集散式逆变器在多场景光伏发电工程中的应用分析

姚文强

(沈阳电力勘测设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110021)

近几年来，随着光伏发电工程项目的建设和发展，以及国家有关部门出台的一些对光伏发电的优惠政策，极大地加快了我国光伏发电工程的项目建设。光伏发电工程是推进我国可再生能源大规模开发利用的一项新能源工程。在人类赖以生存的地球上，风能、太阳能都是清洁可再生能源，有广泛的应用前景，同时光伏发电可以与火电、水电互补起到年调峰的作用。

在光伏发电工程中，光伏逆变器作为整个工程的核心部分，根据不同的情况对逆变器的选型及合理的配置尤为重要。在铁岭柴河水库15 MW渔光、农光互补光伏发电工程中，由于地质条件较为复杂，地势情况多样化，光伏组件布置形式无法统一，光伏组件失配问题严重(组件倾角不一致等)，会导致光伏电站发电量降低，影响工程整体收益。对于本工程因地势差异大带来的组件布置形式不统一问题，采取“因地制宜”的方法，分别利用既有地形，共有渔光互补、农光互补、地面电站、山地光伏、养殖场屋顶光伏等铺装形式。为保证光伏组件有效降低因组串一致性问题(衰减不一致、组件热斑故障)、灰尘遮挡不均匀、阴影遮挡及组串朝向等差异带来的发电量损失，本工程选取集散式逆变器解决上述问题，从而提高电站发电量。本文结合铁岭柴河水库15 MW渔光、农光互补光伏发电工程以及集散式逆变器在本工程中的实际运行情况，对集散式逆变器在多元化光伏发电工程中的应用进行研究和探讨。

1 光伏逆变器的常见类型

目前，我国大型光伏电站采用的逆变器结构主要有集中式光伏逆变器系统、组串式光伏逆变器系统、集散式光伏逆变器系统等，每种逆变器系统的特点如下。

1.1 集中式逆变器

集中式逆变器是将很多光伏组串经过汇流后连接到逆变器直流输入端，集中完成将直流电转换为交流电的设备[1]。集中式逆变器通常使用单级两电平三相全桥拓扑结构，大功率IGBT和SVPWM调制算法，通过DSP控制IGBT发出两电平方波，通过LCL或LC滤波器滤波后输出满足标准要求的正弦波。

集中式逆变器常见的输出功率为125 kW、250 kW、500 kW、630 kW，以500 kW集中式逆变器应用业绩最多，该款逆变器转换效率通常>98.3%，中国效率>97.5%，每台逆变器具有1路MPPT，MPPT电压跟踪范围为450～820 V，2台500 kW逆变器组成1 MW方阵，通过1台双分裂绕组变压器升压后接入10/35 kV中压电网。集中式逆变方案如图1所示。

图1 集中式方案组成框图

1.2 组串式逆变器

组串式逆变器是基于模块化的概念，将光伏方阵中的每个光伏组串连接至指定逆变器的直流输入端，各自完成将直流电转换为交流电的设备[2]。组串式逆变器通常使用两级三电平三相半桥拓扑结构，选用中小功率IGBT和SVPWM调制算法，通过DSP控制IGBT发出三电平方波，通过LCL或LC滤波器滤波后输出满足标准的正弦波。

组串式逆变器常见的输出功率为20 kW、28 kW、33 kW、40 kW、50 kW，以某厂家50 kW组串型逆变器为例，其额定功率为47.5 kW，每台逆变器具有4路的MPPT，MPPT电压范围通常为200～1000 V，额定输出电压3×288/500 V+PE。

组串式方案采用组串式并网逆变器，单台容量几十kW。1 MW需约20～30台逆变器，每台逆变器具有3～4路MPPT，光伏组串直流输出直接接入逆变器。组串式逆变方案如图2所示。

图2 组串式方案简图

1.3 集散式逆变器

集散式逆变器结合了集中式和组串式的优势，既有多路MPPT跟踪，又能进行成熟的大型集中逆变，代表了逆变器技术的创新和发展方向[3]。集散式逆变器将MPPT和DC/DC升压功能集成到智能MPPT汇流箱，然后集中将升压后的直流电转换为交流电的设备，采用单体1 MW逆变器，从智能MPPT汇流箱输出电压抬升到800 Vdc，相较组串式逆变器降低了交流线缆损耗，相较集中式逆变器降低了直流线缆损耗。以某厂家生产的CP-1000-B型逆变器为例，额定功率为1000 kW，最大转换效率为99.1%，中国效率高达98.42%，MPPT电压范围通常为300～850 V，额定电网电压520 V。

