王 偉

（蘭州電力修造有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

太陽能光伏發(fā)電作為具有可持續(xù)發(fā)展特征的可再生能源發(fā)電技術(shù)，近年來得到廣泛應(yīng)用和關(guān)注。隨著社會(huì)對(duì)能源和環(huán)保問題的日益關(guān)注，我國(guó)政府相繼出臺(tái)一系列鼓勵(lì)和支持太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策法規(guī)，促進(jìn)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，提高光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用水平，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。光伏獨(dú)立型系統(tǒng)中應(yīng)用的逆變器稱為離網(wǎng)逆變器。與離網(wǎng)光伏逆變器相比，并網(wǎng)光伏逆變器不僅要將光伏組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，還要控制交流電的電壓、電流、頻率及相位等，并解決對(duì)電網(wǎng)的電磁干擾、自我保護(hù)、單獨(dú)運(yùn)行、孤島效應(yīng)以及最大功率跟蹤等技術(shù)問題。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，并網(wǎng)光伏逆變器的選型和應(yīng)用也要與時(shí)俱進(jìn)。

1 并網(wǎng)光伏逆變器的應(yīng)用特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)

1.1 并網(wǎng)光伏逆變器的應(yīng)用特點(diǎn)

1.1.1 集中式逆變器

集中式逆變器是將光伏組件產(chǎn)生的直流電匯總成較大的直流功率后再進(jìn)行逆變。該類逆變器的功率通常較大，單體容量一般在500 kW 以上。它具有輸出功率大、技術(shù)成熟、電能質(zhì)量高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）精度較差的缺點(diǎn)。當(dāng)遇到多云、遮陰或單個(gè)組串故障等情況時(shí)，將影響整個(gè)光伏電站的效率和產(chǎn)能。此外，集中式逆變器系統(tǒng)需要處于具備通風(fēng)散熱的專用機(jī)房。集中式逆變器系統(tǒng)無冗余能力，一旦出現(xiàn)故障，將影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

1.1.2 組串式逆變器

組串式逆變器是采用模塊化概念，對(duì)多個(gè)光伏組串分別進(jìn)行最大功率峰值跟蹤，再經(jīng)過逆變后并入交流電網(wǎng)。這類逆變器的功率相對(duì)較小，單體功率通常在100 kW 以下。但隨著技術(shù)進(jìn)步和降本增效的需求日益顯著，其功率逐漸增加到136 kW、175 kW 甚至更高。

組串式逆變器具有MPPT 數(shù)量多、組件配置靈活、便于安裝、跟蹤精度高、發(fā)電量高以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)，但也存在發(fā)電質(zhì)量差、成本高等缺點(diǎn)。這類逆變器主要應(yīng)用于規(guī)模較小的戶用分布式發(fā)電、中小型工商業(yè)屋頂電站等，在集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)中也可以應(yīng)用。

1.1.3 多組串式逆變器

多組串式逆變器旨在同時(shí)獲得組串式逆變器和集中式逆變器的優(yōu)勢(shì)。在組串式逆變器的基礎(chǔ)上，多組串式逆變器采用多組串輸入方式，能使與其相關(guān)聯(lián)的組串共同參與工作且互不影響，從而發(fā)揮更多作用。

多組串逆變器系統(tǒng)不僅能減少逆變器的數(shù)量，還能將不同額定值、不同朝向、不同傾斜角以及不同陰影遮擋的組串連接在一個(gè)共同的逆變器上，確保每個(gè)組串都在最大功率點(diǎn)上工作，提高系統(tǒng)的工作效率，增加發(fā)電量。多組串式逆變器的容量一般為10 ～80 kW[1]。

1.1.4 雙向儲(chǔ)能逆變器

雙向儲(chǔ)能逆變器具有離網(wǎng)和并網(wǎng)發(fā)電功能，還能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的雙向流動(dòng)控制。雙向儲(chǔ)能逆變器可以應(yīng)用于有電能存儲(chǔ)要求的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，也可以和組串式逆變器結(jié)合構(gòu)成獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.1.5 微網(wǎng)組件式逆變器

