分布式光伏電站中集中式逆變器和組串式逆變器的選擇比較

賈帥

（中電投（深圳）電力銷售有限公司，廣東 廣州 510000）

1 逆變器轉換效率重要性

提高逆變器的轉換效率有很大的重要性。比如我們提高1%的轉換效率，500kW的逆變器，平均每天算4h，逆變器每天可以多發電20kW·h，那么1年就可以多發電7300kW·h，10年即可多發出73000kW·h。這樣就相當于1臺5kW逆變器的發電量。這樣客戶可以節省1臺5kW逆變器的電站。所以為了提高客戶的最大利益，我們需要盡可能的提高逆變器的轉換效率。

2 逆變器效率的影響因素

提高逆變器效率措施就是降低損耗，逆變器的主要損耗來自于IGBT、MOSFET等功率開關管，以及變壓器、電感等磁性器件。損耗和元器件的電流，電壓以及選用的材料采取的工藝有關系，見表1。

表1

IGBT的損耗主要有導通損耗和開關損耗，其中導通損耗和器件內阻、經過的電流有關，開關損耗和器件的開關頻率，器件承受的直流電壓有關。電感的損耗主要有銅損和鐵損，銅損指電感線圈電阻所引起的損耗，當電流通過線圈電阻發熱時，一部分電能就轉變為熱能而損耗，由于線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成，因此稱為銅損，銅損可以通過測量變壓器短路阻抗來計算。鐵損包括兩個方面：一是磁滯損耗，另一是渦流損耗，鐵損可以通過測量變壓器空載電流來計算。

3 提高逆變器轉換效率技術路線

目前有三種技術路線：一是采用空間矢量脈寬調制等控制方式，降低損耗；二是采用碳化硅材料的元器件，降低功率器件的內阻；三是采用三電平、五電平等多電平電氣拓撲以及軟開關技術，降低功率器件兩端的電壓，降低功率器件的開關頻率。

4 分布式光伏電站中集中式、組串式逆變器的結構及特點

分布式光伏電站主要利用分散式的發電資源，裝機規模一般是比較小的、經常布置在用戶附近的發電系統，分布式光伏電站特指采用光伏組件，將太陽能直接轉換為電能的分布式光伏電站。在分布式光伏電站中逆變器是重要的組成部分，逆變器是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉變成交流電(一般為220V,50Hz正弦波)。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。在分布式光伏電站中，逆變器最常用的有兩種，集中式逆變器、組串式逆變器，為了能夠更好的選擇和使用，就要全面的了解集中式逆變器、組串式逆變器各自的結構和特點。

4.1 集中式逆變器

集中式逆變器顧名思義是將光伏組件產生的直流電匯總轉變為交流電后進行升壓、并網。因此，逆變器的功率都相對較大。光伏電站中一般采用500kW以上的集中式逆變器。

（1）集中式逆變器的優點：①功率大，數量少，便于管理；元器件少，穩定性好，便于維護。②諧波含量少，電能質量高；保護功能齊全，安全性高。③有功率因素調節功能和低電壓穿越功能，電網調節性好。

（2）集中式逆變器的缺點：①容易出現故障，影響整體的發電。②惡劣天氣容易出現故障問題，導致停電。③集中式逆變器的安裝對技術要求比較高且要求逆變器和組件配合度高，匹配度低則會造成發電量損失。如果有遮擋、多云或者組件有問題，則會對整個光伏系統的效率產生影響。

（3）集中式逆變器的作用原理，如圖1。

圖1 集中式逆變器原理圖

4.2 組串式逆變器

現在我們常說的組串式逆變器指的是能夠直接跟組串連接，用于室外掛式安裝的單相或者三相輸出逆變器，功率為幾千瓦到幾十千瓦。像華為SUN2000-50KTL-C1、 古瑞瓦特30000-50000TL3-SE系列等等都屬于組串式逆變器。

（1）組串式逆變器的優點。①組串式逆變器采用智能化的設計，可以在無風扇和無熔絲的條件下運行，還能解決直流匯流箱的故障問題，對于整個分布式光伏發電站也有很大作用。②組串式逆變器在運作原理上最大的好處就是當出現故障的時候可以精確的定位到故障的位置，從而提高運作效率。③組串式逆變器對外部因素的適應能力比較強，適合地區比較多，但也有例外。④不受組串模塊差異和遮影的影響，減少了組件與逆變器間的匹配問題，發電量增加，且安裝售后方便，價格居中。

（2）組串式逆變器的缺點。①組串式逆變器在構成上是比較復雜的，所有的電子元器件都比較多，對于制造和安裝就造成了很多的難題。②組串式逆變器的元器件中，電氣間隙比較小，也有不適宜安裝的地區，例如海拔比較高的地區。③組串式逆變器安全性能比較差，在直流分量過大的情況下，容易對電網產生不良的影響。④組串式逆變器是由線路串聯而成，在并聯時，總的電波會增加。⑤組串式逆變器由于是組串式的， 所以容易出現故障問題，并且不好進行監護。⑥在發生故障的時候，不容易處理險情。

（3）組串式逆變器的作用原理如圖2。總的來說，集中式逆變器和組串式逆變器結構及特點上都存在差異和區別，但分布式光伏電站中集中式逆變器和組串式逆變器如何更好的進行選擇，還要在細節的方面進行比較。

