淺談集裝箱式光伏逆變器之發(fā)展情況

中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院光伏工程技術(shù)研究所 ■ 謝霞凌

0 引言

在近兩年的光伏電站建設(shè)中，集裝箱式光伏逆變器已經(jīng)成功地從名不見(jiàn)經(jīng)傳、被拋棄發(fā)展到現(xiàn)今成為主流的光伏逆變器室解決方案。其特點(diǎn)是采用集裝箱，在工廠階段就將所有設(shè)備集成到里面，現(xiàn)場(chǎng)只需要做土建基礎(chǔ)固定集裝箱即可。這種設(shè)備的好處在于制造工期短、施工工期短、成本低。然而，集裝箱式逆變器本身技術(shù)成熟性，以及是否適用于我國(guó)等問(wèn)題卻很少被關(guān)注和重視。

鑒于最近集裝箱式光伏逆變站在中西部的電站出現(xiàn)了數(shù)次故障，甚至導(dǎo)致電站發(fā)生火災(zāi)，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人身安全帶來(lái)了隱患，筆者就集裝箱式逆變器的發(fā)展、集裝箱式光伏逆變器解決了哪些問(wèn)題及集裝箱式光伏逆變器暴露的一些問(wèn)題進(jìn)行剖析，拋磚引玉，供業(yè)界參考和討論。

1 集裝箱式光伏逆變器之前世今生

筆者由于在設(shè)計(jì)院工作的原因，參與了很多光伏項(xiàng)目方案的編寫(xiě)、設(shè)備選型及技術(shù)對(duì)比等工作。集裝箱式光伏逆變器這種設(shè)備很早就有，最初用于大型地面光伏電站約在2009～2010年，主要推出的公司有SMA、KACO、西門(mén)子等國(guó)外一線(xiàn)品牌，主要使用地點(diǎn)是歐洲各國(guó)。

而我國(guó)光伏起步較晚，真正大型地面光伏電站是從2008年的敦煌特許權(quán)招標(biāo)開(kāi)始，實(shí)際則是2010年才開(kāi)始并網(wǎng)了一小部分。期間，集裝箱式光伏逆變器從未被認(rèn)可過(guò)，一是由于其當(dāng)時(shí)價(jià)格較高，二是排風(fēng)散熱等問(wèn)題難以解決。一直到2011年8月，國(guó)家出臺(tái)了1.15元及1元電價(jià)的具體執(zhí)行時(shí)間，導(dǎo)致西北很多業(yè)主為了在當(dāng)年年底前搶到電價(jià)，來(lái)不及考慮光伏逆變器排風(fēng)、散熱，以及技術(shù)成熟性等問(wèn)題。因?yàn)橥聿⒕W(wǎng)一天，就意味著整個(gè)光伏電站的投資收益率下降近1個(gè)百分點(diǎn)，“時(shí)間就是金錢(qián)”被得到了最充分的詮釋?zhuān)霈F(xiàn)過(guò)“通往西北的火車(chē)上坐的都是光伏人”的壯舉。而此時(shí)的集裝箱式光伏逆變器成功地解決了業(yè)主們冬季建設(shè)逆變器室施工周期長(zhǎng)、施工成本極高的問(wèn)題，其應(yīng)用量幾乎是一瞬間達(dá)到和室內(nèi)型光伏逆變器持平的狀態(tài)。由于具備了安裝量，國(guó)內(nèi)主流光伏逆變器廠商的集裝箱式機(jī)房成本很快因成本平攤而降低，集裝箱式逆變器也由此得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。然而其本身散熱難、后期維護(hù)成本高等問(wèn)題，卻很少再次被關(guān)注或得到全面解決。

2 國(guó)內(nèi)外集裝箱式光伏逆變器應(yīng)用場(chǎng)所分析

在歐洲，集裝箱式逆變器之所以能得到廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)槠鋭趧?dòng)力成本較高，而集裝箱式逆變器很好地解決了這一問(wèn)題，只需要2個(gè)工人和1臺(tái)工程吊裝車(chē)就解決蓋房子的所有問(wèn)題。但是，歐洲光伏發(fā)電廠的廠址條件要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于國(guó)內(nèi)的條件，其光伏占地是允許使用耕地的。去過(guò)歐洲光伏電站的人知道，他們最頭疼的問(wèn)題是夏天電站的草長(zhǎng)的太長(zhǎng)了，割草是一個(gè)很重要的工作，而不是像國(guó)內(nèi)這樣清掃設(shè)備間的沙子；而且整個(gè)歐洲都沒(méi)什么荒漠化戈壁、沙漠，以及沙塵暴天氣。所以，集裝箱式光伏逆變器在應(yīng)用中并未發(fā)現(xiàn)太多問(wèn)題，而且按照歐洲對(duì)產(chǎn)品設(shè)備的要求，其集裝箱的質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于國(guó)產(chǎn)的。

