大型光伏电站中集中式逆变器与组串式逆变器的选择

潘 慧

上海电力设计院新能源

大型光伏电站中集中式逆变器与组串式逆变器的选择

潘 慧

上海电力设计院新能源

随着光伏发电成为我国新能源发展的重点项目，光伏并网逆变器的研究已成为当今热门的研究领域。介绍了光伏逆变器的的功能和分类、集中式逆变器及组串式逆变器特点、并结合工程案例对在大型光伏电站中集中式逆变器及组串式逆变器进行简要分析。

大型光伏电站；光伏并网逆变器；集中式；组串式

在当今的世界经济发展格局下，人类对于能源的需求在不断增长，能源的可持续发展越来越得到人们的重视。光伏并网逆变器是将太阳能电池所输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再并入电网的装置，光伏逆变器的可靠性、高效性和安全性直接影响到整个太阳能光伏发电系统的发电量及运行稳定性，是整个光伏发电系统中的关键设备。随着光伏行业的发展，光伏逆变器包括微网逆变器、集中式并网逆变器、小型并网逆变器、组串式并网逆变器等也在逐步发展，

1 并网逆变器简介

1.1 并网逆变器的构成和功能

逆变器的功率转换部分是使用功率晶体管多次告诉切换直流并重新排序产生交流电。控制装置部分即控制功率转换部分有电子电路构成；保护装置也由电子电路构成，并在内部发生故障时作为安全装置动作。

逆变器具有以下功能。

（1）在负载和日照强度画较大的情况下，逆变器均能高效运行。

（2）日照强度、负载变化、环境温度对于光伏组件的输出功率具有很大的影响。故不管伴随光伏组件的温度变化和日照强度的变化而变化的输出电压、输出电流的变化如何，逆变器始终使保持最大功率跟踪功能，通过自生调节实现系统的高效运行。

（3）逆变器的输出为正弦波电流，光伏发电系统回馈给电网的电能，必须满足电网规定的性能指标，如逆变器必须尽量减少高次谐波、输出电流不能含有直流分量，保证电网可靠性。

（4）为了使电压维持在规定范围内，自动进行电压调节。

1.2 并网逆变器的分类

1.2.1 集中式并网逆变器

全部光伏阵列由多个组串组成，每个组串串联相同数量的组件，所有组串在并联到一起给集中式逆变器供电。目前国内生产的并网光伏逆变器分为含隔离变压器型和无变压器型，设备功率在50～1 000 kW之间，三相相输出，单点接入电网。集中式逆变器原理图见图1。

若采用集中式逆变器，并网系统主要包括光伏组件—直流电缆—汇流箱—直流电缆—直流防雷配电柜—直流电缆—逆变器—升压变压器—交流配电柜和监控系统等设备，如图2所示。

（1）集中式逆变器具有如下优点。

1）集中式并网逆变器所有的电子部件集成在一个设备中，逆变器的功率容量提高了，同时机械部分和辅助控制电路成本的份额降低，可降低单位成本。

2）逆变器采用模块化结构设计，在一个甚至多个模块出现故障时，系统仍可以继续向电网提供电能，提高发电可靠性。

3）具有有功功率调节和低电压穿越功能。在电网电压出线瞬时跌落时，逆变器对电网电压始终保证以额定电流工作模式，输出端电压跟随电网电压，可以再很低电压下运行，为电网尽可能打的提供电能支持，提高电网的稳定性。

4）逆变器安装于独立的逆变器室内，在环境条件恶劣的地区，可以对设备进行保护。集中逆变单元数量少，便于运行人员检修维护。

（2）集中式逆变器具有如下缺点：

1）单点故障对系统影响较为明显，所有转换和功率馈电过程受控于单一设备，若逆变器出现故障，对光伏发电量影响较大。

2）所有组串并联在一起接入逆变器中，由一个MPPT算法控制，并且不能监测和跟踪每一组串的最佳电流和电压。

3） 逆变器室占地面积大，会对光伏场内的光伏组件有一定的遮挡，影响发电量。

图1 集中式逆变器原理图

图2 集中式光伏发电系统图

1.2.2 组串式并网逆变器

目前国内组串式逆变器的技术已经完全成熟，设备功率分别在1～30 kW之间。多组串逆变器是混合了微网逆变器和集中式逆变器，即在每个支架方阵上安装多组串式逆变器，一般采用两个组串接入并网逆变器，同时，几个并网逆变器输出并联后，通过升压变压器升压至高压电，接入电网，如图3所示。

（1）组串式逆变器优点

1） 组串式逆变器直流输入电压的匹配性好，可实现高效率发电，提高发电量。组串式逆变器采用多核发电，缩小故障影响范围，不需要中断发电；采用多路MPPT，遮挡、组件失配对发电量影响小，最大功率跟踪范围为200～900 V，电压跟踪范围宽，能够更好的发挥出光伏组件最大功率的特性。

