分布式光伏电站逆变器选择与应用

王 天 方

(宁波市建筑设计研究院有限公司, 浙江 宁波 315000)

0 引 言

随着绿色建筑设计标准的贯彻,应用分布式光伏发电作为可再生能源的项目越来越多[1-2]。不少设计人员对相关设备的选型及应用尚不太了解,而相关的图集对设计的指导还不够详尽、准确。本文介绍光伏系统中逆变器的选择与应用。

1 逆变器的类型选择

目前,市面上常见的逆变器种类包括集中式逆变器、组串式逆变器以及微型逆变器,其中微型逆变器由于其经济性和应用场景的限制,一般很少采用[3-4]。集中式逆变器一般输出功率为500～630 kW,拓扑结构采用DC-AC一级变换,再加工频隔离变压器的方式,防护等级一般为IP65,体积较大,采用室内立式安装。

集中式逆变器主要优点是单位功率的成本相对较低,逆变器数量少,便于集中管理。主要缺点是其直流部分系统较复杂,而直流设备造价相对较高,监控及管理不便,且故障率高;最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)电压范围窄,一般为450～820 V,组件配置不灵活,启动电压较高,导致发电时间较短;发热较大,需要强制风冷,自身耗电较大;MPPT数量少,整体发电效率相对低。

组串式逆变器一般输出功率为3～70 kW,拓扑结构采用DC-DC-BOOST升压和DC-AC全桥逆变两级变换,防护等级一般为IP65,体积较小,可以在室外就地安装。

组串式逆变器主要优点是不需要直流汇流箱和直流配电柜,直流部分简单;MPPT电压范围宽,一般为250～850 V,组件配置更为灵活,启动电压较低,从而发电时间较长;体积小,重量轻,运输和安装方便;自耗电低,故障影响小,更换维护方便;MPPT数量多,不受组串间模块差异和阴影遮挡的影响,同时减少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况,最大程度增加发电量。主要缺点是单位功率的成本相对较高;多个逆变器并联时,总谐波高,单台逆变器电流畸变率可以控制到2%以下,但如果超过40台逆变器并联时,总谐波会叠加,且较难抑制。

分布式光伏电站建设中,一般单个屋面或多个屋面组合的光伏组件装机容量很难达到集中式逆变器的输出容量,且不同屋面或同一屋面组件的朝向、倾角、组串数量等参数往往很难达到完全一致,采用组串式逆变器能更好地发挥所有组串的最佳发电效率。另外,并网专用逆变器室也是限制集中式逆变器使用的条件之一。根据上述优缺点,集中式逆变器一般用于日照均匀的大型厂房、荒漠电站、地面电站等大型发电系统中,系统总功率大,一般是兆瓦级以上。

2 逆变器应用

2.1 电气参数

以下就组串式逆变器样本中提供的基本参数来分析实际项目设计中应注意的事项。

(1) 功率。一般逆变器型号表示的是逆变器的输出功率,而逆变器的直流输入功率一般都会超过其输出功率的5%～20%。根据国家标准GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》[5]第6.1.4条,逆变器允许的最大直流输入功率不应小于其对应的光伏方阵的实际最大直流输出功率。锦浪公司GCI-30K型逆变器输出功率为30 kW,而直流输入功率可达34 kW,当某项目光伏装机容量超过30 kW而小于34 kW时,选用1台30 kW的逆变器已能满足要求。目前,0.4 kV电压等级并网的逆变器,单台输出功率已达到60 kW。

(2) 电压。对直流输入电压和交流输出电压讨论。目前,部分逆变器的最大输入电压已达1 100 V,MPPT电压范围可达200～1 000 V,意味着在同一组串内可以接入更多的组件,接线灵活性更好。组串式逆变器的交流输出电压分两种,一种是304～460 V,应用于低压并网项目中;另一种电压范围为384～576 V,应用于中压并网项目,输出功率为40～70 kW,交流侧经汇流后接入升压变压器。注意的是,并网电压等级为10 kV的光伏升压变压器,当所接逆变器为组串式逆变器时,其二次侧电压一般为480 V,而当所接逆变器为集中式逆变器时,其二次侧电压一般为315 V,且一般选择二次侧为双分裂绕组的升压变压器。

(3) MPPT。MPPT数量越多,跟踪性能越好,目前市面上20 kW以上的组串式逆变器的MPPT数量一般为3～4个。

(4) 功率因数。一般逆变器的输出功率因数在0.8(超前)～0.8(滞后)可调,实际计算电流时建议按0.95考虑。

(5)工作环境温度。一般工作环境温度为-25～60 ℃。根据GB 50797—2012中第6.4.2条,工作温度在计算组串数量时会用到,由于组件的工作温度一般在-40～85 ℃,其范围宽于逆变器,故计算温度一般以逆变器为准。注意的是,根据GB 50797—2012中第6.4.2条中公式计算组串数量时,温度范围取值应根据当地实际气候条件来确定,以宁波地区为例,其全年最低温度不会达到逆变器的最低温度,如按照-25 ℃来计算就过于极端,建议按照当地的年最低气温来取。根据实际计算可得,按当地的年最低气温进行计算,比按逆变器工作温度计算,最大组串数量往往可增加1～2块。

