并网光伏电站逆变器选型分析

并网光伏电站逆变器选型分析

陈家国

（中国电建集团华东勘测设计研究院311100）

摘要：逆变器作为光伏发电站的重要组成部分，逆变器的可靠性、安全性直接关系太阳能发电系统整体的平稳运行，其转换效率直接影响太阳能光伏发电系统的发电效率，其使用寿命直接关系到光伏发电系统的使用年限。

关键词：定义及分类；功能；选择要点

1.概述

随着能源需求的增长以及化石能源消费带来的资源枯竭和环境污染问题的日益突出,太阳能等可再生能源越来越受到全球的重视。在各国政府的推动下，近年来太阳能开发利用规模快速扩大，技术进步和产业升级加快，成本显著降低，已成为全球能源转型的重要领域。截至2017年底，全球光伏发电站装机总规模已超过400GW。

逆变器的可靠性、转换效率和成本是逆变器产品的核心要素，未来光伏逆变器的发展方向也将围绕这三个核心要素展开，主要朝着高可靠性、高转换效率和低成本的趋势发展。同时，也还有其他一些需考虑的因素，如因地制宜的逆变方案、智能化的逆变方案、光储一体化逆变方案等。

2.逆变器的定义及分类

逆变器又称电源调整器、功率调节器。光伏逆变器是连接太阳能光伏电池板和电网之间的电力电子设备，主要功能是将太阳能电池板产生的直流电通过功率模块转换成可以并网的交流电。

光伏逆变器按电站系统不同分为并网逆变器，离网逆变器，储能逆变器三大类。按照逆变器输出分为单相逆变器、三相逆变器。逆变器按照功率和用途可分为微型逆变器、组串式逆变器、集中式逆变器、集散式逆变器四大类。

目前建设的光伏电站绝大多数均为并网光伏电站，本文分析的逆变器选型均是指并网型逆变器的选型。

3.并网逆变器的功能

并网逆变器是连接光伏阵列和电网的关键部件，除了把直流电能变成电网能接收的交流电外，还有以下特殊功能：

最大功率跟踪功能，保证输出功率最大化。太阳能电池板的电流和电压是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度而变化的，因此输出的功率也会变化，为了保证输出电力最大化，就要尽可能的获取电池板的最大输出功率。逆变器的MPPT跟踪功能就是针对这一特性设计的。

孤岛效应的检测及控制。在正常发电时，光伏并网发电系统连接在大电网上，向电网输送有功功率，但是，当电网失电时，光伏并网发电系统可能还在持续工作，并和本地负载处于独立运行状态，这种现象被称为孤岛效应。逆变器出现孤岛效应时，会对人身安全，电网运行，逆变器本身造成极大的安全隐患，因此逆变器入网标准规定，光伏并网逆变器必须有孤岛效应的检测及控制功能。

零（低）电压穿越功能。当电力系统事故或扰动，引起光伏发电站并网点电压出现电压暂降，在一定的电压跌落范围内和时间间隔内，光伏发电站能够保证不脱网连续运行。

根据太阳能电池板的输出功率，自动运行和停机。早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳电池的输出也随之增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入运行后，逆变器便时时刻刻监视太阳电池组件的输出，只要太阳电池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行;直到日落停机，即使阴雨天逆变器也能运行。当太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近0时，逆变器便形成待机状态。

4.不同类型逆变器的特点

目前市场上应用较多并网型逆变器主要分集中式、组串式和集散式三种。下面分别从产品技术、价格、适应性等方面对各种并网逆变器的选择进行分析比较。

4.1各种逆变器的发展历史

光伏逆变器主要由功率模块、控制电路、断路器、滤波器、电抗器、变压器(选件)、接触器及机柜等组成，其技术水平主要依赖于电力电子技术、半导体器件技术和现代控制技术的发展。

