并网光伏逆变器的选型与应用

王 伟

（兰州电力修造有限公司，甘肃 兰州 730050）

0 引 言

太阳能光伏发电作为具有可持续发展特征的可再生能源发电技术，近年来得到广泛应用和关注。随着社会对能源和环保问题的日益关注，我国政府相继出台一系列鼓励和支持太阳能光伏产业发展的政策法规，促进太阳能光伏产业的快速发展，提高光伏发电技术的应用水平，扩大其应用范围。光伏独立型系统中应用的逆变器称为离网逆变器。与离网光伏逆变器相比，并网光伏逆变器不仅要将光伏组件发出的直流电转换为交流电，还要控制交流电的电压、电流、频率及相位等，并解决对电网的电磁干扰、自我保护、单独运行、孤岛效应以及最大功率跟踪等技术问题。随着技术的不断进步，并网光伏逆变器的选型和应用也要与时俱进。

1 并网光伏逆变器的应用特点和发展趋势

1.1 并网光伏逆变器的应用特点

1.1.1 集中式逆变器

集中式逆变器是将光伏组件产生的直流电汇总成较大的直流功率后再进行逆变。该类逆变器的功率通常较大，单体容量一般在500 kW 以上。它具有输出功率大、技术成熟、电能质量高以及成本低等优点，但存在最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）精度较差的缺点。当遇到多云、遮阴或单个组串故障等情况时，将影响整个光伏电站的效率和产能。此外，集中式逆变器系统需要处于具备通风散热的专用机房。集中式逆变器系统无冗余能力，一旦出现故障，将影响整个系统的可靠性。

1.1.2 组串式逆变器

组串式逆变器是采用模块化概念，对多个光伏组串分别进行最大功率峰值跟踪，再经过逆变后并入交流电网。这类逆变器的功率相对较小，单体功率通常在100 kW 以下。但随着技术进步和降本增效的需求日益显著，其功率逐渐增加到136 kW、175 kW 甚至更高。

组串式逆变器具有MPPT 数量多、组件配置灵活、便于安装、跟踪精度高、发电量高以及运营维护便捷等优点，但也存在发电质量差、成本高等缺点。这类逆变器主要应用于规模较小的户用分布式发电、中小型工商业屋顶电站等，在集中式光伏发电系统中也可以应用。

1.1.3 多组串式逆变器

多组串式逆变器旨在同时获得组串式逆变器和集中式逆变器的优势。在组串式逆变器的基础上，多组串式逆变器采用多组串输入方式，能使与其相关联的组串共同参与工作且互不影响，从而发挥更多作用。

多组串逆变器系统不仅能减少逆变器的数量，还能将不同额定值、不同朝向、不同倾斜角以及不同阴影遮挡的组串连接在一个共同的逆变器上，确保每个组串都在最大功率点上工作，提高系统的工作效率，增加发电量。多组串式逆变器的容量一般为10 ～80 kW[1]。

1.1.4 双向储能逆变器

双向储能逆变器具有离网和并网发电功能，还能实现电网的双向流动控制。双向储能逆变器可以应用于有电能存储要求的并网发电系统，也可以和组串式逆变器结合构成独立运行的光伏发电系统。

1.1.5 微网组件式逆变器

微网组件式逆变器对每块光伏组件进行单独的最大功率峰值跟踪，经过逆变后并入交流电网。这类逆变器的单体容量一般在1 kW 以下，能够在遇到遮阴或组件性能差异较大的情况下提高整体效率，最大限度降低安全隐患。其缺点是价格高，出现故障后较难维护。

1.2 逆变器的发展趋势

在未来的光伏发电系统中，基于云存储和云计算的电站管理平台将成为主流[2]。逆变器将扩大与其他设备的连接范围，增加更多的能源管理功能，如光伏储能管理、安全管理、自动监控预警以及运维管理等。这些平台将促进光伏电站的数字化和智能化运营与管理，使整个电站的生产运维变得更加简单、高效。通过数字化和智能化的技术，可以实现更快速的数据处理和分析，提高电站的效率和可靠性，降低运维成本，并更好地满足能源需求。

组串式逆变器的功率不断增大，目前最大功率已经达到80 kW。高功率、高效率、高功率密度是逆变器未来发展的重要趋势，以适应安装维护困难的复杂应用环境。

随着光伏电站在沿海、高原等恶劣环境下的应用逐渐增多，逆变器的抗腐蚀、抗风沙等环境适应性能也不断提高。同时，随着技术的发展，逆变器具备漏电流保护、静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）无功补偿、低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）、直流分量保护、绝缘电阻检测保护、比例- 积分- 微分（Proportional Integral Derivative，PID）保护、防雷保护以及光伏组件正负极接反保护等功能，使光伏系统的运行更加安全可靠。