集散式逆变方案连接原理是：光伏组件—光伏电缆—智能汇流箱—直流电缆—集散式逆变器—交流电缆—变压器。当前的主流功率是1000 kW。1 MWp阵列的MPPT路数共约48路。集散式逆变方案如图3所示。

图3 集散式逆变方案简图

2 逆变器选型比较分析

根据当前主流逆变器厂家主推的逆变器产品，可知目前集中式方案主流为1 MW方阵[4]，部分为1.25 MW方阵，组串式方案为1.6 MW方阵及集散式为2 MW方阵。下面从3种方案的采用设备、发电量、容配比、初始投资等方面进行对比分析。

2.1 采用设备及电缆长度对比

集中式方案。1 MW或1.25 MW集中式方阵，需配置2台集中式逆变器，通过1台双分裂绕组变压器升压后接入35 kV中压电网。采用的设备有组件、光伏电缆、直流汇流箱、直流电缆、集中式逆变器、交流电缆、箱变，并入电网[5]。

组串式方案。1.6 MW组串式方阵，需约30～40台组串式逆变器，光伏组串直流输出直接接入逆变器，经交流汇流，最后通过1台双绕组变压器升压后接入电网。采用的设备有组件、光伏电缆、组串式逆变器、交流电缆、交流汇流箱、交流电缆、箱变，并入电网[6]。

集散式方案。集散式逆变器主流功率是1000 kW，该方案一般采用2 MW方阵，由2台单机1000 kW的集散式逆变器通过双分裂变压器升压并网，采用的设备有组件、光伏电缆、智能MPPT汇流箱、直流电缆、集散式逆变器、交流电缆、箱变，并入电网。具体如图4所示。

从采用设备上看，组串式方案比集中式和集散式方案减少了直流电缆和取消了直流侧汇流箱，但增加了交流电缆和交流汇流箱，即组串式汇流盒与集散(集中)式汇流箱容量一致、安装位置一致，至箱变线缆长度一致；如果采用组串式方案，逆变器数量变多，100 MW电站逆变器数量多达3000台，系统复杂度增大；而且逆变器数量变多，系统相对复杂；集散式相较集中式，区别是用智能MPPT汇流箱取代了直流汇流箱，将MPPT前置到汇流箱侧，增加了MPPT路数[7]。

2.2 电站初始投资对比分析

如表1—表3，集中、组串、集散全部采用1 MW方案系统成本对比，不考虑组件时，以逆变器、汇流箱以及全部直流相关设备、箱式升压变和子阵区通讯等设备采购及安装的初始投资来看，以地面电站为例，采用集中式、集散式、组串式的1 MW方阵，由成本对比可以得出以下结论。

表1 采用集中式逆变器的1 MWp阵列方案主要材料设备表

表2 采用50 kW组串式逆变器的1 MWp光伏阵列主要材料设备表

表3 采用集散式逆变器的1 MWp阵列方案主要材料设备表

续表

按1 MW方阵计，采用集散式方案比集中式方案低0.024元/W；若不考虑容配比，集散式比组串式方案低0.2元/W，若考虑1.13的容配比，集散式方案还可再比组串式低0.18元/W。

2.3 发电量对比分析

集散式方案每MW子阵多达48～96路MPPT，与每MW子阵仅2～8路MPPT的集中式方案相比，能够有效降低因组串一致性问题(衰减不一致、组件热斑故障)、灰尘遮挡不均匀、阴影遮挡及组串朝向、倾角不一致等差异(如图5、图6所示，组件差异导致不同组串的最大功率点所对应的电压不完全相同)带来的发电量损失。

图5 组件受阴影遮挡图

图6 组件差异导致不同组串的(最大功率点bi所对应的电压不完全相同)PV特性示意图

3 结束语

通过以上从发电量、初始投资等多方面综合对比分析，可得出集散式逆变器比组串式和集中式均具有较大的优势，在光伏电站的应用中拥有更广阔的前景，同时光伏电站建设形式趋于多样化，为避免组串一致性问题、倾角不一致等差异对光伏电站发电量的影响，集散式逆变器的合理应用也尤为重要。