圖2 組串式逆變器原理圖

5 集中式逆變器和組串式逆變器

（1）發電量。分布式光伏電站中集中式逆變器和組串式逆變器最大的區別就是一個功率大一個功率小。①集中式逆變器。集中式逆變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電流IGBT，系統拓撲結構采用DC-AC一級電力電子器件變換全橋逆變，工頻隔離變壓器的方式，防護等級一般為IP20。集中式逆變器體積較大，適合室內立式安裝。集中式逆變器主要系統器件：光伏組件，直流電纜，匯流箱，直流電纜，直流匯流配電，直流電纜，逆變器，隔離變壓器，交流配電。②組串式逆變器。組串式逆變器一般是功率小于30kW，功率開關管采用小電流的MOSFET，拓撲結構采用DC-DC-BOOST升壓和DC-AC全橋逆變兩級電力電子器件變換，防護等級一般為IP65。組串式逆變器體積較小，可室外臂掛式安裝。組串式逆變器由組件、直流電纜、逆變器、交流配電、電網等組成。③集中式逆變器和組串式逆變器方案故障損失發電量對比如表2。

表2

（2）匯流箱的區別。集中式逆變器主要采用的是直流匯流箱，每兆瓦約12～16臺，而組串式逆變器主要采用交流匯流箱，每兆瓦約6～10臺。

（3）在外部條件上的區別。集中式逆變器一般在輻射高、氣候寒冷的地區有優勢，而組串式逆變器可以適應低照度天氣進行發電，適應外部條件更加的廣泛。

（4）運維成本。目前500kW～1MW的集中式逆變器價格約在0.18～0.25元/W（集中式逆變器在分布式項目中較為少用），30～50kW的組串式逆變器在0.25～0.38元/W，微逆則在0.8元/W以上。各大逆變器廠家推出3～8kW的戶用光伏逆變器價格約在0.6～0.8元/W不等。此外，各大逆變器廠家開始使用功率優化器，不過由于成本問題，功率優化器一般在國外項目中使用較多。

（5）電能質量。集中式逆變器單機最大總諧波失真小于3%。每兆瓦總諧波失真約為3%，組串式逆變器單機最大總諧波失真小于3%，新設備采用三電平Pwm與小互動適應電網諧波技術，每兆瓦總諧波失真約為3%。

（6）安裝及施工。集中式逆變器的設備體積比較大，所以在進行安裝及施工時，需要專門的建造逆變器基礎，并且在施工的周期上要花費的時間比較長。組串式逆變器的設備一般體積比較小，可以安裝于支架上，不需要土建基礎施工，并且在施工上也不需要太多的時間就可以完成安裝。

（7）在運行管理上。集中式逆變器的逆變器數量都比較少，每兆瓦只有2臺逆變器即可，在使用的過程中非常的方便監控和管理。組串式逆變器一般的逆變器的數量都比較多，每兆瓦25～35臺，在進行監控和管理的時候工作量就比較大，所以以進行管理和監控比較困難。

（8）產品的安全可靠性。①系統安全性能。集中式逆變器因為主要采用的是直流電，在直流電中，電流的方向不隨時間變化和大小變化而進行改變，所以在直流輸電線路中，各級是獨立調節和工作的，彼此沒有影響。組串式逆變器，當一極發生故障時，只需停運故障極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能.組串式逆變器一般采用的是交流電，交流電的方向隨時間而進行周期變化，但在交流輸電線路中，任一向發生永久性故障，必須全線停電。②在事故率上。在我們的研究分析中，組串式逆變器在運行的過程中比集中式逆變器發生故障的概率更少，根據有關的研究統計數據，集中式逆變器火災時有發生，組串式逆變器發生火災的次數比較少見。所以在安全方面組串式逆變器的可靠度更加高一點。③在散熱上。集中式逆變器和組串式逆變器的功率有很大的不同，所以在運行的過程中，發出的熱量也是不同的，逆變器在發熱之后，都需要自身進行散熱，散熱的程度直接決定了逆變器的使用質量。在散熱上，集中式逆變器不能實現自然散熱，在散熱的方式上也是采用風扇來進行散熱處理，組串式逆變器可以實現自然散熱，從而達到更好的散熱效果。④在后期維護上。集中式逆變器的后期維護比較復雜，需要專門的人員來進行處理，并且在發生故障時，一般處理的時間都比較長，對分布式光伏電站會造成很大的不便，組串式逆變器的后期維護比較簡單快捷，但是要具備組串監控功能，監控光伏輸入每一個組件的電壓和電流，在光伏系統運行過程中，由于組件的質量，外部環境影響或者安裝施工操作不當，會造成組件損傷、電路故障等問題，如果沒有組串監測功能，有些小問題前期檢測不到，最后會造成大問題。有些問題需要專門人員去現場排查，時間長，發電量損失大。只要對故障部位進行維修處理即可。

6 綜合比較

經過綜合的比較，在分布式光伏電站集中式逆變器和組串式逆變器的推薦方案如表3。

表3

7 結語

國家電網對分布式光伏電站有具體的要求和操作規定，在逆變器的選擇上，要綜合的考慮雙方的優點和缺點，以及各自的結構特點，在把握基礎的基礎上，要根據分布式光伏電站所在地區的具體實際情況，進行分析和考證，選擇出最適應當地的分布式光伏電站和最優的逆變器方案，從而促進本地區分布式光伏電站更好的發展。