分布式光伏电站中集中式逆变器和组串式逆变器的选择比较

贾帅

（中电投（深圳）电力销售有限公司，广东 广州 510000）

1 逆变器转换效率重要性

提高逆变器的转换效率有很大的重要性。比如我们提高1%的转换效率，500kW的逆变器，平均每天算4h，逆变器每天可以多发电20kW·h，那么1年就可以多发电7300kW·h，10年即可多发出73000kW·h。这样就相当于1台5kW逆变器的发电量。这样客户可以节省1台5kW逆变器的电站。所以为了提高客户的最大利益，我们需要尽可能的提高逆变器的转换效率。

2 逆变器效率的影响因素

提高逆变器效率措施就是降低损耗，逆变器的主要损耗来自于IGBT、MOSFET等功率开关管，以及变压器、电感等磁性器件。损耗和元器件的电流，电压以及选用的材料采取的工艺有关系，见表1。

表1

IGBT的损耗主要有导通损耗和开关损耗，其中导通损耗和器件内阻、经过的电流有关，开关损耗和器件的开关频率，器件承受的直流电压有关。电感的损耗主要有铜损和铁损，铜损指电感线圈电阻所引起的损耗，当电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而损耗，由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损，铜损可以通过测量变压器短路阻抗来计算。铁损包括两个方面：一是磁滞损耗，另一是涡流损耗，铁损可以通过测量变压器空载电流来计算。

3 提高逆变器转换效率技术路线

目前有三种技术路线：一是采用空间矢量脉宽调制等控制方式，降低损耗；二是采用碳化硅材料的元器件，降低功率器件的内阻；三是采用三电平、五电平等多电平电气拓扑以及软开关技术，降低功率器件两端的电压，降低功率器件的开关频率。

4 分布式光伏电站中集中式、组串式逆变器的结构及特点

分布式光伏电站主要利用分散式的发电资源，装机规模一般是比较小的、经常布置在用户附近的发电系统，分布式光伏电站特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式光伏电站。在分布式光伏电站中逆变器是重要的组成部分，逆变器是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220V,50Hz正弦波)。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。在分布式光伏电站中，逆变器最常用的有两种，集中式逆变器、组串式逆变器，为了能够更好的选择和使用，就要全面的了解集中式逆变器、组串式逆变器各自的结构和特点。

4.1 集中式逆变器

集中式逆变器顾名思义是将光伏组件产生的直流电汇总转变为交流电后进行升压、并网。因此，逆变器的功率都相对较大。光伏电站中一般采用500kW以上的集中式逆变器。

（1）集中式逆变器的优点：①功率大，数量少，便于管理；元器件少，稳定性好，便于维护。②谐波含量少，电能质量高；保护功能齐全，安全性高。③有功率因素调节功能和低电压穿越功能，电网调节性好。

（2）集中式逆变器的缺点：①容易出现故障，影响整体的发电。②恶劣天气容易出现故障问题，导致停电。③集中式逆变器的安装对技术要求比较高且要求逆变器和组件配合度高，匹配度低则会造成发电量损失。如果有遮挡、多云或者组件有问题，则会对整个光伏系统的效率产生影响。

（3）集中式逆变器的作用原理，如图1。

图1 集中式逆变器原理图

4.2 组串式逆变器

现在我们常说的组串式逆变器指的是能够直接跟组串连接，用于室外挂式安装的单相或者三相输出逆变器，功率为几千瓦到几十千瓦。像华为SUN2000-50KTL-C1、 古瑞瓦特30000-50000TL3-SE系列等等都属于组串式逆变器。

（1）组串式逆变器的优点。①组串式逆变器采用智能化的设计，可以在无风扇和无熔丝的条件下运行，还能解决直流汇流箱的故障问题，对于整个分布式光伏发电站也有很大作用。②组串式逆变器在运作原理上最大的好处就是当出现故障的时候可以精确的定位到故障的位置，从而提高运作效率。③组串式逆变器对外部因素的适应能力比较强，适合地区比较多，但也有例外。④不受组串模块差异和遮影的影响，减少了组件与逆变器间的匹配问题，发电量增加，且安装售后方便，价格居中。

（2）组串式逆变器的缺点。①组串式逆变器在构成上是比较复杂的，所有的电子元器件都比较多，对于制造和安装就造成了很多的难题。②组串式逆变器的元器件中，电气间隙比较小，也有不适宜安装的地区，例如海拔比较高的地区。③组串式逆变器安全性能比较差，在直流分量过大的情况下，容易对电网产生不良的影响。④组串式逆变器是由线路串联而成，在并联时，总的电波会增加。⑤组串式逆变器由于是组串式的， 所以容易出现故障问题，并且不好进行监护。⑥在发生故障的时候，不容易处理险情。

（3）组串式逆变器的作用原理如图2。总的来说，集中式逆变器和组串式逆变器结构及特点上都存在差异和区别，但分布式光伏电站中集中式逆变器和组串式逆变器如何更好的进行选择，还要在细节的方面进行比较。