网光伏逆变器的发展是和光伏电池板及光伏电站的发展紧密相连的，逆变器的功率完全是由光伏电站设计的需求决定的。德国的SMA是逆变器的代表公司,从SMA的产品发展历史我们可以看到:SMA的组串式产品从1995年开始面世，当时的光伏电站容量很小，多为1~2kW左右；随着光伏电池板的发展，光伏电站容量越来越大，2002年SMA推出了集中式逆变器；可见集中式、组串式均有较早出线的逆变器形式，应用时间已超过10年。

集散式这种方案最早由国外的公司提出，但由于当时技术不成熟、企业资金链紧张等因素，因此未形成有效的批量应用。2014年，国内一些光伏逆变器厂商也开始研发和推广。

从各种逆变器的发展历程看，集中式、组串数逆变器技术发展最为成熟，应用最广。集散逆变器是相对新型的逆变器。

4.2各种逆变器的优缺点分析

1）集中式逆变器

集中逆变技术是若干个并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用DSP转换控制器来改善所产出电能的质量，使他非常接近于正弦波电流。最大优点是系统的功率高，成本低，而缺点是部分组件工作状态不良会影响较大区域的发电效率。

2）组串式逆变器

组串式逆变器是基于模块化的概念，即把光伏方阵中每个光伏组串输入到一台指定的逆变器中，多个光伏组串和逆变器又模块化地组合在一起，所有逆变器在交流输出端并联，并网组串式逆变器应用于地面电站，具有高发电量、化整为零易于分散安装等优点，缺点是价格高、维护点分散。

3）集散式逆变器

集散式逆变器解决方案是靠提升系统交直流端口电压以降低线损，通过前置多个MPPT控制优化器，实现多路MPPT寻优功能，汇流后采用集中逆变的逆变方案，逆变器应用于地面、山地、分布式电站，具有高发电量、成本低等特点。缺点是维护点分散。

5.并网逆变器的选择

逆变器选型对发电量的影响主要是由影响系统综合效率系数的以下因素决定的，主要包含:光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、集电线路和升压变压器损耗。

5.1平地电站

1)系统可用率

集中式解决方案中系统串联节点多，逆变器、直流汇流箱熔丝、机房通风设施、辅助供电等属于易出现故障的部位，逆变器台数少，单台逆变器出现故障影响范围大，都将影响整个系统，

集散式逆变器方案相较于集中式解决方案，集散式汇流箱没有熔丝、无风扇，逆变器数量较多，单台逆变器出现故障影响范围小。

组串式逆变器方案中系统串联节点少，逆变器数量较多，单台逆变器出现故障影响范围小。

2)光照利用率

由于障碍物可能对光伏方阵上的太阳光造成遮挡或光伏方阵各阵列之间的相互遮挡，对太阳能资源利用会有影响，因此应考虑太阳光照利用率。

本项目按照规范规定满足在冬至日9：00-15：00无阴影遮挡，在日出和日落时段有很一部分遮挡损失。

集中式解决方案中，由于MPPT路数少、1MW方阵2~4路MPPT，出现遮挡时发电量损失较大。此外，由于集中式逆变器最低启动电压为500V，光照利用率进一步减小，光照利用率一般大于99%。

集散式解决方案中，MPPT路数相对于集中式多，2个组串共用一路MPPT，1MW方阵多达96路MPPT，出现遮挡时发电量损失相对较小。最低启动电压300V，光照利用率较集中式大，光照利用率一般大于99.3%。

