前言：光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)兩大主要部件之一，光伏逆變器的核心任務(wù)是跟蹤光伏陣列的最大輸出功率，并將其能量以最小的變換損耗、最佳的電能質(zhì)量饋入電網(wǎng)。由于逆變器是串聯(lián)在光伏方陣和電網(wǎng)之間，逆變器的選擇將成為光伏電站能否長(zhǎng)期可靠運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)預(yù)期回報(bào)的關(guān)鍵，本文提出了“因地制宜，科學(xué)設(shè)計(jì)”——即根據(jù)光伏電站裝機(jī)規(guī)模、所處環(huán)境和電網(wǎng)接入要求，合理選擇逆變器類型，使得電站建設(shè)方、投資方、運(yùn)營(yíng)方以及電網(wǎng)等相關(guān)多方在安全、穩(wěn)定和收益上的共同利益最大化，促進(jìn)光伏行業(yè)健康、有序發(fā)展。
一、光伏電站分類及電站特點(diǎn)
按照光伏電站安裝環(huán)境的不同，光伏電站一般分為荒漠電站、屋頂電站及山丘電站三種。
荒漠電站：利用廣闊平坦的荒漠地面資源開發(fā)的光伏電站。該類型電站規(guī)模大，一般大于5MW，目前單個(gè)50MW以上規(guī)模的電站已十分常見;電站逆變輸出經(jīng)過升壓后直接饋入110KV、330KV或者更高電壓等級(jí)的高壓輸電網(wǎng);所處環(huán)境地勢(shì)平坦，光伏組件朝向一致，無遮擋。該類電站是我國(guó)光伏電站的主力，主要集中在西部地區(qū)。
山丘電站：利用山地、丘陵等資源開發(fā)的光伏電站。該類電站規(guī)模大小不一，從幾MW到上百M(fèi)W不等;發(fā)電以并入高壓輸電網(wǎng)為主;受地形影響，多有組件朝向不一致或早晚遮擋問題。這類電站主要應(yīng)用于山區(qū)，礦山以及大量不能種植的荒地。
屋頂電站：利用廠房、公共建筑、住宅等屋頂資源開發(fā)的光伏電站。該類型電站規(guī)模受有效屋頂面積限制，裝機(jī)規(guī)模一般在幾千瓦到幾十兆瓦;電站發(fā)電鼓勵(lì)就地消納，直接饋入低壓配電網(wǎng)或35KV及以下中高壓電網(wǎng);組件朝向、傾角及陰影遮擋情況多樣化。該類電站是當(dāng)前分布式光伏應(yīng)用的主要形式，主要集中在我國(guó)中東部和南方地區(qū)。
二、逆變器分類及特點(diǎn)
光伏逆變器根據(jù)其功率等級(jí)、內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及應(yīng)用場(chǎng)合不同，一般可分為集中型逆變器、組串型逆變器和微型逆變器三種類型。
集中型逆變器：主要特點(diǎn)是單機(jī)功率大、最大功率跟蹤(MPPT)數(shù)量少、每瓦成本低。目前國(guó)內(nèi)的主流機(jī)型以500KW、630KW為主，歐洲及北美等地區(qū)主流機(jī)型單機(jī)功率800KW甚至更高，功率等級(jí)和集成度還在不斷提高，德國(guó)SMA公司今年推出了單機(jī)功率2.5MW的逆變器。按照逆變器主電路結(jié)構(gòu)，集中型逆變器又可以分為單機(jī)型和模組并聯(lián)型。
集中型逆變器是目前大部分中大型光伏電站的首選，在全球5MW以上的光伏電站中，其選用比例超過98%。
組串型逆變器：?jiǎn)螜C(jī)功率在3-60KW之間。主流機(jī)型單機(jī)功率30-40KW，單個(gè)或多個(gè)MPPT，一般為6-15KW一路MPPT。該類逆變器每瓦成本較高，主要應(yīng)用于中小型電站，在全球1MW以下容量的電站中選用率超過50%。
微型逆變器：?jiǎn)螜C(jī)功率在1KW以下，單MPPT，應(yīng)用中多為0.25-1KW一路MPPT，其優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)每塊或幾塊電池板進(jìn)行獨(dú)立的MPPT控制，但該類逆變器每瓦成本很高。目前在北美地區(qū)10KW以下的家庭光伏電站中有較多應(yīng)用。
