賀 霞，張 敏，朱永燦，王一各

(1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048;2.陜西榆林能源集團(tuán) 橫山煤電有限公司,陜西 榆林 719199)

0 引 言

在能源緊缺和環(huán)境污染嚴(yán)重的形勢(shì)下,在擁有大面積荒地和荒漠資源，太陽(yáng)能豐富的西北地區(qū)，大型光伏電站獲得大規(guī)模的建設(shè).光伏電站關(guān)鍵設(shè)備主要包括光伏組件、支架、并網(wǎng)逆變器、箱式變壓器等．光伏并網(wǎng)逆變器主要是將光伏組件輸出的直流電轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的交流電,其性能直接影響到整個(gè)太陽(yáng)能光伏電站的可靠性和經(jīng)濟(jì)性[1-5]．文獻(xiàn)[1-3]主要從集中式逆變器和組串式逆變器的安全性、穩(wěn)定性、成本以及實(shí)用性等方面進(jìn)行了分析,得出了組串式逆變器可以提高光伏電站的發(fā)電效率,適應(yīng)不同類型的電站場(chǎng)景,具有較明顯的優(yōu)勢(shì)．本文結(jié)合具體的工程實(shí)例,利用實(shí)際數(shù)據(jù)分析組串式逆變器和集中式逆變器在成本、發(fā)電效益以及運(yùn)維方面的不同．

1 工程概況

以榆林神木某地面光伏電站為例,該項(xiàng)目位于陜西省榆林市神木市,裝機(jī)容量為100 MW,分兩期建設(shè),第一期為50 MW,已于2015年投入運(yùn)行,第二期50 MW于2016年建設(shè)完成投入運(yùn)行;第一期50 MW中采用了集中式和組串式2種逆變器,其中35個(gè)方陣采用集中式逆變器,15個(gè)方陣采用組串式逆變器．工程采用325 W多晶硅光伏組件,組件間距為8 m,支架采用固定傾斜角為39°的固定式安裝.

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)運(yùn)行期內(nèi)年均上網(wǎng)電量為13 906.86 萬(wàn)kW·h,運(yùn)行期25年內(nèi)的平均發(fā)電量為34.8 億kW·h/年,可利用小時(shí)數(shù)為1 380 h/年.集中式逆變器的光伏發(fā)電單元為:光伏組件—直流匯流箱—逆變器—升壓變接入電網(wǎng),輸電線路多以直流電纜為主;組串式逆變器的光伏發(fā)電單元o :光伏組件—逆變器—交流匯流箱—升壓變接入電網(wǎng),輸電線路多以交流電纜為主.

2 地面光伏電站關(guān)鍵設(shè)備分析

2.1 光伏組件

光伏組件串聯(lián)的數(shù)量由逆變器的最高輸入電壓和最低工作電壓、光伏組件允許的最大系統(tǒng)電壓所確定．光伏組件組串的并聯(lián)數(shù)量由逆變器的額定容量確定[6-7].光伏組件的串聯(lián)數(shù)量公式為

Nmin(Vd1/Vmp)≤N≤Nmax(Vd2/Voc).

(1)

式中:Vd2為逆變器輸入直流側(cè)最大電壓,Vd1為逆變器輸入直流側(cè)最小電壓,Voc為電池組件開路電壓,Vmp為電池組件最佳工作電壓,N為電池組件串聯(lián)數(shù)．

1 MW集中式光伏發(fā)電單元中,光伏組件選用325 W光伏組件,逆變器采用2臺(tái)500 kW集中式逆變器,則光伏組件串聯(lián)數(shù)量為13≤N≤22.根據(jù)場(chǎng)址區(qū)的氣候環(huán)境并結(jié)合光伏組件溫度修正參數(shù)以及逆變器最佳輸入電壓修正計(jì)算后光伏組件的串聯(lián)數(shù)為18塊.則每一路組件串聯(lián)的額定功率容量為5 850 W.

