王健 李成武 劉猛

摘 要：逆變器作為組件和電網(wǎng)之間的橋梁，是光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件，通過(guò)對(duì)逆變器的選型方案、發(fā)電量、核心器件、安全可靠性及經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比與分析，得出不同的應(yīng)用場(chǎng)合中，選擇合適的逆變器，對(duì)系統(tǒng)生命周期內(nèi)的系統(tǒng)成本、發(fā)電量和度電成本都有顯著影響。

關(guān)鍵詞：逆變器；發(fā)電量；光伏系統(tǒng)；光伏電站

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.152

1 綜述

逆變器作為光伏系統(tǒng)的橋梁，成本占比低但對(duì)系統(tǒng)成本和發(fā)電量影響大。秉承“因地制宜、科學(xué)設(shè)計(jì)”的理念，結(jié)合了不同項(xiàng)目的地環(huán)境特點(diǎn)，倡導(dǎo)不同類(lèi)型電站選擇不同類(lèi)型逆變器，不斷降低光伏系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)發(fā)電效率，幫助用戶(hù)在競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的新模式下取得最大收益，最終促進(jìn)光伏平價(jià)上網(wǎng)。

本文主要對(duì)比研究了光伏電站的集中和組串式兩種主流逆變方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性、運(yùn)維便利性等。

2 集中式與組串式逆變方案分析

在地面電站或者是無(wú)陰影遮擋的失配小的電站，集中式優(yōu)勢(shì)明顯，可使初始投資節(jié)省0.22元/W，度電成本LCOE降低2分/kWh，如圖2.1和表2.1所示。

2.1 兩種方案的對(duì)比

2.1.1 同輻照和地域條件最佳容配比

超配的定義--主動(dòng)超配和補(bǔ)償超配。

補(bǔ)償超配：由于光伏系統(tǒng)中的系統(tǒng)損耗客觀存在，通過(guò)適當(dāng)提升組件的配比，補(bǔ)償能量在傳輸過(guò)程中的系統(tǒng)損耗，使得逆變器可以達(dá)到滿(mǎn)功率工作的狀態(tài)，這就是光伏系統(tǒng)的補(bǔ)償超配。

主動(dòng)超配：在補(bǔ)償超配使得逆變器部分時(shí)間段達(dá)到滿(mǎn)載工作后，繼續(xù)增加光伏組件容量，通過(guò)主動(dòng)延長(zhǎng)逆變器滿(mǎn)載工作時(shí)間，在增加組件投入成本和系統(tǒng)發(fā)電收益之間尋找平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LCOE最小，這就是光伏系統(tǒng)的主動(dòng)超配。

為便于最優(yōu)超配方案的計(jì)算，簡(jiǎn)化分析推導(dǎo)過(guò)程，對(duì)理想容配比的推導(dǎo)進(jìn)行以下條件限制或假設(shè)：

（1）在各光照資源地區(qū)選定代表城市，獲得當(dāng)?shù)毓庹?、氣象等?shù)據(jù)，作為電站選址后方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)自然條件。

（2）在超配方案設(shè)計(jì)中，對(duì)于達(dá)到逆變器滿(mǎn)載為目標(biāo)的補(bǔ)償超配直接設(shè)計(jì)到最大，補(bǔ)償超配后，容配比進(jìn)一步提升到主動(dòng)超配范圍，最優(yōu)方案以LCOE為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）集中型逆變器進(jìn)行超配方案更加靈活，因此，在進(jìn)行最優(yōu)超配方案的推算就直接使用集中式方案的成本結(jié)構(gòu)。

（4）以10MW的規(guī)模電站進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定組件年衰減率為1%，電站年維護(hù)投入為初始投資的2%，在20年內(nèi)計(jì)算度電成本最低的超配方案。

以I類(lèi)光照資源地區(qū)的酒泉為例，在同樣條件的基礎(chǔ)上，各容配比下，系統(tǒng)度電成本如表2.2所示，可以看出，在酒泉地區(qū)，地面電站的最優(yōu)超配方案是1.25倍容配比。

