并網光伏逆變器的選型與應用

王 偉

（蘭州電力修造有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

太陽能光伏發電作為具有可持續發展特征的可再生能源發電技術，近年來得到廣泛應用和關注。隨著社會對能源和環保問題的日益關注，我國政府相繼出臺一系列鼓勵和支持太陽能光伏產業發展的政策法規，促進太陽能光伏產業的快速發展，提高光伏發電技術的應用水平，擴大其應用范圍。光伏獨立型系統中應用的逆變器稱為離網逆變器。與離網光伏逆變器相比，并網光伏逆變器不僅要將光伏組件發出的直流電轉換為交流電，還要控制交流電的電壓、電流、頻率及相位等，并解決對電網的電磁干擾、自我保護、單獨運行、孤島效應以及最大功率跟蹤等技術問題。隨著技術的不斷進步，并網光伏逆變器的選型和應用也要與時俱進。

1 并網光伏逆變器的應用特點和發展趨勢

1.1 并網光伏逆變器的應用特點

1.1.1 集中式逆變器

集中式逆變器是將光伏組件產生的直流電匯總成較大的直流功率后再進行逆變。該類逆變器的功率通常較大，單體容量一般在500 kW 以上。它具有輸出功率大、技術成熟、電能質量高以及成本低等優點，但存在最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）精度較差的缺點。當遇到多云、遮陰或單個組串故障等情況時，將影響整個光伏電站的效率和產能。此外，集中式逆變器系統需要處于具備通風散熱的專用機房。集中式逆變器系統無冗余能力，一旦出現故障，將影響整個系統的可靠性。

1.1.2 組串式逆變器

組串式逆變器是采用模塊化概念，對多個光伏組串分別進行最大功率峰值跟蹤，再經過逆變后并入交流電網。這類逆變器的功率相對較小，單體功率通常在100 kW 以下。但隨著技術進步和降本增效的需求日益顯著，其功率逐漸增加到136 kW、175 kW 甚至更高。

組串式逆變器具有MPPT 數量多、組件配置靈活、便于安裝、跟蹤精度高、發電量高以及運營維護便捷等優點，但也存在發電質量差、成本高等缺點。這類逆變器主要應用于規模較小的戶用分布式發電、中小型工商業屋頂電站等，在集中式光伏發電系統中也可以應用。

1.1.3 多組串式逆變器

多組串式逆變器旨在同時獲得組串式逆變器和集中式逆變器的優勢。在組串式逆變器的基礎上，多組串式逆變器采用多組串輸入方式，能使與其相關聯的組串共同參與工作且互不影響，從而發揮更多作用。

多組串逆變器系統不僅能減少逆變器的數量，還能將不同額定值、不同朝向、不同傾斜角以及不同陰影遮擋的組串連接在一個共同的逆變器上，確保每個組串都在最大功率點上工作，提高系統的工作效率，增加發電量。多組串式逆變器的容量一般為10 ～80 kW[1]。

1.1.4 雙向儲能逆變器

雙向儲能逆變器具有離網和并網發電功能，還能實現電網的雙向流動控制。雙向儲能逆變器可以應用于有電能存儲要求的并網發電系統，也可以和組串式逆變器結合構成獨立運行的光伏發電系統。

1.1.5 微網組件式逆變器

微網組件式逆變器對每塊光伏組件進行單獨的最大功率峰值跟蹤，經過逆變后并入交流電網。這類逆變器的單體容量一般在1 kW 以下，能夠在遇到遮陰或組件性能差異較大的情況下提高整體效率，最大限度降低安全隱患。其缺點是價格高，出現故障后較難維護。

1.2 逆變器的發展趨勢

在未來的光伏發電系統中，基于云存儲和云計算的電站管理平臺將成為主流[2]。逆變器將擴大與其他設備的連接范圍，增加更多的能源管理功能，如光伏儲能管理、安全管理、自動監控預警以及運維管理等。這些平臺將促進光伏電站的數字化和智能化運營與管理，使整個電站的生產運維變得更加簡單、高效。通過數字化和智能化的技術，可以實現更快速的數據處理和分析，提高電站的效率和可靠性，降低運維成本，并更好地滿足能源需求。

組串式逆變器的功率不斷增大，目前最大功率已經達到80 kW。高功率、高效率、高功率密度是逆變器未來發展的重要趨勢，以適應安裝維護困難的復雜應用環境。

隨著光伏電站在沿海、高原等惡劣環境下的應用逐漸增多，逆變器的抗腐蝕、抗風沙等環境適應性能也不斷提高。同時，隨著技術的發展，逆變器具備漏電流保護、靜止無功發生器（Static Var Generator，SVG）無功補償、低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）、直流分量保護、絕緣電阻檢測保護、比例- 積分- 微分（Proportional Integral Derivative，PID）保護、防雷保護以及光伏組件正負極接反保護等功能，使光伏系統的運行更加安全可靠。