微網(wǎng)組件式逆變器對(duì)每塊光伏組件進(jìn)行單獨(dú)的最大功率峰值跟蹤，經(jīng)過逆變后并入交流電網(wǎng)。這類逆變器的單體容量一般在1 kW 以下，能夠在遇到遮陰或組件性能差異較大的情況下提高整體效率，最大限度降低安全隱患。其缺點(diǎn)是價(jià)格高，出現(xiàn)故障后較難維護(hù)。

1.2 逆變器的發(fā)展趨勢(shì)

在未來的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，基于云存儲(chǔ)和云計(jì)算的電站管理平臺(tái)將成為主流[2]。逆變器將擴(kuò)大與其他設(shè)備的連接范圍，增加更多的能源管理功能，如光伏儲(chǔ)能管理、安全管理、自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警以及運(yùn)維管理等。這些平臺(tái)將促進(jìn)光伏電站的數(shù)字化和智能化運(yùn)營(yíng)與管理，使整個(gè)電站的生產(chǎn)運(yùn)維變得更加簡(jiǎn)單、高效。通過數(shù)字化和智能化的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)處理和分析，提高電站的效率和可靠性，降低運(yùn)維成本，并更好地滿足能源需求。

組串式逆變器的功率不斷增大，目前最大功率已經(jīng)達(dá)到80 kW。高功率、高效率、高功率密度是逆變器未來發(fā)展的重要趨勢(shì)，以適應(yīng)安裝維護(hù)困難的復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境。

隨著光伏電站在沿海、高原等惡劣環(huán)境下的應(yīng)用逐漸增多，逆變器的抗腐蝕、抗風(fēng)沙等環(huán)境適應(yīng)性能也不斷提高。同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展，逆變器具備漏電流保護(hù)、靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）無功補(bǔ)償、低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）、直流分量保護(hù)、絕緣電阻檢測(cè)保護(hù)、比例- 積分- 微分（Proportional Integral Derivative，PID）保護(hù)、防雷保護(hù)以及光伏組件正負(fù)極接反保護(hù)等功能，使光伏系統(tǒng)的運(yùn)行更加安全可靠。

2 并網(wǎng)光伏逆變器的選型

2.1 依據(jù)光伏發(fā)電工程建設(shè)實(shí)際情況

在選擇并網(wǎng)光伏逆變器時(shí)，主要依據(jù)的是光伏發(fā)電工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境、電站的分布情況、當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件等因素[3]。結(jié)合工程建設(shè)的實(shí)際情況選擇合適的逆變器，不僅可以節(jié)省工程建設(shè)成本，簡(jiǎn)化安裝條件，縮短安裝時(shí)間，還可以有效提高系統(tǒng)發(fā)電效率。

對(duì)于沙漠光伏電站等大型光伏電站，集中式并網(wǎng)逆變器一直是主流解決方案[4]。集中式逆變器安裝數(shù)量少，具有更低的初始投資、更友好的電網(wǎng)接入以及更低的后期運(yùn)行維護(hù)成本等特點(diǎn)，便于后期運(yùn)維管理。組串式逆變器主要應(yīng)用于分布式光伏電站、與建筑結(jié)合的光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，特別是中小型光伏電站[5]。組件式并網(wǎng)逆變器則更適用于幾千瓦以內(nèi)的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，如光伏車棚、光伏玻璃幕墻等。

2.2 依據(jù)不同系統(tǒng)的裝機(jī)容量

根據(jù)逆變器的特點(diǎn)，一般8 kW 以下的系統(tǒng)宜選用單相組串式逆變器，8 ～500 kW 的系統(tǒng)可以選用三相組串式逆變器，500 kW 以上的系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際情況選用組串式逆變器或集中式逆變器。在不同的系統(tǒng)容量下，并網(wǎng)逆變器的選型如表1 所示。