2.2 接线设计

组串式逆变器的直流部分接线有如下方面需要注意:

(1) 接入同一MPPT的组串,须在电气参数上保持一致。这就要求在这些组串内不仅是组件的选型要一致,而且朝向(平屋面分水线的南北坡也属不同朝向)、倾角、组串数量都要一致,才能使所有组件的工作电压接近于一致。

(2) 接入不同MPPT的组串,允许在电气参数上有所不同,包括允许采用不同型号规格的组件。而一般在同一项目中,所有组件均是采用同一规格型号,在实际应用中的意义就在于当组件数量不是计算所得组串串接数量的整数倍时,可以在同一逆变器中接入不同组串数量的组件,大大地方便接线设计。如,某项目根据绿建要求共需总面积为200 m2的光伏组件,设计选择单块面积为1.63 m2的270 Wp光伏组件共计122块,总装机容量共32.94 kWp,采用一台30 kW逆变器,参照锦浪GCI-30K型逆变器,其MPPT/组串数为4/8,根据GB 50797—2012第6.4.2条,计算得组串允许串接组件块数为10～22块,而由于不能被其中任何一个数整除,则可以采取在MPPT1接入20×2串,在MPPT2接入20×2串,在MPPT3接入21×2串,极大地增加接线的简便性。

(3) 组串所串接的组件数量在允许的范围内越多越好。这是由于MPPT有启动电压,当串接的组件数量越多,达到启动电压所需要的光照条件越小,则其一天中能够启动发电的时间也越长,经济效益越好。

(4) 组串式逆变器无需直流汇流装置。有设计人员在设计中参照国标图集15D202-4的案例设计,直流部分先通过直流汇流箱汇流,再接入逆变器,实际上这样的做法不但增加直流汇流箱的投资,而且也浪费逆变器本身的多MPPT追踪功能,使这组经汇流的组串整体效率由于木桶效应而降低。而直流汇流箱具有的短路、过电流保护、电涌保护等电气保护功能,逆变器的交直流侧均有集成,不必担心取消直流汇流箱后缺少相关保护的问题。

组串式逆变器的交流部分接线有如下方面需要注意:

(1) 用于低压并网的组串式逆变器(输出电压为380 V),其支持的电网形式有TN-S、TN-C、TN-C-S、TT。需要注意的是,市面上多数输出容量在40 kW以上的逆变器,只有L1、L2、L3和PE端子,并不设N端子,其连接电缆线芯采用3+1型。用于低压并网的组串式逆变器支持的电网形式如图1所示。

图1 用于低压并网的组串式逆变器支持的电网形式

(2) 用于中压并网的组串式逆变器(输出电压为480 V),其支持的电网形式一般为IT,如图2所示,此时其升压系统的制式与一般民用建筑中采取的接地制式有所不同。

图2 用于中压并网的组串式逆变器支持的电网形式

2.3 保护配置

组串式逆变器一般具有如下保护:直流反接保护、交流短路保护、交流输出过电流保护、绝缘阻抗保护、残余电流检测、电涌保护、孤岛保护、温度保护等,这里着重介绍孤岛保护。孤岛效应是指电网由于某种原因而中断供电时,光伏电站未能及时切离网络,仍继续向电网输送电能,从而与负载形成一个供电孤岛的现象。其主要作用就是故障时断开并网点开关,避免线路上有人员施工检修,造成不必要的人员伤亡;避免电网的故障,引起光伏电站的不正常运行,对电站造成冲击。虽然逆变器本身具有孤岛保护,可以在检测到外部故障时停机运行,但只是针对单台逆变器。而对于整个光伏电站,还需在并网点处设置防孤岛保护装置来跳开并网点开关。

3 结 语

民用建筑分布式光伏发电系统中一般采用组串式逆变器,其应用中有不少注意事项尚不为建筑电气设计从业人员所熟知。详细阐述组串式逆变器的各电气参数功能,并结合实际工程设计,列出逆变器选择时需要注意的要点。

[1]王旭,康家玉,曹举,等.基于重复和PI复合控制的单相光伏并网逆变器仿真研究[J].电器与能效管理技术,2017(22):55-62.

[2]康家玉,王旭,曹举,等.基于PR控制的新型单相H5光伏并网逆变器的仿真研究[J].电器与能效管理技术,2017(9):67-73.

[3]方永辉,孙宇贞,李平,等.光伏并网发电系统的技术发展趋势[J].电器与能效管理技术,2016(23):50-54.

[4]张尧,晁勤,吴春艳,等.光伏并网逆变器研究综述[J].电器与能效管理技术,2016(17):7-11.

[5]光伏发电站设计规范:GB50797—2012[S].