廣東水電二局股份有限公司 任 斌

為保證大型光伏電站在發(fā)電和運(yùn)行過(guò)程中的安全穩(wěn)定，需配備相應(yīng)的光伏發(fā)電模塊，保持發(fā)電系統(tǒng)在基于效率、強(qiáng)度等關(guān)鍵核心要素定義下的運(yùn)行狀態(tài)控制。在大型的光伏電站系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流和電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)是系統(tǒng)穩(wěn)定的重要支撐，尤其是在穩(wěn)定性方面及節(jié)能降耗方面更有較強(qiáng)的技術(shù)和效率優(yōu)勢(shì)。在光伏電站使用的逆變系統(tǒng)中，技術(shù)人員可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出，合理控制光伏電站系統(tǒng)的發(fā)電和運(yùn)行。

1 地面光伏電站關(guān)鍵設(shè)備分析

1.1 光伏組件

光伏組件串聯(lián)數(shù)量由逆變器額定容量決定。系列光伏模塊的數(shù)量公式如下：

Vmpptmin/Vpm×[1+(t'-25)×kV'] ≤ Vmpptmax/Vpm×[1+(t-25)×kV']，N ≤ Vdcmax/Voc×[1+(t-25)×kV]。

kV 為-0.0035、是光伏組件的開(kāi)路電壓溫度系數(shù)；kV'為-0.0045、是光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)；N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)（N 取整數(shù)）；T 為-10、是光伏組件工作條件下的極端低溫（℃）；t'為40、是光伏組件工作條件下的極端高溫（℃）；Vdcmax 為1000、是逆變器允許的最大直流輸入電壓（V）；Vmpptmax 為800、是逆變器MPPT 電壓最大值（V）；Vmpptmin 為500、是逆變器MPPT 電壓最小值（V）；Voc 為45.2、是光伏組件的開(kāi)路電壓（V）；Vpm 為36.3、是光伏組件的工作電壓（V）；系數(shù)10.9325、系數(shù)21.1575、系數(shù)31.1225，計(jì)算1:14.7711578≤N ≤19.0397991；計(jì)算2: N ≤19.7094822。

1MW 集中式光伏發(fā)電機(jī)組選用325W 光伏組件，選用兩臺(tái)500kW 集中式逆變器作為逆變器，因此串聯(lián)的光伏組件數(shù)為13≤n ≤22。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣候、光伏組件溫度校正參數(shù)和逆變器的最佳輸入電壓，串聯(lián)的光伏組件數(shù)量為18個(gè)。串聯(lián)各部分額定功率為5850W。1MW 系列光伏發(fā)電機(jī)組選用325W 系列光伏組件和50kW 系列逆變器，串聯(lián)的光伏組件數(shù)量為20個(gè)。

1.2 并網(wǎng)逆變器

集中式逆變器的主要產(chǎn)品是500kW，使用單個(gè)MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）。最大功率MPPT 的電壓范圍較窄，一般為450～820V。光伏組件的屏蔽和衰減以及不同組件間距引起的串聯(lián)電壓差將影響整個(gè)光伏電站的發(fā)電效率[1]。集中式逆變器采用強(qiáng)制冷卻方式，保證設(shè)備溫度在允許范圍內(nèi)工作，諧波分量少、電能質(zhì)量高、數(shù)量少，便于管理。主要用于日照均勻的大型光伏電站和沙漠電站。系統(tǒng)的總功率很大，通常高于兆瓦級(jí)。并網(wǎng)光伏逆變器的基本特點(diǎn)是并網(wǎng)設(shè)備集成了交流電流的轉(zhuǎn)換。逆變系統(tǒng)為并網(wǎng)發(fā)電提供必要的能量，將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、清潔的并網(wǎng)發(fā)電目標(biāo)。在實(shí)施光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量運(yùn)行，達(dá)到既定的效率和效果，尤其是安全運(yùn)行方面。

近年來(lái)光伏發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)日新月異，小型并網(wǎng)發(fā)電裝置、系列光伏逆變器、集中式光伏逆變器和微電網(wǎng)光伏逆變器應(yīng)運(yùn)而生。在功率轉(zhuǎn)換過(guò)程中，系統(tǒng)的直流功率通過(guò)晶體管進(jìn)行轉(zhuǎn)換，開(kāi)展面向交流功率轉(zhuǎn)換方面的運(yùn)行設(shè)計(jì)[2]，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的目標(biāo)。一旦在發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)非正常的情況和運(yùn)行障礙，依靠逆變器的安全設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行，保障系統(tǒng)維持正?？沙掷m(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 并網(wǎng)逆變器的功能、分類及優(yōu)點(diǎn)