1 MW組串式光伏發(fā)電單元中,光伏組件選用325 W,逆變器采用50 kW組串式逆變器,則每一路光伏組件串聯(lián)數(shù)為20塊.

2.2 并網(wǎng)逆變器

逆變器是光伏組件的控制中心,其最大功率跟蹤的準(zhǔn)確性直接影響光伏組件的實(shí)際輸出.集中式逆變器多以500 kW為主要產(chǎn)品,采用單路最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT),MPPT的電壓范圍較窄,一般為450～820 V.光伏組件的遮擋、衰減以及組件間間距不同等因素造成的組串電壓差異會(huì)影響整個(gè)光伏電站的發(fā)電效益.集中式逆變器采用強(qiáng)制冷卻方式保證設(shè)備溫度工作在允許范圍內(nèi),其諧波分量少,電能質(zhì)量高,所需數(shù)量少,便于管理,主要用于日照均勻的大型光伏電站、荒漠電站,系統(tǒng)總功率較大,一般在兆瓦級(jí)以上[8-11].

組串式逆變器規(guī)格一般在20～60 kW 以下,采用模塊化設(shè)計(jì),每臺(tái)逆變器具備多路獨(dú)立MPPT,從而減少光伏組件最佳工作點(diǎn)與并網(wǎng)逆變器不匹配的問(wèn)題,同時(shí)不受光伏組件模塊差異化的影響,最大程度地提高了發(fā)電效益,可以適應(yīng)多種場(chǎng)合,主要應(yīng)用于屋頂光伏電站，中小型地面光伏電站以及具有特殊地形的光伏電站中.另外,每一路可單獨(dú)跟蹤,單路故障影響小,MPPT跟蹤范圍較廣,可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理每路光伏組件的輸出．組串式逆變器無(wú)需專業(yè)工程師維護(hù),現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試簡(jiǎn)單,無(wú)需專業(yè)人員值守,實(shí)現(xiàn)“傻瓜式”維護(hù),自然散熱(無(wú)風(fēng)扇),自耗電小,防護(hù)等級(jí)IP65,能在雨水、風(fēng)沙和鹽霧環(huán)境下可靠運(yùn)行[12-15].

3 逆變器并網(wǎng)方案

大型地面光伏電站廣泛采用以1 MW 為模塊單元的“模塊式發(fā)電,集中并網(wǎng)”方案．文中分別以1 MW光伏發(fā)電單元分析組串式和集中式逆變器的并網(wǎng)方案.集中式方案中,每個(gè)1 MW集中式光伏發(fā)電單元的光伏組件通過(guò)直流匯流箱分別連接至2臺(tái)500 kW集中式逆變器,經(jīng)逆變器逆變后連接至1臺(tái)箱式變壓器,然后通過(guò)兩條匯集線路連接至110 kV升壓站,升壓后并入公用電網(wǎng),電站內(nèi)采用集中式無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG,安裝于110 kV升壓站如圖1所示.1 MW子方陣布置如圖2所示.

圖 1 集中式逆變器1 MW單元示意圖 圖 2 集中式逆變器1 MW系統(tǒng)布置圖 Fig.1 1 MW unit schematic diagram of centralized inverter Fig.2 1 MW system layout of centralized inverter

組串式方案中,每個(gè)1 MW 光伏發(fā)電單元,每8串光伏組件通過(guò)電纜連接至1臺(tái)50 kW組串式逆變器,每4臺(tái)組串式逆變器連接1臺(tái)(4進(jìn)1出)交流匯流箱,共采用5臺(tái)交流匯流箱后并入1臺(tái)(1 000 kVA)雙繞組升壓變,通過(guò)升壓變升壓后接入110 kV升壓站，電站內(nèi)采用集中式無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG,安裝于110 kV升壓站,如圖3所示,1 MW子方陣布置如圖4所示．

圖 3 組串式逆變器1 MW單元示意圖 圖 4 組串式逆變器1 MW系統(tǒng)布置圖 Fig.3 1 MW unit schematic diagram of string inverter Fig.4 1 MW system layout of string inverter

4 投資效益及運(yùn)維分析

4.1 投資成本分析

大型光伏電站的投資主要包括設(shè)備投資和施工投資．設(shè)備包括光伏組件、匯流箱、逆變器、箱式變壓器、支架、交直流電纜等;施工投資包括設(shè)備安裝、樁基工程、電纜敷設(shè)及設(shè)備基礎(chǔ)等.1 MW光伏發(fā)電單元采用集中式逆變器和組串式逆變器方案設(shè)備成本如表1,2所示(不計(jì)入相同部分組件).表1，2顯示，在施工費(fèi)用基本相同下,組串式逆變器略微降低了建設(shè)成本.