幾種逆變器的典型應(yīng)用如圖所示。
光伏組件通過串聯(lián)形成組串，多個(gè)組串之間并聯(lián)形成方陣，集中型將一個(gè)方陣的所有組串直流側(cè)接入1臺(tái)或2臺(tái)逆變器，MPPT數(shù)量相對(duì)較少;組串型將一路或幾路組串接入到一臺(tái)逆變器，一個(gè)方陣中有多路MPPT，微型逆變器則對(duì)每塊電池板進(jìn)行MPPT跟蹤。當(dāng)各組件由于陰影遮擋或朝向不一致時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)失配。組串型方案多路MPPT可以解決組串之間并聯(lián)失配問題，微型逆變器既可以解決組串之間的并聯(lián)失配，也可以解決組件之間的串聯(lián)失配。因此，從技術(shù)方面看，幾種逆變器的本質(zhì)區(qū)別在于對(duì)組件失配問題的處理。
以逆變器為核心的設(shè)計(jì)選型，需要在光伏系統(tǒng)生命周期內(nèi)尋找總發(fā)電量和總成本的平衡點(diǎn)，還要考慮電網(wǎng)接入，如故障穿越能力、電能質(zhì)量、電網(wǎng)適應(yīng)性等方面的要求。依據(jù)各種逆變器的特點(diǎn)，結(jié)合所應(yīng)用的光伏電站實(shí)際情況，從電網(wǎng)友好、高投資回報(bào)、方便建設(shè)維護(hù)等方面進(jìn)行科學(xué)合理的選用。
三、不同電站的逆變器選型指南
1、荒漠電站 —— 集中型優(yōu)勢(shì)明顯
集中型逆變器有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)，是荒漠電站的首選。
更低的初始投資。根據(jù)對(duì)比分析，集中型方案較組串型逆變器方案在初投上每兆瓦節(jié)省投資約26萬(wàn)元。
發(fā)電量與組串型持平：荒漠電站中集中型和組串型發(fā)電量基本持平，綜合集中型在最高效率和過載能力等方面的優(yōu)勢(shì)，集中型發(fā)電量略高于組串型。少數(shù)電站出現(xiàn)的早晚前后排的遮擋，使用組串型無法克服，需要通過優(yōu)化組件布局進(jìn)行規(guī)避。
運(yùn)維更方便更經(jīng)濟(jì)。通過對(duì)比集中型和組串型主流機(jī)型方案在100MW電站的運(yùn)維數(shù)據(jù)，發(fā)電量損失二者相當(dāng);由于組串型設(shè)備是整機(jī)維護(hù)，而集中型設(shè)備是器件維護(hù)，設(shè)備維護(hù)成本上，集中型優(yōu)勢(shì)非常明顯。同時(shí)，在占地幾千畝的百M(fèi)W級(jí)大規(guī)模電站中，對(duì)完全分散布置的組串逆變器進(jìn)行更換，維護(hù)人員花在路途上的時(shí)間將遠(yuǎn)高于進(jìn)行設(shè)備更換的時(shí)間，這也是組串型的大型電站應(yīng)用不利因素之一。
集中型方案更加符合電網(wǎng)接入要求。高壓輸電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)的光伏發(fā)電在調(diào)度響應(yīng)、故障穿越、限發(fā)、超發(fā)、平滑、諧波限制、功率變化率、緊急啟停等方面都有嚴(yán)格要求。故障穿越是指電網(wǎng)出現(xiàn)短路、浪涌、缺相情況下，逆變器必須能夠在625毫秒到幾秒的時(shí)間內(nèi)依然輸出一定容量的有功和無功功率，確保電力系統(tǒng)繼電保護(hù)能夠正常動(dòng)作，由于集中型逆變器在電站中臺(tái)數(shù)少,單機(jī)功能強(qiáng)大，通訊控制簡(jiǎn)單，故障期間能夠穿越故障的概率遠(yuǎn)大于組串逆變器。2013年6月中旬國(guó)網(wǎng)組織的實(shí)地低電壓穿越檢驗(yàn)，多個(gè)型號(hào)集中逆變器也不同程度出現(xiàn)脫網(wǎng)情況，設(shè)想如果有上千臺(tái)小型逆變器在大型電站中運(yùn)行，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，由于設(shè)備眾多控制復(fù)雜，電網(wǎng)耦合、諧振概率陡增，組串型逆變器必然會(huì)出現(xiàn)大量脫網(wǎng)、甚至設(shè)備自身?yè)p壞的情況，危及電網(wǎng)安全運(yùn)行。另外由于逆變器數(shù)量太多，無法確保30ms內(nèi)響應(yīng)無功調(diào)度指令的電網(wǎng)要求。
