集散式逆變器在多場景光伏發電工程中的應用分析

姚文強

(沈陽電力勘測設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110021)

近幾年來，隨著光伏發電工程項目的建設和發展，以及國家有關部門出臺的一些對光伏發電的優惠政策，極大地加快了我國光伏發電工程的項目建設。光伏發電工程是推進我國可再生能源大規模開發利用的一項新能源工程。在人類賴以生存的地球上，風能、太陽能都是清潔可再生能源，有廣泛的應用前景，同時光伏發電可以與火電、水電互補起到年調峰的作用。

在光伏發電工程中，光伏逆變器作為整個工程的核心部分，根據不同的情況對逆變器的選型及合理的配置尤為重要。在鐵嶺柴河水庫15 MW漁光、農光互補光伏發電工程中，由于地質條件較為復雜，地勢情況多樣化，光伏組件布置形式無法統一，光伏組件失配問題嚴重(組件傾角不一致等)，會導致光伏電站發電量降低，影響工程整體收益。對于本工程因地勢差異大帶來的組件布置形式不統一問題，采取“因地制宜”的方法，分別利用既有地形，共有漁光互補、農光互補、地面電站、山地光伏、養殖場屋頂光伏等鋪裝形式。為保證光伏組件有效降低因組串一致性問題(衰減不一致、組件熱斑故障)、灰塵遮擋不均勻、陰影遮擋及組串朝向等差異帶來的發電量損失，本工程選取集散式逆變器解決上述問題，從而提高電站發電量。本文結合鐵嶺柴河水庫15 MW漁光、農光互補光伏發電工程以及集散式逆變器在本工程中的實際運行情況，對集散式逆變器在多元化光伏發電工程中的應用進行研究和探討。

1 光伏逆變器的常見類型

目前，我國大型光伏電站采用的逆變器結構主要有集中式光伏逆變器系統、組串式光伏逆變器系統、集散式光伏逆變器系統等，每種逆變器系統的特點如下。

1.1 集中式逆變器

集中式逆變器是將很多光伏組串經過匯流后連接到逆變器直流輸入端，集中完成將直流電轉換為交流電的設備[1]。集中式逆變器通常使用單級兩電平三相全橋拓撲結構，大功率IGBT和SVPWM調制算法，通過DSP控制IGBT發出兩電平方波，通過LCL或LC濾波器濾波后輸出滿足標準要求的正弦波。

集中式逆變器常見的輸出功率為125 kW、250 kW、500 kW、630 kW，以500 kW集中式逆變器應用業績最多，該款逆變器轉換效率通常>98.3%，中國效率>97.5%，每臺逆變器具有1路MPPT，MPPT電壓跟蹤范圍為450～820 V，2臺500 kW逆變器組成1 MW方陣，通過1臺雙分裂繞組變壓器升壓后接入10/35 kV中壓電網。集中式逆變方案如圖1所示。

圖1 集中式方案組成框圖

1.2 組串式逆變器

組串式逆變器是基于模塊化的概念，將光伏方陣中的每個光伏組串連接至指定逆變器的直流輸入端，各自完成將直流電轉換為交流電的設備[2]。組串式逆變器通常使用兩級三電平三相半橋拓撲結構，選用中小功率IGBT和SVPWM調制算法，通過DSP控制IGBT發出三電平方波，通過LCL或LC濾波器濾波后輸出滿足標準的正弦波。

組串式逆變器常見的輸出功率為20 kW、28 kW、33 kW、40 kW、50 kW，以某廠家50 kW組串型逆變器為例，其額定功率為47.5 kW，每臺逆變器具有4路的MPPT，MPPT電壓范圍通常為200～1000 V，額定輸出電壓3×288/500 V+PE。

組串式方案采用組串式并網逆變器，單臺容量幾十kW。1 MW需約20～30臺逆變器，每臺逆變器具有3～4路MPPT，光伏組串直流輸出直接接入逆變器。組串式逆變方案如圖2所示。

圖2 組串式方案簡圖

1.3 集散式逆變器

集散式逆變器結合了集中式和組串式的優勢，既有多路MPPT跟蹤，又能進行成熟的大型集中逆變，代表了逆變器技術的創新和發展方向[3]。集散式逆變器將MPPT和DC/DC升壓功能集成到智能MPPT匯流箱，然后集中將升壓后的直流電轉換為交流電的設備，采用單體1 MW逆變器，從智能MPPT匯流箱輸出電壓抬升到800 Vdc，相較組串式逆變器降低了交流線纜損耗，相較集中式逆變器降低了直流線纜損耗。以某廠家生產的CP-1000-B型逆變器為例，額定功率為1000 kW，最大轉換效率為99.1%，中國效率高達98.42%，MPPT電壓范圍通常為300～850 V，額定電網電壓520 V。

