关于光伏电站逆变器的选择探究

关于光伏电站逆变器的选择探究

曾庆锋

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司浙江杭州311122）

摘要：逆变器是光伏发电的核心设备，它将光伏组件产生的直流电转换为标准的交流电。逆变器的品质好坏决定了发电效率的大小。逆变器性能的各项技术指标主要包括：输入直流电压的范围、输出功率、输出波形、最大功率点跟踪、额定容量，输出功率因数，额定输入电压，电流，电压调整率，总谐波畸变率等。本文针对集中式逆变器、组串式逆变器和集散式逆变器三种逆变器进行了对比分析。

关键词：集中式逆变器；组串式逆变器；集散式逆变器；对比

目前光伏电站投入应用的三种型式的逆变器分别为集中式逆变器、组串式逆变器和集散式逆变器。

1.1原理对比

上述三种逆变器的应用型式对比如下：

(1)集中式逆变器

每个逆变器1个MPPT追踪单元。暨1MW单元2个MPPT单元。

电气系统接线流程：

集中式逆变器技术成熟，目前被大规模应用在大型地面电站中，产品故障率在合理范围，且从目前运行经验来看主要故障元件是交流输出侧的电容，该元件损坏主要原因来自电网的电能质量不稳定，谐波大导致元件过频繁启动甚至超负荷工作所致。

(2)组串式逆变器

每个逆变器3个MPPT追踪单元，每个1MW单元约36台逆变器，总计108个MPPT单元。

电气系统接线流程：

组串式逆变器因容量小、价格高，主要应用在小型光伏电站和屋顶分布式电站，近几年也被应用于大型山地或坡地的地面电站，技术较成熟。因运行时间不长，目前故障率不高，整体运行水平良好。主要故障隐患也是逆变器中的滤波电容，该电容采用PCB板整体封装工艺，封装于逆变器内，无法单独拆换，如果发生故障需替换整个逆变器。

(3)集散式逆变器

每个逆变器接12个智能汇流箱，每个智能汇流箱4个MPPT单元，总计48个MPPT追踪单元。暨1MW单元48个MPPT单元。

电气系统接线流程：

集散式逆变器技术由国外引进，2013年底开始通过在部分地面电站进行改造实验的方式进行应用，2014年总装机规模在100~200MW之间。在国外研发之初集散式逆变器因价格过高、MPPT前置后汇流箱散热等问题而导致应用失败。目前国内厂家把价格降了下来，但装有MPPT的汇流箱因设计有负责DC/DC转化的斩波电路，发热量较大，散热问题是否解决仍待实践检验。逆变器的主要故障因数和故障率因应用时间不长暂无数据。

从原理上说，集散式逆变器将原集中式逆变器所承担的MPPT最大功率追踪功能前置到了汇流箱环节，同时增加了MPPT的数量，在吸收组串逆变器多MPPT追踪能力的基础上，积聚了集中式逆变器的优点。

MPPT算法的功能是通过最大功率追踪算法，寻找出控制范围内所有光伏组件的最佳功率值，使连接的光伏组件达到发电功率的极大值，追求发电量达到最优。

相同数量光伏组件情况下，MPPT数量越多，越能够将光伏组件因场地条件、施工水平、设计合理性等方面造成的差异体现出来，弥补相关缺陷。

图3集散式逆变器直流侧接线图

由上面三个图对比可知，三种方案设备的不同主要在从汇流箱/组串逆变器开始到升压变压器为止的部分。因此对三种方案的技术经济性比较以比较上述之间的部分为主。

1.2设计方案对比

1.电气设备对比

(1)以某光伏发电项目为例，对使用下面三种逆变器的电气设备和线缆用量进行了统计如下:

项目装机按20MW设计，设备布置、逆变器位置、开关站位置保持统一

三种型式的设备材料使用如表1，他们之间价格比较如表2，他们之间详细的概算表参见附表1(附表中逆变器价格水平参考目前最新价格):

集散式逆变器方案比集中式逆变器方案总价便宜约0.95%，在逆变器和汇流箱价格上偏贵，主要价格差距在变压器上，根据概算价格双分裂型变压器比双绕组型变压器价格约高出38%。

组串式逆变器方案比集中式逆变器方案总价贵约14%，首先在逆变器价格上组串式逆变器高出集中式逆变器约50%，其次在变压器价格上组串式逆变器方案也选用双绕组变压器，较集中式逆变器方案选用的双分裂变压器便宜38%。因此最终组合总价仅高出14%。