日本由于福島危機(jī)，2012年加快了建設(shè)新能源發(fā)電站的步伐，推出42日元/kWh電價(jià)，使得日本也出現(xiàn)了將近1年的搶裝潮。然而日本的建筑法規(guī)定，如果要建房屋，就必須進(jìn)行相當(dāng)復(fù)雜且周期長(zhǎng)的審批，復(fù)雜到你不得不放棄這個(gè)項(xiàng)目。所以日本人為了變通，同樣想到了集裝箱式逆變器，很好地解決了這一問(wèn)題，集裝箱式逆變器由此得到了廣泛應(yīng)用。但是日本人的確是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，他們?yōu)榱私鉀Q逆變器的散熱問(wèn)題，單獨(dú)在逆變器室內(nèi)部裝設(shè)了空調(diào)進(jìn)行散熱，且對(duì)集裝箱式逆變器進(jìn)行了很多改造。所以可以說(shuō)，他們的集裝箱式光伏逆變器以降低發(fā)電量、提高成本保證了設(shè)備的安全性和先進(jìn)性。

在中國(guó)，特別是西北地區(qū)，集裝箱式光伏逆變器的發(fā)展最主要的目的就是為了縮短工期搶電價(jià)。另外，由于中國(guó)人工成本普遍偏低，集裝箱式逆變器想要得到長(zhǎng)足的發(fā)展，就必須既要滿(mǎn)足工期短，又要滿(mǎn)足價(jià)格低的要求。而中國(guó)主要地面光伏電站集中在西北地區(qū)，以寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、新疆等地為主，主要的土地類(lèi)型為國(guó)有未利用荒地、沙漠及工業(yè)園區(qū)等，設(shè)備使用環(huán)境比國(guó)外的惡劣很多。這其實(shí)與集裝箱式機(jī)房應(yīng)用場(chǎng)所的要求是背道而馳的，如果再不重視環(huán)境對(duì)集裝箱式逆變器的影響，將會(huì)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的后果。

3 國(guó)內(nèi)集裝箱式光伏逆變器存在的3大問(wèn)題

1)說(shuō)不清的運(yùn)維量。

集裝箱式光伏逆變器解決了安裝時(shí)的問(wèn)題，卻帶來(lái)了后期運(yùn)維及壽命短的問(wèn)題。正常來(lái)說(shuō)，如果將集裝箱式光伏逆變器放置在環(huán)境較好，沙塵、粉塵、腐蝕性較小的地方時(shí)，其壽命可以達(dá)到20年，甚至30年。但如果是在環(huán)境較差的地方，其壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)數(shù)值，筆者從目前國(guó)內(nèi)主流的集裝箱機(jī)房廠家中了解到，壽命有可能不超過(guò)12年。若要延長(zhǎng)壽命，就必須增加足夠的后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)量。在后期的維護(hù)工作中，5年左右刷漆一次要改為2～3年刷一次，以減少其內(nèi)涂膜脫落面積；2～3個(gè)月更換一次防塵網(wǎng)，以減少因進(jìn)風(fēng)量少導(dǎo)致的散熱不暢問(wèn)題；甚至還要頻繁更換風(fēng)扇，而對(duì)于逆變器室來(lái)說(shuō)，由于其空間較大，發(fā)生更換風(fēng)扇的概率較小。這些新增加的運(yùn)維量到底有多大？廠家不會(huì)告訴業(yè)主真實(shí)的答案，甚至連壽命都不能那么確定，業(yè)主只能自己承擔(dān)其中的風(fēng)險(xiǎn)。業(yè)主所知道的只是運(yùn)維肯定有，壽命則聽(tīng)天由命吧。

2)被降低的可靠性及效率。

目前集裝箱式機(jī)房宣稱(chēng)防護(hù)等級(jí)普遍為IP54，但因機(jī)房普遍采用直通風(fēng)式散熱方案，實(shí)際只能達(dá)到IP44或者更低，無(wú)法阻擋灰塵和腐蝕性氣體進(jìn)入逆變器。而灰塵在逆變器內(nèi)電路板、端子排等的累積會(huì)造成爬電距離減小，最終造成放電、起火等安全風(fēng)險(xiǎn)，這是在西北地區(qū)發(fā)生過(guò)的真實(shí)案例。

