模块化系统，最大化收益——Fronius MIXTM 系统使发电量最大化

Fronius International GmbH光伏系统技术 Thomas MŸhlberger JŸrgen Wolfahrt

一 引言

逆变器在高负载的情况下能高效运行。当光照强度较弱时，损失会相对较大。这一方面是因为逆变器本身需消耗能量。从比例上来说，发电量较小时，消耗会更多。另一方面，多次开关机器也会使损耗增加，当发电量较低时，影响会更大。

由于逆变器大部分时间都是在有部分负载的情况下运行，所以，部分逆变器生产商就采用了主－副逆变原理，尤其是针对较高纬度的地区。Fronius主副逆变器交换(MIXTM)系统在这一原理基础上有所突破，规避了主－副逆变原理的缺点，并应用于Fronius IG、Fronius IG Plus 和 Fronius CL集中式逆变器。

二 主－副逆变原理

典型的主－副逆变原理为:在一个由两个或两个以上的逆变器组成的系统中，其中一个起主导作用，始终作为主逆变器，负责控制所有的副逆变器。需要时，则开启其他的副逆变器。在阴雨天或冬季，主逆变器可单独工作，而所有的辅助逆变器都关闭。

这种运行模式意味着主逆变器运行的时间会比副逆变器长得多。即使是与非主－副模式运行的逆变器相比，主逆变器满负荷运行的时间也很长。这样，主逆变器的部件承受压力非常大。从数据角度来说，这个事实可清楚地表明，主逆变器比起“普通”逆变器有更高的故障率，比副逆变器的故障率也高得多。并且，非常糟糕的情况是，当主逆变器发生故障后，所有的副逆变器也将停止工作，整个系统就会停止工作。因为，主逆变器负责管理并在需要时启动副逆变器。这将导致发电量急剧降低，尤其在较大的光伏系统中更为明显。

三 MIXTM系统的基本原理

MIXTM系统是主－副逆变原理的一个延伸，同样具有部分负载下高效率的优点，而且规避了运行时间和故障率方面的缺点。

MIXTM系统的工作原理为:一个功率模块(主逆变器)负责协调和控制其他的功率模块(Fronius目前已将这一原理扩展至15个功率模块）。控制软件自动将主逆变器这一角色分配给其中一个功率模块。这种任务分担的方法可有效减少单个功率模块的运行时间，并且也能在部分负载的情况下提高发电量。

MIXTM系统中所有的功率模块在本质上都是相同的，既可做主逆变器，也可是副逆变器。每个模块的运行时间单独计算。每次逆变器启动时(通常是每天早晨)，控制软件将会检查哪个逆变器目前的总运行时间最短，那么这个逆变器就是(当天的)主逆变器。当光伏组件的输出超过一定值(依据逆变器的额定输出)，主逆变器就会开启副逆变器。第二天早晨，又会再次检查运行时间(依据目前的总运行时间确定)，另一个功率模块就将变成主逆变器。MIXTM系统在稳定性方面有着最高的标准。毕竟，一旦某个主逆变器发生故障，某个副逆变器可代替成为主逆变器，这样，逆变器可持续输出电力。也就是说，一个主逆变器故障，不会或者较少地影响到发电量。如果故障发生在下午、阴雨天或冬季，剩余的功率模块可非常有序地工作，保证全额发电，这样就不会“损失”任何一度电了。

四 MIXTM 系统的详细内容

任务分担可节约运行时间，表1列出了MIXTM系统中逆变器整体和单个功率模块分别减少的运行时间。其中，表中逆变器是带有2个功率模块的Fronius IG Plus 100，带有3个功率模块的Fronius IG Plus 150 和带有 15个功率模块的Fronius CL 60.0；第一列“逆变器总运行时间”表示在特定的月份内，逆变器的总运行时间。第二列分别列出带有2、3、15个功率模块时，每个功率模块不同的平均运行时间。

在冬季，12月份逆变器总运行为241h。根据2、3、15个不同的模块数量，平均每个模块的工作时间分别是139h、109h和71h。由于12月的光照相对较弱，通常一次只需开启一个功率模块。针对Fronius CL，当有3个以上功率模块运行时，每次启动都必须3个一组同时运行。

单个功率模块不需要运行的时间比例表示为MIXTM因数(在15个功率模块时，可高达70%)。

在夏季，7月份逆变器的总运行时间升至469h。平均单个功率模块的工作时间分别为334h(2个功率模块)、299h(3个功率模块)和265h(15个功率模块)。在这个光照强的月份，MIXTM因数分别是29%(2个功率模块)和44%(15个功率模块）。最佳情况下，MIXTM因数可分别达到50%(2个功率模块)、66%(3个功率模块)和93%(15个功率模块)。这种情况下，每天只需要1个功率模块运行，其他功率模块都不需要启动。然而，年度平均节约运行时间的比例在34%～53%之间(2～15个功率模块)。

表1 MIXTM系统中逆变器整体和单个功率模块分别减少的运行时间

从图1可以看出，20年后每个功率模块的总运行时间。2个功率模块约13年，3个功率模块约11年， 15个功率模块约9年。

图1

五 部分负载下的高效率保障了更高的发电量

若把带有15个功率模块的Fronius CL 60.0 与一个仅带有单一功率模块的逆变器比较，Fronius CL由于在部分负载情况下具有更高的效率，可产生十分可观的更高发电量。

如果以一年内的月份平均值来看，额外发电量可多0.6%。在冬季可达到1.7%(约30kWh/kWp），而在阴雨天单日可高达8%(约0.17kWh/kWp）。

2008～2009年部分月份的每月额外发电量如2所示，4月是一个发电量超过平均值的月份，多产生0.2%的电量，约170 kWh/kWp。

六 MIXTM系统与主－副逆变原理的比较

图2 2008～2009年部分月份的每月额外发电量

当两个逆变器使用主－副逆变原理运行时，在部分负载情况下与使用Fronius MIXTM系统的逆变器相比，所发电量是相等的。但是，Fronius MIXTM系统区别于主－副原理的两个重要方面为:

1 主逆变器不固定

如果采用主－副逆变原理，主逆变器固定为其中一个逆变器。因此，主逆变器的运行时间是100%。夏季，副逆变器运行时间约为44%，而到冬季则降至14%，年平均运行时间约为29%。采用Fronius MIXTM系统，在各个功率模块之间，运行时间均衡分配。在全年中，平均每个功率模块都只占总运行时间的66%。

2 系统故障时的保护

在主－副逆变原理系统中，如果主逆变器发生故障，整个系统就停止运行。因为只有主逆变器工作时，副逆变器才能运行。然而，在MIXTM系统中，如果一个功率模块发生故障，另外一个功率模块就会替代其运行。所以，仅当光照强度较高时，才会有能量损失。当然这种损失也是有限的。

七 采用Fronius MIXTM系统的 Fronius 逆变器

采用Fronius MIXTM系统的Fronius逆变器为:Fronius IG 40 and 60(2 个功率模块)、Fronius IG Plus 70, 100(2个功率模块)、Fronius IG Plus 120,150(3个功率模块)、Fronius CL 36.0 (9个功率模块，3个一组)、Fronius CL 48.0(12个功率模块，3个一组)及Fronius CL 60.0(15个功率模块，3个一组)。