如将电缆线路计入对比总价，将进一步扩大了集散式逆变器方案的价格优势。集散式逆变器方案能够获得价格优势的关键点在：

a.集散式逆变器方案选择了常规的双绕组变压器；

b.集散式逆变器汇流箱输出电压提高，相同线损条件下，选择的电缆线径变小，降低了总的成本；

C.MPPT单元前置和增加的成本并未有明显增加。

2.发电效果对比

(1)某逆变器厂家在西部大型地面电站做过针对组串式逆变器和集中式逆变器发电量的对比如图4。

图4某品牌组串逆变器一天发电量对比图(有阴影遮挡前提下)

此对比是在有阴影遮挡的情况下获得的数据，数据可以看出在早晚，部分光伏组件被遮光的情况下，组串逆变器可以获得较好的发电量，提升发电量约占总电量的5%(按图中发电曲线覆盖面积)。

但此实验是针对有阴影遮挡的情况，如果光伏电站设计合理，阴影遮挡较小或没有，那么组串对发电量的提升效果并没有这么明显。

从发电量图中可以看出在不遮阴的情况下（图中10:45~16:45时间段）组串式逆变器并不能提高发电量，其发电功率和集中式逆变器基本无差别。

(2)某逆变器公司针对集散式逆变器和集中式逆变器的比对，表明必须分别把有遮挡的组件连成串、无遮挡的组件连成串才能有效提高早晚有阴影遮挡时的发电量，否则效果不明显。如图5

图5某品牌集散式逆变器对比效果图

通过实验分析表明，在有遮挡的情况下集散式逆变器对比集中式逆变器可以提高2%~3%的发电量；针对大型地面电站，相同的组串方阵排布情况，可以带来约1%的发电量提升

(3)某光伏企业在北方某电站对集散式逆变器和集中式逆变器的发电量进行了对比，通过31天数据的累积获得如表6所示的结果，其中20#单元是集散式逆变器，所在地形地势和19#单元基本相同，略差于18#单元；但20#单元光伏组串比19#单元少4串和18#单元相同。因此比较采用了3个单元共同比较的形式。

(4)通过上述案例的分析对比，

在优化设计和理论条件下，集中式逆变器已经能够满足优良电站的设计要求，但由于大型地面电站受制于地形高低、方向的不同，设计时阴影遮蔽计算的不足，施工时施工水平的限制等多种条件，导致同一逆变器所连接的光伏组串差异极大。

如果1MW单元仅2个MPPT追踪单元，无法达到发电功率的极大值，发挥出最大的发电效率；因此有必要增加MPPT单元，尽可能的使不同高低、不同朝向的光伏组件分别接入不同的MPPT单元，减少同一MPPT单元内光伏组件的差异，从而最大的发挥更大的发电效率。

针对有阴影遮蔽、有地形差异的光伏电站，集散式逆变器和组串式逆变器都能够提升阴影遮蔽时的发电量，同时多个MPPT确实能够提升有地形差异的电站的发电量。综上所述，集散式逆变器或组串逆变器能够使地形复杂的地面电站提升发电量约1~3个百分点。集散式逆变器和组串逆变器提升发电量的方法在原理上无本质区别。

发电量能有提升主要影响因数有：

a.组件间有阴影遮挡

b.组件布置间有朝向、倾角等差异。

1.4结论建议

综上所述，本文认为在朝向一直，地面平缓，且设计合理阴影遮挡影响小的地面电站采用集散式逆变器还是集中式逆变器主要取决于两个方案的价格水平。

对地形复杂的山地、坡地等类型地面电站和设计时未充分考虑阴影遮挡的地面电站采用集散式逆变器或组串式逆变器的效果基本一致，选用何种逆变器主要取决于相同朝向、地势特点的光伏组串区域大小和价格水平。若相同朝向和地势特点的区域较大可选用集散式，若较小可选用组串式。

参考文献

[1]李相华.浅析组串式和集中式逆变器安全可靠性[J].太阳能.2015(06).

[2]孔令国,蔡国伟.大规模并网光伏电站的逆变器控制方法研究[J].电力系统保护与控制.2013(22).

[3]孙庆.组串式与集中式光伏电站安全对比分析[J].太阳能.2015(08).

作者简介

“曾庆锋（1985.11-），男，江西赣州人，中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，工程师，单位：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司。