn)ronius CL由于在部分負載情況下具有更高的效率，可產(chǎn)生十分可觀的更高發(fā)電量。

如果以一年內(nèi)的月份平均值來看，額外發(fā)電量可多0.6%。在冬季可達到1.7%(約30kWh/kWp），而在陰雨天單日可高達8%(約0.17kWh/kWp）。

2008～2009年部分月份的每月額外發(fā)電量如2所示，4月是一個發(fā)電量超過平均值的月份，多產(chǎn)生0.2%的電量，約170 kWh/kWp。

六 MIXTM系統(tǒng)與主－副逆變原理的比較

圖2 2008～2009年部分月份的每月額外發(fā)電量

當兩個逆變器使用主－副逆變原理運行時，在部分負載情況下與使用Fronius MIXTM系統(tǒng)的逆變器相比，所發(fā)電量是相等的。但是，F(xiàn)ronius MIXTM系統(tǒng)區(qū)別于主－副原理的兩個重要方面為:

1 主逆變器不固定

如果采用主－副逆變原理，主逆變器固定為其中一個逆變器。因此，主逆變器的運行時間是100%。夏季，副逆變器運行時間約為44%，而到冬季則降至14%，年平均運行時間約為29%。采用Fronius MIXTM系統(tǒng)，在各個功率模塊之間，運行時間均衡分配。在全年中，平均每個功率模塊都只占總運行時間的66%。

2 系統(tǒng)故障時的保護

在主－副逆變原理系統(tǒng)中，如果主逆變器發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就停止運行。因為只有主逆變器工作時，副逆變器才能運行。然而，在MIXTM系統(tǒng)中，如果一個功率模塊發(fā)生故障，另外一個功率模塊就會替代其運行。所以，僅當光照強度較高時，才會有能量損失。當然這種損失也是有限的。

七 采用Fronius MIXTM系統(tǒng)的 Fronius 逆變器

采用Fronius MIXTM系統(tǒng)的Fronius逆變器為:Fronius IG 40 and 60(2 個功率模塊)、Fronius IG Plus 70, 100(2個功率模塊)、Fronius IG Plus 120,150(3個功率模塊)、Fronius CL 36.0 (9個功率模塊，3個一組)、Fronius CL 48.0(12個功率模塊，3個一組)及Fronius CL 60.0(15個功率模塊，3個一組)。