基于组串逆变器的渔光互补光伏电站设计方案

张 睿，王 鹏，谭 晋，张 聪

(1.中国电力工程顾问集团新能源有限公司，北京 100120；2.华为技术有限公司，北京 100102)

基于组串逆变器的渔光互补光伏电站设计方案

张 睿1，王 鹏1，谭 晋1，张 聪2

(1.中国电力工程顾问集团新能源有限公司，北京 100120；2.华为技术有限公司，北京 100102)

本文针对渔光互补并网光伏电站的特点,主要在光伏并网逆变器选择和通讯方式方面对传统光伏电站的光伏发电部分进行设计改造和升级，提出了基于组串式逆变器的设计方案，并进行了投资成本分析。指出基于组串式逆变器的设计方案具有良好的技术经济价值，值得推广。

并网光伏电站；渔光互补；组串式逆变器；集中式逆变器。

光伏发电作为可再生能源的重要组成部分，由于具备直接利用效率高、可持续发展、绿色无污染、可灵活部署等优点，在能源供给体系里占有越来越重要的位置，正持续向上快速发展。2014年，全国新增并网光伏发电容量1060万kW，约占全球新增容量的1/5。根据国家能源局[2015]73号文件，2015年全国新增光伏电站规模为1780万kW，同比增长78%。光伏行业存在巨大潜力和发展机遇的同时，也面临严峻挑战：

(1)电站场景复杂，缺乏有效的发电量综合考虑。

(2)目前光伏发电成本相比化石能源等偏高。

(3)数据精度低，管理系统落后，无法支撑集团规模运营。

1 渔光互补光伏电站的特点

渔光互补光伏电站由于其科学利用土地、水上发电、水下养殖，充分发挥土地效益，受到了越来越多的青睐。与传统大型地面光伏电站相比，渔光互补以及滩涂电站，由于湿度大，温度高，场景复杂，存在种种挑战。

(1)人员财产安全

员工在水中作业，鱼塘中养殖着鱼虾，但锈蚀的电缆保护层随时可能将1000 V高压直流导入水中，严重危及员工生命安全。

(2)湿度大，组件PID衰减更严重

渔光互补电站中电池组件一直处于高温高湿环境下工作，相对更易出现PID衰减。经检测，某10 MW渔光互补电站，运行2年左右，部分组件功率衰减达10%左右。

(3)地形不规整，面积一致性差

渔光互补电站一般依照原有鱼塘地形建造，地形不规整且面积一致性差，子阵规模大小不等；

(4)如何保障高可靠的监控通讯，及时发现并准确定位故障及消除安全隐患；传统方案直流汇流箱RS485通讯线与直流线缆共线槽走线，通讯故障时有发生，且由于检修排查困难，一直无法修复，电站故障及安全风险无法监控。

2 并网逆变器的选择

逆变器也称逆变电源，是将直流电能转换成交流电能的变流装置。逆变器是光伏电站的关键设备，它的选择对于提高系统效率、可靠性，提高系统的寿命、降低成本至关重要。目前市场上应用于大型并网光伏逆变器的产品主要有两种主流的发展方向：一种是集中式逆变器，一种是组串式逆变器。目前，集中式逆变器在国内大规模并网光伏电站中应用较广泛，而组串式逆变器在国际市场中占据主导地位。

2.1 集中式逆变器

集中式逆变器的规格以单机500 kW为主要产品，随着技术的更新也出现了1 MW的并网逆变器及一体化机房。集中型逆变器一般采用单路最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)跟踪，组件串经直流汇流后接入并网逆变器。采用集中型逆变器后，每个组串至逆变器的路径有一定差异，组串间由于遮挡情况和衰减不同，使得压降和线路损耗不同，因此集中式逆变器侧的直流母线电压侧其实不能真实的反应每个组串的电压。实际上，这种方式并不能跟踪到整个1 MWp子方阵的最大功率点。其次，单台500 kW逆变器的故障会使1 MW子阵损失50%的发电量。