2.1 并網(wǎng)逆變器的構(gòu)成和功能

在逆變器的功率轉(zhuǎn)換部分，利用功率晶體管直流的頻繁切換，實(shí)現(xiàn)交流電。在其組成上，電子電路是組成控制裝置的核心部件，同是也是保護(hù)裝置的核心組成部件。在功能方面，控制裝置是就功率轉(zhuǎn)換進(jìn)行調(diào)控和管理，保護(hù)裝置就是發(fā)生運(yùn)行非正常狀態(tài)下的保護(hù)設(shè)計(jì)。

關(guān)于逆變器的功能可進(jìn)一步總結(jié)為：特殊環(huán)境下的高效正常運(yùn)行；光伏組件的輸出功率受日照強(qiáng)度、負(fù)荷變化和環(huán)境溫度的影響較大。因此無(wú)論光伏組件的輸出電壓和電流如何隨溫度變化和日照強(qiáng)度變化而變化[3]；保障電網(wǎng)的可靠安全運(yùn)行，為安全高效運(yùn)行提供支撐。支撐系統(tǒng)的關(guān)鍵是輸出部分的內(nèi)容，就是通過(guò)正弦波電流的調(diào)節(jié)滿足電網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的目標(biāo)需要，在可接受的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)和控制；面相電壓合理控制范圍的需要，通過(guò)電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)將電壓控制在合理的范圍之內(nèi)。

2.2 并網(wǎng)逆變器的分類

2.2.1 集中式并網(wǎng)逆變器

所有光伏陣列均由一系列組成，每個(gè)光伏陣列包含相等數(shù)量的設(shè)計(jì)模塊，模塊采用的聯(lián)結(jié)方式是并聯(lián)，通過(guò)光伏陣列實(shí)現(xiàn)供電目的，尤其是在集中式逆變器方面更是如此。當(dāng)前的國(guó)內(nèi)情況下，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的逆變器設(shè)計(jì)的功率一般在50～1000kW 范圍內(nèi)，通過(guò)三相方面的輸出，通過(guò)單點(diǎn)進(jìn)行電網(wǎng)的連接和進(jìn)入[4]。

集中式逆變器具有以下優(yōu)點(diǎn)：需將電子元件和設(shè)備安裝在同一設(shè)備中，在一定程度上提高了逆變器的功率容量，且降低了機(jī)械部分和輔助控制電路的成本；變頻器通過(guò)模塊化的相關(guān)設(shè)計(jì)和構(gòu)造，一旦其中部分產(chǎn)生運(yùn)行障礙或設(shè)備問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)仍然可以保持運(yùn)行，不會(huì)因?yàn)榫植康恼系K影響整體的輸出和運(yùn)行，解決了局部問(wèn)題影響最低化的設(shè)計(jì)；具有在低壓狀況下的可持續(xù)運(yùn)行維持，一旦出現(xiàn)電壓的瞬時(shí)降低，處于額定工作電流模式時(shí)、也就是輸出電壓在一種低壓狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，仍可保持電網(wǎng)的供電和電力運(yùn)行狀態(tài)，使得電力供應(yīng)一直處于一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下；能夠在惡劣環(huán)境下對(duì)運(yùn)行設(shè)備和設(shè)施進(jìn)行保全，是設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的護(hù)身符和保駕裝置，且由于其中的核心部件不多，在進(jìn)行后期維護(hù)和維修中更加容易簡(jiǎn)便。

但集中式逆變器也有比較顯著的缺陷：在單點(diǎn)上產(chǎn)生的問(wèn)題也會(huì)對(duì)于運(yùn)行產(chǎn)生一定的障礙和不利，基于單個(gè)設(shè)備控制的設(shè)計(jì)是有缺陷的，不能產(chǎn)生并聯(lián)中的協(xié)同效應(yīng)。如果逆變器發(fā)生故障將極大地影響光伏發(fā)電；所有串聯(lián)和并聯(lián)組均連接到相應(yīng)的逆變器上，通過(guò)基于設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行相關(guān)的控制和調(diào)整，但這種設(shè)計(jì)也并不十全十美，存在著不能關(guān)于最佳狀態(tài)下的電壓與電流的運(yùn)行和可持續(xù)問(wèn)題。其四，設(shè)備占地的問(wèn)題，逆變器需要較大的空間和房間放置和安裝，較大的空間和房間對(duì)于光伏組件有一定的屏蔽作用，影響發(fā)電。

