王 亮

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

組串式逆變器在大型并網(wǎng)電站中應(yīng)用的經(jīng)濟可行性

王 亮

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

逆變器是光伏電站的核心設(shè)備，它的選用對投資收益有重要的影響。本文通過對比組串式和集中式逆變器系統(tǒng)在投資成本、發(fā)電收益和維修成本上的差異，得出組串式逆變器在大型光伏電站中應(yīng)用更具有經(jīng)濟可行性的結(jié)論。

太陽能； 組串式逆變器； 集中式逆變器系統(tǒng)； 經(jīng)濟可行性

太陽能不僅是儲量最豐富且可以持續(xù)利用的能源，而且其無污染，是解決環(huán)境問題和能源危機的必由之路。根據(jù)預(yù)測，太陽能發(fā)電在本世紀中葉會逐步成為能源結(jié)構(gòu)的主體[1]。中國出臺光伏發(fā)電上網(wǎng)電價政策并調(diào)高“十二五”光伏發(fā)電發(fā)展目標，使光伏發(fā)電在未來能源供應(yīng)中占有一席之地。對光伏發(fā)電進行技術(shù)經(jīng)濟分析及發(fā)展趨勢研判，有利于促進光伏發(fā)電合理健康發(fā)展。截至2013年年底，中國并網(wǎng)光伏發(fā)電裝機容量達到近14.79 GW[2]?！疤岣咝?，降低成本”是光伏電站的未來之路。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵配件，逆變器作用是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。逆變器的選擇對于提高系統(tǒng)的效率、可靠性，提高系統(tǒng)的壽命、降低成本至關(guān)重要。目前國內(nèi)的大型地面電站幾乎全部采用集中式逆變器，主要原因是其設(shè)備價格較低，有助于降低投資成本。然而電站運營后，運營商會發(fā)現(xiàn)集中式逆變器在提高發(fā)電量方面存在很多弊端，在運營成本上也不具有優(yōu)勢，不利于實現(xiàn)光伏電站的全壽命周期價值最大化。

1 國內(nèi)光伏并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用情況及存在的問題

光伏并網(wǎng)逆變器主要包括集中式逆變器、組串式逆變器、微型逆變器等。集中式逆變器功率范圍從100～1 000 kW; 組串式逆變器功率范圍從3～50 kW;微型逆變器功率范圍從200～500 W。在國內(nèi)，組串式逆變器和微型逆變器主要應(yīng)用于分布式光伏電站。集中式并網(wǎng)逆變器主要應(yīng)用于大型光伏電站，是目前國內(nèi)光伏逆變器市場的主流產(chǎn)品，占據(jù)著主導(dǎo)地位。但隨著技術(shù)日趨成熟和商業(yè)化應(yīng)用的不斷發(fā)展，集中式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)存在的問題也逐漸引起了關(guān)注：

(1)可靠性低。集中式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是整個系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)也是薄弱環(huán)節(jié)，單臺逆變器的故障會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。

(2)MPPT跟蹤效率低。雖然大多數(shù)集中式逆變器生產(chǎn)廠商宣稱跟蹤效率可以達到98.7%，事實上，由于其MPPT跟蹤針對的是整個光伏陣列，無法兼顧到每塊光伏組件，由于組串間模塊差異、局部遮擋等因素引起的功率損失是十分可觀的。

(3)系統(tǒng)可擴展性差。集中式系統(tǒng)的特點決定了其系統(tǒng)可擴展性較差。

相比之下，組串式逆變器能更好的與光伏組件匹配，有助于提高發(fā)電量和降低運營成本。近年來組串式逆變器價格的大幅下降使其在大型光伏電站的應(yīng)用具有經(jīng)濟可行性，有利于實現(xiàn)電站投資價值最大化。