筆者曾經(jīng)在夏天去過(guò)寧夏某個(gè)集裝箱式光伏逆變器室，打開(kāi)房門(mén)后，熱浪涌動(dòng)，溫度高達(dá)50 ℃以上，而室外溫度只有30多 ℃。房間小、散熱慢是一個(gè)原因，另一個(gè)原因則與其本身箱體材料有關(guān)。集裝箱機(jī)房普遍采用EPS或巖棉保溫板進(jìn)行隔熱，根據(jù)集裝箱散熱方案和散熱能力的不同，集裝箱內(nèi)部溫升將達(dá)到3～10 ℃，而對(duì)于散熱設(shè)計(jì)不良的機(jī)房，機(jī)房?jī)?nèi)溫升將達(dá)到10 ℃。一般根據(jù)逆變器降額策略，在機(jī)房?jī)?nèi)溫度超過(guò)50 ℃時(shí)功率就會(huì)開(kāi)始下降，即應(yīng)用在超過(guò)40 ℃高溫地區(qū)時(shí)，逆變器輸出功率將無(wú)法達(dá)到滿(mǎn)載，嚴(yán)重影響發(fā)電量。

3)未被充分考慮的維護(hù)空間。

從運(yùn)輸條件的要求來(lái)看，集裝箱式光伏逆變器必須實(shí)現(xiàn)在當(dāng)?shù)丶b箱內(nèi)部進(jìn)行維護(hù)。但實(shí)際限于集裝箱的尺寸約束，以及某些廠商的逆變器本身高難度的維護(hù)要求，使得逆變器內(nèi)部部件在集裝箱內(nèi)難以維護(hù)，導(dǎo)致其本地維護(hù)工作量很大且難以進(jìn)行。

在日本，集裝箱式光伏逆變器內(nèi)部設(shè)備距離柜門(mén)的寬度、逆變器等電氣設(shè)備與集裝箱內(nèi)壁之間的距離都有明確要求，目的就是要保證足夠的設(shè)備維護(hù)空間，這些在日本JIS規(guī)范里都有詳細(xì)描述。而在德國(guó)等歐洲國(guó)家，由于采用二級(jí)室外直流匯流的緣故，所以沒(méi)有直流柜在一體化機(jī)房中，空間相對(duì)要充裕很多；即便如此，還是在柜前、柜后設(shè)置了相對(duì)充裕的空間，且集裝箱門(mén)要容易拆卸，以方便后期設(shè)備維護(hù)。

縱覽目前國(guó)內(nèi)的集裝箱式光伏逆變器，普遍采用20尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，甚至更小的集裝箱改造作為逆變器機(jī)房，其內(nèi)部前后空間只有2.2 m，而逆變器深度普遍達(dá)到0.8 m；逆變器前面預(yù)留1.0 m維護(hù)通道，后面就只有0.4 m維護(hù)空間。狹小的空間對(duì)于逆變器和集裝箱內(nèi)通信柜、配電箱等設(shè)備的維護(hù)將是一件很困難的事情。很難想象，如果某一臺(tái)逆變器設(shè)備損壞，需要現(xiàn)場(chǎng)更換較大元器件并維護(hù)時(shí)，技術(shù)工程師將是在一個(gè)多么狹小的空間中進(jìn)行維護(hù)。盡管這種逆變器大故障或更換元器件的事件目前還沒(méi)怎么發(fā)生，但是從電氣設(shè)備使用壽命來(lái)說(shuō)，10年是最長(zhǎng)質(zhì)保期，10年后元器件更換是必然的。可以確信地說(shuō)，10年后的運(yùn)維量和運(yùn)維難度將因空間太小而被加大很多。

4 總結(jié)

綜上所述，集裝箱光伏逆變器方案在運(yùn)維、可靠性、散熱等方面存在諸多不足之處。其能否發(fā)揮好自身產(chǎn)品特點(diǎn)，很大程度上取決于環(huán)境的影響、逆變器廠家或集裝箱廠家的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)先進(jìn)性，不是每一個(gè)地方都適用集裝箱式光伏逆變器，也不是每家的集裝箱式光伏逆變器都沒(méi)有問(wèn)題。一般光伏電站的運(yùn)營(yíng)至少是20年，除了發(fā)電量外，業(yè)主在投資光伏電站上，會(huì)考慮初始建設(shè)成本，但更應(yīng)注重電站的長(zhǎng)期壽命、安全可靠和運(yùn)維總成本。如何保障20年長(zhǎng)期的電站收益，設(shè)備選型時(shí)就必須要考慮周期內(nèi)的后期運(yùn)維成本。這些問(wèn)題是值得我們深思和研究的。