2.2.2 組串式并網(wǎng)逆變器

多組串聯(lián)逆變器是微電網(wǎng)逆變器和集中式逆變器的混合體，即安裝在多組串聯(lián)逆變器的每個(gè)支架矩陣上。通常將兩組串聯(lián)連接到并網(wǎng)逆變器，并發(fā)并行輸出多個(gè)并網(wǎng)逆變器，然后通過(guò)升壓變壓器將電壓升壓到高壓，然后再連接到電網(wǎng)。

組串式并網(wǎng)逆變器優(yōu)勢(shì)：串聯(lián)逆變器可與直流輸入電壓穩(wěn)定匹配以確保高效發(fā)電。其中多核方式發(fā)電是其主要的發(fā)電模式，這種方式的狀態(tài)下，對(duì)于發(fā)電安全有明顯支撐作用和保障作用，可保持電源的穩(wěn)定性和持續(xù)性，不至于在發(fā)電過(guò)程中出現(xiàn)斷電情況。當(dāng)然，在多通道MPPT 狀態(tài)下，對(duì)于功率最有特性也是有更大的促進(jìn)作用的；本系列逆變器采用智能組群監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)模塊的智能管理、光伏組群狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常故障自動(dòng)報(bào)警、組群故障的準(zhǔn)確定位，縮短維護(hù)時(shí)間、方便運(yùn)維、提高發(fā)電量，使逆變器成為電站的大腦和管家；該系列變頻器體積小、重量輕，易于運(yùn)輸和安裝，可直接安裝在光伏支架上而無(wú)需專用的逆變器室。

組系列的逆變器也有一些缺陷：該系列變頻器安裝在室外，風(fēng)吹日曬容易導(dǎo)致外殼和散熱器老化。而且大型光伏電站具有許多配置和大量設(shè)備，這降低了其可靠性。

3 合理選擇集中式逆變器與組串式逆變器的要點(diǎn)

3.1 發(fā)電穩(wěn)定性與網(wǎng)格相結(jié)合

標(biāo)準(zhǔn)系列電網(wǎng)連接逆變器和集中式電網(wǎng)連接逆變器具有出色的電網(wǎng)運(yùn)行性能，不受水平強(qiáng)度的影響，不受電平強(qiáng)度的影響，并具有高系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，同時(shí)電網(wǎng)連接逆變器可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的自我調(diào)節(jié)。通過(guò)跟蹤系統(tǒng)產(chǎn)生的功率，可在整個(gè)生成過(guò)程中調(diào)整對(duì)象以確保系統(tǒng)電壓和電流的穩(wěn)定性。在輸出狀態(tài)太陽(yáng)能電源模塊的情況下，系統(tǒng)模塊可通過(guò)自調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)外部環(huán)境溫度和外部負(fù)載強(qiáng)度和太陽(yáng)能磁盤強(qiáng)度的變化，且逆變器系統(tǒng)的性能指標(biāo)必須嚴(yán)格限制。

水平觸點(diǎn)主要用于小型分布式太陽(yáng)能發(fā)電，集中式系統(tǒng)是大型電站的最佳選擇。這是因?yàn)榧惺阶冾l器能夠轉(zhuǎn)換直流電源來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的網(wǎng)格連接和系統(tǒng)提升處理。變頻器系統(tǒng)的功耗，必須反映系統(tǒng)的內(nèi)阻和電力系統(tǒng)。為了減少脈沖幅度調(diào)節(jié)，應(yīng)采取靈活的控制措施。

3.2 優(yōu)化改造并網(wǎng)發(fā)電的運(yùn)行方式

有關(guān)部門要確?，F(xiàn)階段投資的大型電站引進(jìn)數(shù)字化技術(shù)，并對(duì)后期系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用給予足夠重視。增加電量的方式可以是對(duì)于逆變器新技術(shù)進(jìn)行革新以及設(shè)備進(jìn)行改造，尤其是在環(huán)境極其惡劣的環(huán)境下，對(duì)于加快建設(shè)和設(shè)備升級(jí)改造都是具有顯著效果的。但在做相關(guān)選擇時(shí)要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)選擇最優(yōu)方案。

綜上，在大型光伏發(fā)電站中核心的組成部件是逆變器，關(guān)于逆變器類型的選型和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，要綜合考量多方面的影響因素和關(guān)鍵目標(biāo)設(shè)置，如穩(wěn)定性、安全性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、高效性、優(yōu)質(zhì)性等方面。對(duì)于技術(shù)升級(jí)改造要綜合考量最優(yōu)化配置，也就是選型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題和技術(shù)適恰性問(wèn)題，選擇的問(wèn)題涉及到的關(guān)鍵核心要素要綜合判斷和綜合考量，做出不同情況下的最優(yōu)化方案。