2 組串式和集中式逆變器系統(tǒng)的投資和收益對比

2.1 組串式逆變器系統(tǒng)節(jié)省土地和工期

采用組串式逆變器將會減少逆變器室、匯流箱、直流柜、交流配電箱、通訊柜等設(shè)備；增加部分為逆變器的購置費的價差等。從表1可以看出：1 MW陣列采用組串式逆變器系統(tǒng)比集中式減少投資2.5萬元。集中式逆變器系統(tǒng)平均每個逆變器室占地約1畝。由于沒有逆變器室，可以減少土地占用。逆變室土建工程的工期大約為30天，由于沒有逆變器室土建工程和匯流箱、直流柜等安裝工程，將減少大量的施工時間，節(jié)省工期。

2.2 組串式逆變器的發(fā)電收益高

(1)啟動電壓低，與直流輸入電壓的匹配性好，發(fā)電量高。例如：某品牌500 kW逆變器的啟動電壓為520 V,MPPT電壓范圍為500～850 V；同品牌30 kW逆變器的啟動電壓為300 V,MPPT電壓范圍為280～950 V?？梢钥闯觯航M串式逆變器較集中式并網(wǎng)逆變器的啟動低壓低，電壓跟蹤范圍寬，能夠更好的發(fā)揮出組件最大功率的特性，在弱光和強光的情況下均能實現(xiàn)高效率發(fā)電，從而獲得更大的發(fā)電量。

(2)組串匹配性好。一般來說，小功率逆變器的效率較低，特別是與集中式并網(wǎng)逆變器比較。組串式逆變器的歐洲效率一般在98%左右，大型并網(wǎng)逆變器的歐洲效率在98.5%左右。0.5%的差距可以通過提高組串的不匹配性來彌補。500 kW逆變器只有1個MPPT;30 kW逆變器有2個MPPT。500 kW的陣列需要安裝約16臺30 kW的逆變器，可以獲得32個MPPT。多MPPT可以有效的減少組串匹配損失，帶來額外高的發(fā)電量收益。集中式并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)組串匹配損失在6%左右，組串式逆變器系統(tǒng)組串匹配損失在3%左右。采用組串式逆變器可以減少組串匹配損失，提高發(fā)電量。

表1 1 MW陣列集中式和組串式投資逆變器系統(tǒng)投資費用差異對比表 單位：萬元

注：土地按照劃撥方式取得計算，土地補償和場地平整費按5 000元/畝計算；逆變器采購費分別按照市場上某品牌集中式500 kW和組串式30 kW產(chǎn)品售價計算。

(3)更適應(yīng)組件衰減不一致的現(xiàn)象。由于晶硅體組件衰減情況不一致，少量組件衰減較嚴重，5年左右系統(tǒng)的不一致性將可能達到8%～10%。如果采用集中式逆變器方案，其發(fā)電量將嚴重損失；采用組串式逆變器能將少量衰減嚴重的組件對系統(tǒng)的影響控制在較小的范圍內(nèi)，減少發(fā)電量的損失。

(4)減少了匯流箱和直流柜，組串直接連接到逆變器，直流回路的線損減少，有利于提高發(fā)電量。組串式逆變器系統(tǒng)的低壓電纜的電量損失只有集中式的40%。

(5)適應(yīng)了光伏組件單體功率不斷增長的趨勢，便于更換組件，實現(xiàn)系統(tǒng)升級，高效發(fā)電。在組件發(fā)生故障時，可小范圍內(nèi)實現(xiàn)更換高效組件，使其高效發(fā)電。常用規(guī)格多晶硅組件功率從2009年的230 Wp增長到現(xiàn)在的255 Wp。由于組串的“木桶效應(yīng)”，更換單個235 Wp組件為255 Wp組件時，新組件的功率受舊組件限制，必須更換500 kW逆變器下的所有組件為新組件才能實現(xiàn)系統(tǒng)高效發(fā)電。30 kW逆變器通常含有兩個MMP,只需要更換15 kW的組件，就能實現(xiàn)新組件高效發(fā)電。因此，采用組串式逆變器在系統(tǒng)擴展方面具有優(yōu)勢，有利于系統(tǒng)高效發(fā)電。

2.3 組串式逆變器的運營成本低

(1)集中式逆變器的功率密度高，對散熱系統(tǒng)的要求高，故障率相對高；組串式逆變器的功率密度低，故障率較低。此外，沒有故障率較高的匯流箱，以及直流柜、通訊柜等設(shè)備，減少了故障環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此，組串式逆變器系統(tǒng)的故障率會大大降低，減少了維修和設(shè)備更換成本。