组串式解决方案中，由于MPPT路数多，每2路组串共用1路MPPT，1MW方阵多达96路MPPT，早晚出现遮挡时发电量损失较小。，光照利用率一般大于99.3%。

3)逆变器效率

逆变器效率是逆变器将直流输入的直流电能转换成交流电能在不同功率段下的加权平均效率。

集中式解决方案：参考主流厂家集中式逆变器规格参数加权平均效率为98.5%。

集散式解决方案：参考主流厂家集散式逆变系统效率（汇流箱+逆变器）所有逆变系统效率约为98.35%左右。

组串式解决方案：参考主流厂家组串式逆变器规格参数加权平均效率为98.4%。

4)集电线路和升压变压器损耗修正系数

集电线路、升压变压器损耗系数包括光伏方阵内的交直流电缆损耗，以及升压变压器损耗。

集中式解决方案：集中式解决方案中系统自耗电较大，本项目为多点升压并网，考虑直流侧、交流侧、双分裂升压变压器损耗以及系统自耗电，该修正系数取0.97。

集散式解决方案：集散式解决方案中系统风扇等自耗电与集中式解决方案一样，但由于其中间电压较高以及输出电压较高，相对于集中式电缆损耗较低，这里修正系数取0.973。

组串式解决方案：组串式式解决方案系统自耗电小，本项目为多点升压并网，但由于中间电压较低，线缆损耗较大，综合考虑该修正系数取0.97。

根据实际工程运行经验，在平地地形的光伏电站中，组串式解决方案综合发电效率系数要略高于集中式解决方案高0.5~1.2%。集散式解决方案综合发电效率最高，比集中式解决方案高0.5~1.0%。由于集散式、组串逆变器比集中式逆变器价格高，提高的发电量是否能提高投资收益可通过技术经济，然后选择合适的逆变器。

5.2山地、复杂地形电站

集散式、组串型逆变器的优点是各MPPT回路不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的缺陷，从而增加了发电量。

在地形复杂，东西坡组件朝向不完全一致情况下，输出电压及工作电流也会存在多个数值，如采用集中型逆变器，其MPPT只有一路，不易跟踪各回路的MPPT电压要求，影响整体发电效率，故采用具有多路MPPT的组串型或集散型逆变器，以弥补上述不足。

根据实际工程运行经验，在组件有遮挡的情况下，组串型、集散型逆变器相对集中型逆变器具有较明显的优势。经其测算，考虑机房散热及环境检测设备功耗、逆变器功耗、直流电缆电压差导致的MPPT损失、组串失配带来的MPPT损失等方面差异，折算到全天发电量，组串型、集散型逆变器比集中型逆变器的发电量提高约2~4％。由于集散式、组串逆变器较集中式逆变器提高发电量的比例较大，在此类型的电站中，宜选择组串数或集散式逆变器。

5.3屋顶电站

屋顶电站的设计受屋顶大小、布局、材质承重、以及阴影遮挡等影响较多，单个屋面面积较小，屋顶可安装组件容量有限。同时组件安装在屋顶，需要考虑火灾防范等安全问题。接入配电网，直接靠近用户负荷，需要考虑用户用电安全性，电能质量符合要求，及与原有配电之间的继电保护协调等。接入用户配电网后，对用户的功率因数影响十分明显，逆变器除了输出有功外，还需要快速的根据光伏系统实时发电情况、用户实时负荷数据以及用户配电房原有的无功补偿投入情况综合计算以确定逆变器的实时无功输出容量。基于上述情况，结合各逆变器特点，屋顶电站宜选用组串逆变器。

6.结语

综上所述，在目前的集中式、组串式、集散式逆变器三种主流技术路线中，集中式、组串式逆变器技术成熟度最高，市场应用规模大，集散式逆变器作为一种新型逆变器，近年来也有越来越多电站采用，产品的可靠性和稳定性已初步经受住市场考验。从价格上看，集中式逆变器最低，集散式此低，组串式较高，从系统发的系统看，组串式>集散式>集中式。不同品牌厂家逆变器在质量、价格方面均存在差异，光伏发电站逆变器的选择应根据电站的具体情况分析，选择质量可靠、性价比高的逆变器产品，以保证项目稳定运行、提高投资收益的目的。

参考文献:

[1]《光伏发电并网逆变器技术规范》（NB/T32004—2013）中华人民共和国能源行业标准，国家能源局发布;

[2]《太阳能光伏逆变器设计与工程应用》周志敏，电子工业出版社，2013-03；

[3]《逆变器新技术与工程应用实例》周志敏，电子工业出版社，2014-10；