2） 组串式逆变器采用智能化组串监控，实现对组件的智能管理，实时监控光伏组串的状态，在发生异常和故障时自动发出告警，并精确定位组串故障，缩短了维修时间，方便运维，提高发电量，使逆变器成为电站的大脑和管家。

3） 组串式逆变器体积小、重量轻，便于运输和安装，无需配置专门的逆变器室，可直接安装于光伏支架上。在实际工程案例中可减少占地面积、简化施工流程。

（2）组串式逆变器缺点

1）组串是逆变器功率期间电气间隙小，不适合高海拔地区。

2）组串式逆变器采用户外安装，风吹日晒容易导致外壳和散热片老化，且在大型光伏电站中配置的数量较多、总器件数目多，降低可靠性。

3）当超过40台逆变器并联后，单台设备在额定功率下的谐波含量原高于集中式逆变器，且40台逆变器并联后，会在并网点在成谐波叠加问题，而且较难抑制。另外，因交流输出侧采用双绕组变压器，多台设备间的环流问题严重。

2 方案对比

图3 组串式逆变器原理图

根据青海华拓新能源有限公司黄南州尖扎县20 MW并网光伏发电项目，对采用集中式逆变器与组串式逆变器进行对比，对其投资成本与发电量进行比较。

2.1 投资成本对比

见表1、表2。

2.2 年上网量对比

2.2.1 集中式发电量

（1）第一年及逐年理论发电量

根据光伏组件电池组件25 a衰减率，按照分段线性衰减，第1年衰减2%，第2年至第10年，平均年衰减率0.75%/a，总衰减6.75%；第11年至第25年，平均年衰减率0.7%/a，总衰减10.5%；整个生命周期组件总衰减19.25%。并按此计算得出25 a分年发电量，详见表3。考虑组件衰减性，第一年发电量理论计算值为3239.8×104 kWh，比年平均上网电量高出10.5%。

（2）年平均上网电量

根据以上各项的估算修正，得出理论年发电量总的综合效率系数。据此估算出光伏电场的年上网电量及标准功率年利用小时，详见表4。

表1 组串式解决方案

表2 集中式解决方案

表4 年平均上网电量及年利用小时数

2.2.2 组串式发电量

（1）第一年及逐年理论发电量

根据光伏组件电池组件25 a衰减率，按照分段线性衰减，第一年衰减2%，第二年至第十年，平均衰减率0.75%/a，总衰减6.75%；第十一年至第二十五，平均衰减率0.7%/a，总衰减10.5%；整个生命周期组件总衰减19.25%。并按此计算得出25 a分年发电量，详见表5。考虑组件衰减性，第一年发电量理论计算值为3428.8×104 kWh，比年平均上网电量高出10.5%。

表3 25年分年发电量及利用小时数

表5 25 a分年发电量及利用小时数

（2）年平均上网电量

根据以上各项的估算修正，得出理论年发电量总的综合效率系数。据此估算出光伏电场的年上网电量及标准功率年利用小时，详见表6。

表6 年平均上网电量及年利用小时数

2.3 结论

通过上述分析，在相同20 MW并网光伏发电项目比较，发现集中式方案比组串式方案初始投资更低。但在电站25 a生命周期内，组串式年平均发电量较集中式有明显提高。但组串式更能有效解决光伏电站售后交付和运维中长期存在的烦恼，组串式解决方案无论在初期运维还是后期运维上，都有着明显优势。组串式解决方案通过精细化管理和智能化管理，显著提高了电站建设和运维水平。

3 结语

在大型地面电站的投资中，我们不仅要考虑电站的初始投资，还需要关注运维的总成本及采用更先进的设备更优化的方案，使电站发电量得到提高，是未来电站的发展趋势。目前，集中式逆变器已经广泛应用于地广人稀的沙漠、戈壁地带的光伏电站中，在我国市场上占据了主导地位。但组串式逆变器构成的逆变系统虽然从初期设备投入略高，但从系统成本及长期运营角度，投资回报率略高。随着国内光伏市场的发展，在未来大型光伏电站的建设中，组串式逆变器的应用会是一种趋势。

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Centralized Inverter and Series Inverter Selection in Large PV Power Plant

Pan Hui
Shanghai Electrical Power Design Institute New Energy

With PV power generation as key project in our country’s renewable energy development, research on photovoltaic grid connected inverter has become a hot study field. The article introduces functions and classification of PV inverter and characteristics of centralized inverter and series inverter with engineering case studies analysis on centralized inverter and series inverter selection in large PV power plant.

Large PV Power Plant, Photovoltaic Grid Connected Inverter, Centralized Inverter, Series Inverter

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.01.006