(2)減少光伏電站故障發(fā)生面積。大型集中式逆變器一般單體容量大，比如：1臺500 kW逆變器發(fā)生故障，則造成500 kW的系統(tǒng)停止發(fā)電，造成大的損失。但是，采用組串式逆變器后，如果1臺30 kW逆變器發(fā)生故障，則僅僅只有30 kW的系統(tǒng)停止發(fā)電，對于發(fā)電企業(yè)來說，損失較小，從而保證了系統(tǒng)整體的發(fā)電量。

(3)不需要強制排風(fēng)設(shè)備，并且自耗電量低，減少電費支出。

(4)組串式逆變器發(fā)生故障時，維修都相對容易，對維修人員的技能要求低，能迅速處理故障。通常更換組串式逆變器僅需要2 h左右。集中式逆變器需要專業(yè)維修人員維修，部分配件需要制造廠商供應(yīng)。集中式逆變器維修通常需要2～10天，單臺設(shè)備停運對系統(tǒng)發(fā)電量影響大。

3 組串式逆變器系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性分析

實際投入運行的集中式逆變器系統(tǒng)的系統(tǒng)效率在79%左右；組串式逆變器系統(tǒng)的系統(tǒng)效率在82%左右，相差3%[3]。假設(shè)我國西部某采用集中式逆變器的10 MW光伏電站年發(fā)電量為1 400萬kW·h,如選用組串式逆變器可年多發(fā)電53萬kW·h。按照電價0.9元/kW·h計，每年增加收入約47.7萬元，運營期25年可增加收入1 192.5萬元。根據(jù)測算，按照8.76元/W的建設(shè)成本，貸款70%,貸款利率6.55%,Ⅱ類地區(qū)年發(fā)電利用小時數(shù)為1 400 h，集中式逆變器系統(tǒng)電站的內(nèi)部收益率(IRR)為11.24%，組串式逆變器系統(tǒng)電站內(nèi)部收益率(IRR)為12.54%。采用組串式逆變器可以為投資者提升IRR達1.3個百分點。

4 結(jié)論

組串型逆變器構(gòu)成的逆變系統(tǒng)初期設(shè)備投入略高一些，但是從系統(tǒng)成本及長期運營角度看，總成本低，投資回報率高。目前，國內(nèi)市場中集中型逆變器占了絕大部分市場份額，而從全球市場來看，由于組串式逆變器的諸多優(yōu)點，組串式逆變器在全球市場占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著國內(nèi)光伏市場的發(fā)展，投資商和運營商對逆變轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電量及整個逆變系統(tǒng)可靠性的要求會越來越高，考慮電站使用后的投資回報率，組串型逆變器在大型并網(wǎng)電站中的應(yīng)用將會是趨勢。

[1] 王丹.光伏發(fā)電系統(tǒng)效率優(yōu)化問題的研究[D].北京交通大學(xué),2009.

[2] 國家能源局. 2013年全國發(fā)電裝機平穩(wěn)較快增長、結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化[EB/OL]. www.nea.gov.cn/2014-02/10/c_133103837.htm.

[3] 羅宇飛，孫韻琳，陳開漢，等.并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣效率研究[C].第12界中國光伏大會暨國際光伏展覽會論文(光伏系統(tǒng)及工程、系統(tǒng)部件及并網(wǎng)技術(shù))

Economic Feasibility of String Inverter Applied in Large-scale PV Power Substations

WANG Liang

Inverter is a key device for PV power substations, and the inverter selection has a great impact on investment returns. This paper compares the differences of string inverter and central-inverter system in investment costs, power generating revenue and maintenance costs, and concludes that the string inverter is more economic and feasible than the central inverter when used in large-scale PV power substations.

solar energy; string inverter; central inverter; economic feasibility

2013-03-01

王亮(1974—)，貴州石阡人，大學(xué)本科，注冊造價工程師，從事費控經(jīng)理工作。

TK51

A

1008-5122(2014)03-0056-03