集散式逆變方案連接原理是：光伏組件—光伏電纜—智能匯流箱—直流電纜—集散式逆變器—交流電纜—變壓器。當前的主流功率是1000 kW。1 MWp陣列的MPPT路數共約48路。集散式逆變方案如圖3所示。

圖3 集散式逆變方案簡圖

2 逆變器選型比較分析

根據當前主流逆變器廠家主推的逆變器產品，可知目前集中式方案主流為1 MW方陣[4]，部分為1.25 MW方陣，組串式方案為1.6 MW方陣及集散式為2 MW方陣。下面從3種方案的采用設備、發電量、容配比、初始投資等方面進行對比分析。

2.1 采用設備及電纜長度對比

集中式方案。1 MW或1.25 MW集中式方陣，需配置2臺集中式逆變器，通過1臺雙分裂繞組變壓器升壓后接入35 kV中壓電網。采用的設備有組件、光伏電纜、直流匯流箱、直流電纜、集中式逆變器、交流電纜、箱變，并入電網[5]。

組串式方案。1.6 MW組串式方陣，需約30～40臺組串式逆變器，光伏組串直流輸出直接接入逆變器，經交流匯流，最后通過1臺雙繞組變壓器升壓后接入電網。采用的設備有組件、光伏電纜、組串式逆變器、交流電纜、交流匯流箱、交流電纜、箱變，并入電網[6]。

集散式方案。集散式逆變器主流功率是1000 kW，該方案一般采用2 MW方陣，由2臺單機1000 kW的集散式逆變器通過雙分裂變壓器升壓并網，采用的設備有組件、光伏電纜、智能MPPT匯流箱、直流電纜、集散式逆變器、交流電纜、箱變，并入電網。具體如圖4所示。

從采用設備上看，組串式方案比集中式和集散式方案減少了直流電纜和取消了直流側匯流箱，但增加了交流電纜和交流匯流箱，即組串式匯流盒與集散(集中)式匯流箱容量一致、安裝位置一致，至箱變線纜長度一致；如果采用組串式方案，逆變器數量變多，100 MW電站逆變器數量多達3000臺，系統復雜度增大；而且逆變器數量變多，系統相對復雜；集散式相較集中式，區別是用智能MPPT匯流箱取代了直流匯流箱，將MPPT前置到匯流箱側，增加了MPPT路數[7]。

2.2 電站初始投資對比分析

如表1—表3，集中、組串、集散全部采用1 MW方案系統成本對比，不考慮組件時，以逆變器、匯流箱以及全部直流相關設備、箱式升壓變和子陣區通訊等設備采購及安裝的初始投資來看，以地面電站為例，采用集中式、集散式、組串式的1 MW方陣，由成本對比可以得出以下結論。

表1 采用集中式逆變器的1 MWp陣列方案主要材料設備表

表2 采用50 kW組串式逆變器的1 MWp光伏陣列主要材料設備表

表3 采用集散式逆變器的1 MWp陣列方案主要材料設備表

續表

按1 MW方陣計，采用集散式方案比集中式方案低0.024元/W；若不考慮容配比，集散式比組串式方案低0.2元/W，若考慮1.13的容配比，集散式方案還可再比組串式低0.18元/W。

2.3 發電量對比分析

集散式方案每MW子陣多達48～96路MPPT，與每MW子陣僅2～8路MPPT的集中式方案相比，能夠有效降低因組串一致性問題(衰減不一致、組件熱斑故障)、灰塵遮擋不均勻、陰影遮擋及組串朝向、傾角不一致等差異(如圖5、圖6所示，組件差異導致不同組串的最大功率點所對應的電壓不完全相同)帶來的發電量損失。

圖5 組件受陰影遮擋圖

圖6 組件差異導致不同組串的(最大功率點bi所對應的電壓不完全相同)PV特性示意圖

3 結束語

通過以上從發電量、初始投資等多方面綜合對比分析，可得出集散式逆變器比組串式和集中式均具有較大的優勢，在光伏電站的應用中擁有更廣闊的前景，同時光伏電站建設形式趨于多樣化，為避免組串一致性問題、傾角不一致等差異對光伏電站發電量的影響，集散式逆變器的合理應用也尤為重要。