分別以酒泉、蘭州、徐州、貴陽(yáng)四個(gè)城市作為代表，重復(fù)以上的推算過(guò)程 ，得出各類(lèi)光照資源地區(qū)度電成本最低的推薦超配比方案如表2.3所示。

2.2 發(fā)電量對(duì)比

2.2.1 實(shí)證發(fā)電量對(duì)比

在大型地面電站，地勢(shì)平坦不考慮遮擋的情況下，經(jīng)過(guò)理論分析計(jì)算以及西北多個(gè)電站發(fā)電量數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，集中式和組串式逆變器在發(fā)電量上持平，甚至集中式發(fā)電量略高。

大型地面電站，集中式逆變器和組串式方案真實(shí)發(fā)電量比較報(bào)告如下所示：大同領(lǐng)跑者項(xiàng)目中電國(guó)際電站集中式逆變器（陽(yáng)光）與組串式逆變器（華為）7月份發(fā)電量比較（集中式發(fā)電量略高），如表2.4所示。

2.2.2 發(fā)電損耗對(duì)比

逆變器的損耗和效率指標(biāo)一樣。組串式逆變器，當(dāng)MPPT電路工作時(shí)，轉(zhuǎn)換效率偏低，損耗變大。集中式逆變器，為單級(jí)逆變器，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率偏高，系統(tǒng)損耗較低，如表2.5所示。

2.2.3 逆變器效率對(duì)比

集中式PV電壓越高，效率越低；組串式和集散式類(lèi)似，電壓越接近輸入額定電壓，效率越高。380Vac并網(wǎng)的逆變器，直流電壓越接近600Vdc，效率越高；500Vac并網(wǎng)的逆變器，直流電壓越接近750Vdc，效率越高。

效率與電平結(jié)構(gòu)的關(guān)系，三電平電路的效率比兩電平效率高，特別是在弱光條件下，三電平的效率更加明顯。

2.3 核心設(shè)備的對(duì)比

2.3.1 熔絲

集中式內(nèi)部無(wú)熔絲，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)，斷路器會(huì)自動(dòng)跳脫，達(dá)到過(guò)流保護(hù)的作用，組件直流側(cè)，在匯流箱內(nèi)有熔絲保護(hù)。

2.3.2 電容

集中式逆變器體積較大，母線(xiàn)支撐電容可以采用全薄膜電容設(shè)計(jì)，工作壽命長(zhǎng)，可靠性高。

而組串式逆變器因?yàn)轶w積小，母線(xiàn)支撐電容無(wú)法采用全薄膜電容設(shè)計(jì)，采用了膜電容與電解電容混合設(shè)計(jì)或者電解電容設(shè)計(jì)。

2.3.3 風(fēng)扇

集中式逆變器采用知名品牌風(fēng)扇，設(shè)計(jì)壽命很長(zhǎng)，故障率低，風(fēng)扇故障占逆變器故障的比重很低，并非故障點(diǎn)。

逆變器的真正故障點(diǎn)是IGBT，IGBT的故障和工作溫度有直接的關(guān)系，當(dāng)逆變器工作溫度過(guò)高，IGBT的故障率會(huì)相應(yīng)變高。

2.3.4 變壓器

集中式逆變器1.25MW方案可以采用干變?cè)O(shè)計(jì)，變壓器方案免維護(hù)。組串式逆變器一般采用油變，需要定期檢查和維護(hù)，集中式和組串式均可以采用雙繞組變壓器。

2.3.5 防雷

集中型逆變器交直流均采用二級(jí)防雷，防雷等級(jí)高，且防雷器有狀態(tài)指示功能。組串式逆變器，交直流防雷器也采用二級(jí)防雷。

2.4 安全可靠性

2.4.1 設(shè)備可利用率（故障率）

組串式逆變器的電站系統(tǒng)，由于逆變?cè)O(shè)備數(shù)量多，是集中式逆變器數(shù)量的10倍，同樣故障比率的情況下，電站故障次數(shù)也將是10倍，單個(gè)故障損失小，但是故障次數(shù)比較多，因此發(fā)電損失基本一致。集中式逆變器，一般故障24小時(shí)解決問(wèn)題，嚴(yán)重故障48小時(shí)解決，不會(huì)對(duì)發(fā)電量造成太大損失。