表1 不同容量下系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的選型

3 并網(wǎng)光伏發(fā)電逆變器應(yīng)用

3.1 選型對(duì)比

某70 MW 的地面光伏電站，采用20 kW 組串式逆變系統(tǒng)的初期投入相對(duì)略高，但系統(tǒng)成本和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)總成本較低，投資回報(bào)率高。333 kW 集中式逆變系統(tǒng)的初期硬件投入和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用都適中。500 kW 集中式逆變系統(tǒng)的初期硬件投入費(fèi)用較少，但系統(tǒng)整體成本和后期維護(hù)成本較高。不同逆變系統(tǒng)的性能對(duì)比如表2 所示。

表2 不同逆變系統(tǒng)性能對(duì)比

3.2 應(yīng)用分析

3.2.1 系統(tǒng)成本方面

組串式逆變器具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，安裝方便，無須專業(yè)工具和設(shè)備，不用配備專門的配電室、直流匯流箱或直流配電柜等連接直流線路。

集中式和組串式逆變器光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電方式與設(shè)備不同，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)鋪設(shè)的線纜數(shù)量也不同。集中式逆變器要使用直流匯流箱進(jìn)行一次匯流，而直流匯流箱一般都安裝在光伏方陣旁邊，因此這部分線纜的使用量比組串式逆變器系統(tǒng)要少很多。集中式逆變器系統(tǒng)要從直流匯流箱到直流配電柜進(jìn)行二次匯流，這部分使用的線纜相對(duì)較粗。而組串式逆變器系統(tǒng)無須直流匯流箱和直流配電柜，線路成本相對(duì)較低。對(duì)于逆變器輸出的交流側(cè)線纜，集中式逆變器系統(tǒng)使用的線纜比組串式逆變器系統(tǒng)少。

3.2.2 系統(tǒng)效率方面

目前，集中式和組串式并網(wǎng)逆變器的效率都可以達(dá)到98%以上。集中式逆變器系統(tǒng)的光伏方陣需要經(jīng)過2 次匯流才輸入逆變器，其MPPT 系統(tǒng)無法監(jiān)控到每一路光伏組串的運(yùn)行情況，因此無法確保每一路光伏組串都達(dá)到MPPT 狀態(tài)，只能對(duì)整個(gè)光伏方陣進(jìn)行跟蹤調(diào)控。相比之下，組串式逆變器將每組或每幾組光伏組串輸入1 臺(tái)逆變器，逆變器單獨(dú)對(duì)輸入的光伏組串進(jìn)行MPPT，使每組或每幾組串產(chǎn)生最多的電量。組串之間獨(dú)立工作，即使某一組串因故障斷開，其他組串也不受影響繼續(xù)正常發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)最大化的能量輸出。

3.2.3 系統(tǒng)運(yùn)行特性方面

不同類型的并網(wǎng)逆變器會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能產(chǎn)生不同的效果。集中式逆變器系統(tǒng)不具備冗余能力，一旦出現(xiàn)問題，整個(gè)系統(tǒng)都將停止發(fā)電。而組串式逆變器系統(tǒng)具有冗余運(yùn)行能力，當(dāng)個(gè)別逆變器發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)不受其影響，依然可以正常發(fā)電。此外，集中式逆變器系統(tǒng)可集中并網(wǎng)，便于運(yùn)行管理；組串式逆變器系統(tǒng)則是分散就近并網(wǎng)，系統(tǒng)損耗小。

4 結(jié) 論

逆變器作為太陽能光伏發(fā)電的核心設(shè)備，通過合理的選型，可以有效提高能源利用效率，平衡供需關(guān)系，提高電網(wǎng)可靠性，穩(wěn)定電力系統(tǒng)，同時(shí)節(jié)約系統(tǒng)成本。隨著逆變器技術(shù)的不斷發(fā)展，逆變器應(yīng)用研究將進(jìn)一步推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。