图2 组串式逆变器原理图

5 集中式逆变器和组串式逆变器

（1）发电量。分布式光伏电站中集中式逆变器和组串式逆变器最大的区别就是一个功率大一个功率小。①集中式逆变器。集中式逆变器的功率一般主要是在50～630kW，在功率的器件上主要是采用大电流IGBT，系统拓扑结构采用DC-AC一级电力电子器件变换全桥逆变，工频隔离变压器的方式，防护等级一般为IP20。集中式逆变器体积较大，适合室内立式安装。集中式逆变器主要系统器件：光伏组件，直流电缆，汇流箱，直流电缆，直流汇流配电，直流电缆，逆变器，隔离变压器，交流配电。②组串式逆变器。组串式逆变器一般是功率小于30kW，功率开关管采用小电流的MOSFET，拓扑结构采用DC-DC-BOOST升压和DC-AC全桥逆变两级电力电子器件变换，防护等级一般为IP65。组串式逆变器体积较小，可室外臂挂式安装。组串式逆变器由组件、直流电缆、逆变器、交流配电、电网等组成。③集中式逆变器和组串式逆变器方案故障损失发电量对比如表2。

表2

（2）汇流箱的区别。集中式逆变器主要采用的是直流汇流箱，每兆瓦约12～16台，而组串式逆变器主要采用交流汇流箱，每兆瓦约6～10台。

（3）在外部条件上的区别。集中式逆变器一般在辐射高、气候寒冷的地区有优势，而组串式逆变器可以适应低照度天气进行发电，适应外部条件更加的广泛。

（4）运维成本。目前500kW～1MW的集中式逆变器价格约在0.18～0.25元/W（集中式逆变器在分布式项目中较为少用），30～50kW的组串式逆变器在0.25～0.38元/W，微逆则在0.8元/W以上。各大逆变器厂家推出3～8kW的户用光伏逆变器价格约在0.6～0.8元/W不等。此外，各大逆变器厂家开始使用功率优化器，不过由于成本问题，功率优化器一般在国外项目中使用较多。

（5）电能质量。集中式逆变器单机最大总谐波失真小于3%。每兆瓦总谐波失真约为3%，组串式逆变器单机最大总谐波失真小于3%，新设备采用三电平Pwm与小互动适应电网谐波技术，每兆瓦总谐波失真约为3%。

（6）安装及施工。集中式逆变器的设备体积比较大，所以在进行安装及施工时，需要专门的建造逆变器基础，并且在施工的周期上要花费的时间比较长。组串式逆变器的设备一般体积比较小，可以安装于支架上，不需要土建基础施工，并且在施工上也不需要太多的时间就可以完成安装。

（7）在运行管理上。集中式逆变器的逆变器数量都比较少，每兆瓦只有2台逆变器即可，在使用的过程中非常的方便监控和管理。组串式逆变器一般的逆变器的数量都比较多，每兆瓦25～35台，在进行监控和管理的时候工作量就比较大，所以以进行管理和监控比较困难。

（8）产品的安全可靠性。①系统安全性能。集中式逆变器因为主要采用的是直流电，在直流电中，电流的方向不随时间变化和大小变化而进行改变，所以在直流输电线路中，各级是独立调节和工作的，彼此没有影响。组串式逆变器，当一极发生故障时，只需停运故障极，另一极仍可输送不少于一半功率的电能.组串式逆变器一般采用的是交流电，交流电的方向随时间而进行周期变化，但在交流输电线路中，任一向发生永久性故障，必须全线停电。②在事故率上。在我们的研究分析中，组串式逆变器在运行的过程中比集中式逆变器发生故障的概率更少，根据有关的研究统计数据，集中式逆变器火灾时有发生，组串式逆变器发生火灾的次数比较少见。所以在安全方面组串式逆变器的可靠度更加高一点。③在散热上。集中式逆变器和组串式逆变器的功率有很大的不同，所以在运行的过程中，发出的热量也是不同的，逆变器在发热之后，都需要自身进行散热，散热的程度直接决定了逆变器的使用质量。在散热上，集中式逆变器不能实现自然散热，在散热的方式上也是采用风扇来进行散热处理，组串式逆变器可以实现自然散热，从而达到更好的散热效果。④在后期维护上。集中式逆变器的后期维护比较复杂，需要专门的人员来进行处理，并且在发生故障时，一般处理的时间都比较长，对分布式光伏电站会造成很大的不便，组串式逆变器的后期维护比较简单快捷，但是要具备组串监控功能，监控光伏输入每一个组件的电压和电流，在光伏系统运行过程中，由于组件的质量，外部环境影响或者安装施工操作不当，会造成组件损伤、电路故障等问题，如果没有组串监测功能，有些小问题前期检测不到，最后会造成大问题。有些问题需要专门人员去现场排查，时间长，发电量损失大。只要对故障部位进行维修处理即可。

6 综合比较

经过综合的比较，在分布式光伏电站集中式逆变器和组串式逆变器的推荐方案如表3。

表3

7 结语

国家电网对分布式光伏电站有具体的要求和操作规定，在逆变器的选择上，要综合的考虑双方的优点和缺点，以及各自的结构特点，在把握基础的基础上，要根据分布式光伏电站所在地区的具体实际情况，进行分析和考证，选择出最适应当地的分布式光伏电站和最优的逆变器方案，从而促进本地区分布式光伏电站更好的发展。