2 并网光伏逆变器的选型

2.1 依据光伏发电工程建设实际情况

在选择并网光伏逆变器时，主要依据的是光伏发电工程建设现场的使用环境、电站的分布情况、当地的气候条件等因素[3]。结合工程建设的实际情况选择合适的逆变器，不仅可以节省工程建设成本，简化安装条件，缩短安装时间，还可以有效提高系统发电效率。

对于沙漠光伏电站等大型光伏电站，集中式并网逆变器一直是主流解决方案[4]。集中式逆变器安装数量少，具有更低的初始投资、更友好的电网接入以及更低的后期运行维护成本等特点，便于后期运维管理。组串式逆变器主要应用于分布式光伏电站、与建筑结合的光伏建筑一体化发电系统，特别是中小型光伏电站[5]。组件式并网逆变器则更适用于几千瓦以内的小型光伏发电系统，如光伏车棚、光伏玻璃幕墙等。

2.2 依据不同系统的装机容量

根据逆变器的特点，一般8 kW 以下的系统宜选用单相组串式逆变器，8 ～500 kW 的系统可以选用三相组串式逆变器，500 kW 以上的系统可以根据实际情况选用组串式逆变器或集中式逆变器。在不同的系统容量下，并网逆变器的选型如表1 所示。

表1 不同容量下系统并网逆变器的选型

3 并网光伏发电逆变器应用

3.1 选型对比

某70 MW 的地面光伏电站，采用20 kW 组串式逆变系统的初期投入相对略高，但系统成本和长期运营总成本较低，投资回报率高。333 kW 集中式逆变系统的初期硬件投入和长期运营维护费用都适中。500 kW 集中式逆变系统的初期硬件投入费用较少，但系统整体成本和后期维护成本较高。不同逆变系统的性能对比如表2 所示。

表2 不同逆变系统性能对比

3.2 应用分析

3.2.1 系统成本方面

组串式逆变器具有体积小、重量轻等特点，安装方便，无须专业工具和设备，不用配备专门的配电室、直流汇流箱或直流配电柜等连接直流线路。

集中式和组串式逆变器光伏发电系统的配电方式与设备不同，导致整个发电系统铺设的线缆数量也不同。集中式逆变器要使用直流汇流箱进行一次汇流，而直流汇流箱一般都安装在光伏方阵旁边，因此这部分线缆的使用量比组串式逆变器系统要少很多。集中式逆变器系统要从直流汇流箱到直流配电柜进行二次汇流，这部分使用的线缆相对较粗。而组串式逆变器系统无须直流汇流箱和直流配电柜，线路成本相对较低。对于逆变器输出的交流侧线缆，集中式逆变器系统使用的线缆比组串式逆变器系统少。

3.2.2 系统效率方面

目前，集中式和组串式并网逆变器的效率都可以达到98%以上。集中式逆变器系统的光伏方阵需要经过2 次汇流才输入逆变器，其MPPT 系统无法监控到每一路光伏组串的运行情况，因此无法确保每一路光伏组串都达到MPPT 状态，只能对整个光伏方阵进行跟踪调控。相比之下，组串式逆变器将每组或每几组光伏组串输入1 台逆变器，逆变器单独对输入的光伏组串进行MPPT，使每组或每几组串产生最多的电量。组串之间独立工作，即使某一组串因故障断开，其他组串也不受影响继续正常发电，从而实现整个发电系统最大化的能量输出。

3.2.3 系统运行特性方面

不同类型的并网逆变器会对系统运行性能产生不同的效果。集中式逆变器系统不具备冗余能力，一旦出现问题，整个系统都将停止发电。而组串式逆变器系统具有冗余运行能力，当个别逆变器发生故障时，整个系统不受其影响，依然可以正常发电。此外，集中式逆变器系统可集中并网，便于运行管理；组串式逆变器系统则是分散就近并网，系统损耗小。

4 结 论

逆变器作为太阳能光伏发电的核心设备，通过合理的选型，可以有效提高能源利用效率，平衡供需关系，提高电网可靠性，稳定电力系统，同时节约系统成本。随着逆变器技术的不断发展，逆变器应用研究将进一步推动能源转型和可持续发展。