表 1 基于集中式逆變器1 MW系統(tǒng)設(shè)備成本

4.2 效益分析

表 2 組串式逆變器1 MW系統(tǒng)設(shè)備成本

以光伏電站兩個(gè)相鄰的10#、11#方陣為例,統(tǒng)計(jì)了6月份7天時(shí)間的發(fā)電量,其中10#方陣采用集中式逆變器,11#方陣采用組串式逆變器,發(fā)電量對(duì)比如圖5所示.

歸一化后的計(jì)算結(jié)果表明,組串式方案比集中式方案發(fā)電量提升6%.在統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，在不同天氣、組件遮擋等因素的影響下,組串式逆變器比集中式逆變器將會(huì)進(jìn)一步提高發(fā)電效益.

圖 5 集中式和組串式發(fā)電量對(duì)比(直流容量1 MW)Fig.5 The comparison of power generation between centralized and string inverters(DC capacity 1 MW)

4.3 運(yùn)維情況分析

目前,大型光伏電站具有占地面積廣,光伏組件數(shù)量多等特點(diǎn),運(yùn)維問(wèn)題的投入在光伏電站中占據(jù)主要部分．集中式逆變器和組串式逆變器的運(yùn)維情況主要表現(xiàn)在以下幾方面:

(1) 在系統(tǒng)維護(hù)方面:由于集中式逆變器設(shè)備復(fù)雜,逆變器故障時(shí)需要專業(yè)人員到場(chǎng)維修,停電時(shí)間長(zhǎng),發(fā)電量損失嚴(yán)重．組串式逆變器功率等級(jí)小,設(shè)備基本免維護(hù),并可以整機(jī)更換，設(shè)備故障時(shí),可由電站運(yùn)維人員直接更換,停電時(shí)間短．但是從運(yùn)維管理人角度分析,集中式逆變器數(shù)量較少,便于管理[16-17].

(2) 從系統(tǒng)安全性方面:集中式逆變器由于光伏組件輸出的直流電需要經(jīng)過(guò)匯流箱等長(zhǎng)距離的傳輸后,連接至逆變器中,并且直流匯流箱連接時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熔絲,故直流側(cè)容易引起拉弧故障,給運(yùn)維人員帶來(lái)困難.對(duì)于組串式逆變器,光伏組件輸出的直流電直接與逆變器直流側(cè)相連,直流側(cè)傳輸線路較短,產(chǎn)生損耗小,不易產(chǎn)生火災(zāi)故障[18-19].

(3) 環(huán)境適應(yīng)性方面：集中式逆變器采用集裝箱式機(jī)房,需要通過(guò)通風(fēng)式散熱方案,并且防護(hù)等級(jí)為IP54,無(wú)法適應(yīng)風(fēng)沙、灰塵、雨水、煙霧等惡略環(huán)境;組串式逆變器防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP65,大幅度降低了風(fēng)沙、灰塵、雨水、煙霧等惡劣環(huán)境對(duì)其運(yùn)行穩(wěn)定性的影響[20].

5 結(jié)束語(yǔ)

由于各廠家的組串式逆變器和集中式逆變器在性能、質(zhì)量上有所差別,本文選用神木某電站集中式逆變器(1 MW)和組串式逆變器(50 kW)進(jìn)行建設(shè)成本分析(不計(jì)入相同部分,如組件等),通過(guò)分析,在整體電站建設(shè)投資上,組串式逆變器方案略有優(yōu)勢(shì),整體價(jià)格水平相差不大.組串式逆變器MPPT方案相對(duì)于集中式逆變器MPPT方案能更精確地實(shí)現(xiàn)能量收集,發(fā)電量損失較低,組串式方案較集中式方案發(fā)電量可以提高6%.從運(yùn)維角度分析,組串式逆變器簡(jiǎn)單靈活的組網(wǎng)方式和精細(xì)化的管理可以給電站運(yùn)維人員帶來(lái)諸多方便,同時(shí)可以適應(yīng)不同地形,如地面起伏不平、局部遮擋、朝向不一致,在建設(shè)條件多樣性來(lái)說(shuō)組串式逆變器具有較大優(yōu)勢(shì).

根據(jù)分析結(jié)果,建議目前階段對(duì)組串式逆變器的穩(wěn)定性、發(fā)電效益、實(shí)用性以及運(yùn)維成本等方面進(jìn)行深入評(píng)估,保證測(cè)算光伏電站投資效益時(shí)考慮周全,在合理控制風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行組串式逆變器的應(yīng)用,提高光伏電站的投資回報(bào),推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.