2、山丘電站 —— 多MPPT集中型方案為主，也可考慮組串型方案。
山丘電站可以看做地勢(shì)并不平坦的荒漠電站，也是饋入輸電網(wǎng)為主，規(guī)模多為5MW以上。在山丘電站項(xiàng)目中，通常一個(gè)坐標(biāo)系下規(guī)劃100多KW左右容量組件(如125KW的組件鋪設(shè)成同一朝向)，達(dá)到發(fā)電量和投資維護(hù)成本的最優(yōu)比例。針對(duì)此應(yīng)用開發(fā)的多MPPT模組模式的集中型逆變器，每路MPPT跟蹤100多KW組件，將同一朝向組件的設(shè)計(jì)占地面積單位縮小到約1000平米，大大提升了施工便利性并有效解決朝向和遮擋問題，同時(shí)共交流母線輸出，具備集中型逆變器電網(wǎng)友好性特點(diǎn)，是山丘電站的首選方案。
如果所選的山丘電站地形非常復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)100多KW組件同一朝向鋪設(shè)施工難度很大，可以考慮組串型逆變器作為補(bǔ)充。
3、屋頂電站 —— 推薦組串型，也可選用集中型方案
屋頂電站的設(shè)計(jì)相對(duì)較為復(fù)雜，受屋頂大小、布局、材質(zhì)承重、以及陰影遮擋等影響，需要通過組件鋪設(shè)和逆變器選型規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)收益最大化。同時(shí)組件安裝在屋頂，需要考慮火災(zāi)防范等安全問題。接入配電網(wǎng)，直接靠近用戶負(fù)荷，需要考慮用戶用電安全性，電能質(zhì)量符合要求，及與原有配電之間的繼電保護(hù)協(xié)調(diào)等。接入用戶配電網(wǎng)后，對(duì)用戶的功率因數(shù)影響十分明顯，逆變器除了輸出有功外，還需要快速的根據(jù)光伏系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)電情況、用戶實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)以及用戶配電房原有的SVC、SVG投入情況綜合計(jì)算以確定逆變器的實(shí)時(shí)無功輸出容量。因此，屋頂光伏系統(tǒng)方案的選用需要在安全、電網(wǎng)友好、投資回報(bào)、維護(hù)等多個(gè)因素中尋求平衡點(diǎn)。
屋頂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在遮擋或朝向不一致，推薦選用組串型逆變器。屋頂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，推薦使用組串型逆變器，并且根據(jù)實(shí)際屋頂和并網(wǎng)點(diǎn)的位置及并網(wǎng)點(diǎn)電壓等級(jí)，選擇逆變器。組串型逆變器需要具備拉弧監(jiān)測(cè)和關(guān)斷能力，以有效防止火災(zāi)的發(fā)生，具備PID消除功能，具備高精度漏電流保護(hù)功能和孤島保護(hù)功能等。
大型廠房，考慮到屋頂承重和維護(hù)便利性，可選用集中型方案。工業(yè)廠房屋頂平坦、規(guī)模大、陰影遮擋少、朝向簡(jiǎn)單、多為10KV中壓配電網(wǎng)并網(wǎng)。考慮到大多廠房為彩鋼屋頂，承重有限無法安裝組串型逆變器，以及日常維護(hù)便利、不影響正常生產(chǎn)運(yùn)行等實(shí)際情況，可選用集中型逆變器。