2 并網光伏逆變器的選型

2.1 依據光伏發電工程建設實際情況

在選擇并網光伏逆變器時，主要依據的是光伏發電工程建設現場的使用環境、電站的分布情況、當地的氣候條件等因素[3]。結合工程建設的實際情況選擇合適的逆變器，不僅可以節省工程建設成本，簡化安裝條件，縮短安裝時間，還可以有效提高系統發電效率。

對于沙漠光伏電站等大型光伏電站，集中式并網逆變器一直是主流解決方案[4]。集中式逆變器安裝數量少，具有更低的初始投資、更友好的電網接入以及更低的后期運行維護成本等特點，便于后期運維管理。組串式逆變器主要應用于分布式光伏電站、與建筑結合的光伏建筑一體化發電系統，特別是中小型光伏電站[5]。組件式并網逆變器則更適用于幾千瓦以內的小型光伏發電系統，如光伏車棚、光伏玻璃幕墻等。

2.2 依據不同系統的裝機容量

根據逆變器的特點，一般8 kW 以下的系統宜選用單相組串式逆變器，8 ～500 kW 的系統可以選用三相組串式逆變器，500 kW 以上的系統可以根據實際情況選用組串式逆變器或集中式逆變器。在不同的系統容量下，并網逆變器的選型如表1 所示。

表1 不同容量下系統并網逆變器的選型

3 并網光伏發電逆變器應用

3.1 選型對比

某70 MW 的地面光伏電站，采用20 kW 組串式逆變系統的初期投入相對略高，但系統成本和長期運營總成本較低，投資回報率高。333 kW 集中式逆變系統的初期硬件投入和長期運營維護費用都適中。500 kW 集中式逆變系統的初期硬件投入費用較少，但系統整體成本和后期維護成本較高。不同逆變系統的性能對比如表2 所示。

表2 不同逆變系統性能對比

3.2 應用分析

3.2.1 系統成本方面

組串式逆變器具有體積小、重量輕等特點，安裝方便，無須專業工具和設備，不用配備專門的配電室、直流匯流箱或直流配電柜等連接直流線路。

集中式和組串式逆變器光伏發電系統的配電方式與設備不同，導致整個發電系統鋪設的線纜數量也不同。集中式逆變器要使用直流匯流箱進行一次匯流，而直流匯流箱一般都安裝在光伏方陣旁邊，因此這部分線纜的使用量比組串式逆變器系統要少很多。集中式逆變器系統要從直流匯流箱到直流配電柜進行二次匯流，這部分使用的線纜相對較粗。而組串式逆變器系統無須直流匯流箱和直流配電柜，線路成本相對較低。對于逆變器輸出的交流側線纜，集中式逆變器系統使用的線纜比組串式逆變器系統少。

3.2.2 系統效率方面

目前，集中式和組串式并網逆變器的效率都可以達到98%以上。集中式逆變器系統的光伏方陣需要經過2 次匯流才輸入逆變器，其MPPT 系統無法監控到每一路光伏組串的運行情況，因此無法確保每一路光伏組串都達到MPPT 狀態，只能對整個光伏方陣進行跟蹤調控。相比之下，組串式逆變器將每組或每幾組光伏組串輸入1 臺逆變器，逆變器單獨對輸入的光伏組串進行MPPT，使每組或每幾組串產生最多的電量。組串之間獨立工作，即使某一組串因故障斷開，其他組串也不受影響繼續正常發電，從而實現整個發電系統最大化的能量輸出。

3.2.3 系統運行特性方面

不同類型的并網逆變器會對系統運行性能產生不同的效果。集中式逆變器系統不具備冗余能力，一旦出現問題，整個系統都將停止發電。而組串式逆變器系統具有冗余運行能力，當個別逆變器發生故障時，整個系統不受其影響，依然可以正常發電。此外，集中式逆變器系統可集中并網，便于運行管理；組串式逆變器系統則是分散就近并網，系統損耗小。

4 結 論

逆變器作為太陽能光伏發電的核心設備，通過合理的選型，可以有效提高能源利用效率，平衡供需關系，提高電網可靠性，穩定電力系統，同時節約系統成本。隨著逆變器技術的不斷發展，逆變器應用研究將進一步推動能源轉型和可持續發展。