由于組串式逆變器的電站，故障次數(shù)比較多，因此人工的運(yùn)維成本會(huì)大于集中式逆變器。同樣100MW光伏電站，組串式逆變器的系統(tǒng)運(yùn)維人員將比集中式系統(tǒng)運(yùn)維人員多兩人。

2.4.2 是否不易散熱，內(nèi)部溫度過(guò)高，元器件壽命降低

集中式逆變器和智能風(fēng)冷組串式逆變器，散熱效率高，內(nèi)部元器

件溫度低，壽命長(zhǎng)，整機(jī)設(shè)計(jì)壽命達(dá)到25年。采用自然冷卻的組串式逆變器，高溫天氣，無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，散熱效果很差，內(nèi)部溫度升高，設(shè)計(jì)壽命短，故障率高。

2.4.3 電網(wǎng)接入與并聯(lián)環(huán)流問(wèn)題

集中式：一臺(tái)變壓器，電網(wǎng)響應(yīng)速度更快，采用LC或LCL濾波參數(shù)，電網(wǎng)友好。組串式：多臺(tái)并聯(lián)，電網(wǎng)響應(yīng)速度更快，存在諧波風(fēng)險(xiǎn)；在電位高壓側(cè)波動(dòng)情況下下，易產(chǎn)生過(guò)欠壓脫網(wǎng)；

交流側(cè)環(huán)流過(guò)大可引起整體脫網(wǎng)（如內(nèi)蒙古鋒威100MWp和黃河

景泰項(xiàng)目），當(dāng)項(xiàng)目地點(diǎn)距離電網(wǎng)接入點(diǎn)過(guò)大時(shí)（如超過(guò)6km），此種影響會(huì)加劇，可通過(guò)加SVG解決。

2.5 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

2.5.1 運(yùn)維成本

無(wú)論集中式還是組串式逆變器，均能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。集中式逆變器采用模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)維簡(jiǎn)單便利。集中式逆變器，一般故障24小時(shí)解決問(wèn)題，嚴(yán)重故障48小時(shí)解決，不會(huì)對(duì)發(fā)電量造成太大損失。組串式逆變器，由于逆變?cè)O(shè)備數(shù)量多，是集中式逆變器數(shù)量的10倍，同樣故障比率的情況下，電站故障次數(shù)也是10倍，單個(gè)故障損失小，但是故障次數(shù)比較多，因此發(fā)電損失基本一樣。

由于組串式逆變器的電站，故障次數(shù)比較多，因此人工的運(yùn)維成本會(huì)大于集中式逆變器。同樣100MW光伏電站，組串式逆變器的系統(tǒng)運(yùn)維人員將比集中式系統(tǒng)運(yùn)維人員多三人，如表2.6所示。

2.5.2 度電成本

根據(jù)不同的場(chǎng)景設(shè)計(jì)不同的電站，做到度電成本最優(yōu)。大型地面電站或者無(wú)遮擋失配比較小的電站，集中式系統(tǒng)電站的度電成本低于組串式系統(tǒng)電站的度電成本。在山丘電站或者有陰影遮擋失配比較嚴(yán)重的電站，組串式多MPPT發(fā)揮作用，組串式系統(tǒng)電站的度電成本低于集中式系統(tǒng)電站的度電成本。

3 總結(jié)

逆變器作為組件和電網(wǎng)之間的橋梁，是光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件。不同的應(yīng)用場(chǎng)合中，選擇合適的逆變器，對(duì)系統(tǒng)生命周期內(nèi)的系統(tǒng)成本、發(fā)電量和度電成本都有顯著影響，根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境的實(shí)際情況，因地制宜，科學(xué)設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)角度進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，幫助用戶(hù)不斷降低系統(tǒng)成本，提升系統(tǒng)發(fā)電量，助力用戶(hù)在競(jìng)價(jià)上網(wǎng)新形式下保持較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，最終為光伏發(fā)電的平價(jià)上網(wǎng)貢獻(xiàn)自己的力量。