集散式逆變器在多場景光伏發(fā)電工程中的應(yīng)用分析

姚文強

(沈陽電力勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110021)

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

在光伏發(fā)電工程中，光伏逆變器作為整個工程的核心部分，根據(jù)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(nóng)光互補光伏發(fā)電工程中，由于地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地勢情況多樣化，光伏組件布置形式無法統(tǒng)一，光伏組件失配問題嚴(yán)重(組件傾角不一致等)，會導(dǎo)致光伏電站發(fā)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(tǒng)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(nóng)光互補、地面電站、山地光伏、養(yǎng)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(fā)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(fā)電量。本文結(jié)合鐵嶺柴河水庫15 MW漁光、農(nóng)光互補光伏發(fā)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(fā)電工程中的應(yīng)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(jié)構(gòu)主要有集中式光伏逆變器系統(tǒng)、組串式光伏逆變器系統(tǒng)、集散式光伏逆變器系統(tǒng)等，每種逆變器系統(tǒng)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(jīng)過匯流后連接到逆變器直流輸入端，集中完成將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備[1]。集中式逆變器通常使用單級兩電平三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大功率IGBT和SVPWM調(diào)制算法，通過DSP控制IGBT發(fā)出兩電平方波，通過LCL或LC濾波器濾波后輸出滿足標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用業(yè)績最多，該款逆變器轉(zhuǎn)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(wǎng)。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(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備[2]。組串式逆變器通常使用兩級三電平三相半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選用中小功率IGBT和SVPWM調(diào)制算法，通過DSP控制IGBT發(fā)出三電平方波，通過LCL或LC濾波器濾波后輸出滿足標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)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(jié)合了集中式和組串式的優(yōu)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(shù)的創(chuàng)新和發(fā)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(zhuǎn)換為交流電的設(shè)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(chǎn)的CP-1000-B型逆變器為例，額定功率為1000 kW，最大轉(zhuǎn)換效率為99.1%，中國效率高達(dá)98.42%，MPPT電壓范圍通常為300～850 V，額定電網(wǎng)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(dāng)前的主流功率是1000 kW。1 MWp陣列的MPPT路數(shù)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(jù)當(dāng)前主流逆變器廠家主推的逆變器產(chǎn)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(shè)備、發(fā)電量、容配比、初始投資等方面進行對比分析。

2.1 采用設(shè)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(wǎng)。采用的設(shè)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(wǎng)[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(jīng)交流匯流，最后通過1臺雙繞組變壓器升壓后接入電網(wǎng)。采用的設(shè)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(wǎng)[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(wǎng)，采用的設(shè)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(wǎng)。具體如圖4所示。

從采用設(shè)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(cè)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(shù)量變多，100 MW電站逆變器數(shù)量多達(dá)3000臺，系統(tǒng)復(fù)雜度增大；而且逆變器數(shù)量變多，系統(tǒng)相對復(fù)雜；集散式相較集中式，區(qū)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(cè)，增加了MPPT路數(shù)[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(tǒng)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(guān)設(shè)備、箱式升壓變和子陣區(qū)通訊等設(shè)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(jié)論。

表1 采用集中式逆變器的1 MWp陣列方案主要材料設(shè)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(shè)備表

表3 采用集散式逆變器的1 MWp陣列方案主要材料設(shè)備表

續(xù)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(fā)電量對比分析

集散式方案每MW子陣多達(dá)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(dǎo)致不同組串的最大功率點所對應(yīng)的電壓不完全相同)帶來的發(fā)電量損失。

圖5 組件受陰影遮擋圖

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

3 結(jié)束語

通過以上從發(fā)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(yōu)勢，在光伏電站的應(yīng)用中擁有更廣闊的前景，同時光伏電站建設(shè)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(fā)電量的影響，集散式逆變器的合理應(yīng)用也尤為重要。