2.2 组串式逆变器

组串式逆变器是基于模块化的概念，以组串为单位，即把光伏方阵中每个光伏组串输入到一台指定的逆变器中，多个光伏组串和逆变器又模块化地组合在一起，所有逆变器在交流输出端并联。它的主要优点是采用多路MPPT(最大功率点跟踪)方案，因此可以跟踪到每个组串的最大功率点。组串式逆变器应用于渔光互补光伏发电系统在技术上具有以下优势，不仅降低了系统成本，也增强了系统的可靠性。

(1)更高效发电

在鱼塘项目中，水面对日光的反射、云层遮挡、灰尘等异物遮挡、组件故障等均会造成组件间发电量失配。多路MPPT能分别追踪每(两)串组件的最大功率，基本消除了组串失配的影响，有效提升发电量。图1中，由于各种原因的影响各组串的最大功率点会位于不同的电压下，如P1，P2，P3…… 集中式逆变器会选取一个总值最大点(P点)作为所有组串的工作电压，但P点和各组串的最大功率点Pn都不是同一个电压，即P1+P2+P3＞P。而组串式逆变器就能分别跟踪各组串的最大功率，实际输出Pout= P1+P2+P3。

图1 组串P－V曲线

由于不受组串间光伏电池组件性能差异和局部遮影的影响，可以处理不同朝向和不同型号的光伏组件，也可以避免部分光伏组件上有阴影时造成巨大的电量损失。随着电站的运行时间越长，组件不适配、衰减、虚接等原因，组件个体差异不断增大，组件的精细化管理优势越发明显，组串式逆变器发电量提升将会更加明显。

(2)更简洁、安全、可靠

采用组串式逆变器，可以省去直流汇流箱和直流配电柜，组串直接连接到逆变器，节省了大量的直流电缆，减少了直流回路的线损，而且使光伏发电系统更加简洁和灵活。

其次，鱼塘环境湿度较大，组件的PID衰减更加严重。组串式逆变器可自动检测组件电势，主动调整系统工作电压，采用虚拟接地技术，保证负极对地正偏压，有效规避了PID效应。逆变器内置高精度RCD(残余电流检测)保护电路，能在检测到漏电流大于30mA的情况下，150 ms内切断电路，实现了主动安全。

(3)并网滤波器性能与谐波抵消能力

组串式逆变器一般采用LCL型滤波器具有高频谐波衰减能力强、受并网阻抗影响小的优点。另外，1个方阵多台组串式逆变器距离升压变压器距离不一样，线路阻抗会有差异。线路阻抗会等效改变并网LCL滤波器中L2的电感，不同的滤波器参数会改变谐波的相位。当多台组串式逆变器并联工作时，谐波成分将会由于相位的差异而部分相互低消，降低系统整体的谐波值。

3 通讯方案设计

3.1 光伏子阵内通讯方案设计

(1)传统光伏电站的设计中，光伏子阵内汇流箱、箱变及逆变器的信息通过在子阵内敷设RS485通讯线接入到数据采集器，然后数据采集器通过光纤环网与中控室进行通讯。

(2)本文设计方案中，在光伏子阵内，逆变器直接将通讯信号注入到电力线(A，B，C)3相线中，通过集电线路来传输逆变器等设备的数据信息，无需单独敷设RS485通讯线。在靠近箱变侧放置1个PLC模块，从箱变的交流母排取(A，B，C)3相线接入模块，PLC模块将信号调制解调出来只需用一小段RS485线接入到数据采集器中。数采与中控室的通讯可以通过无线LTE来实现。

图2 光伏子阵内PLC通讯组网图

逆变器与数采通讯采用PLC电力载波通讯，借用交流电缆来通讯，无通讯线缆，完全解决了通讯线和电力线共线槽干扰，端子连接不良，通讯接地不好等问题。通讯速率也从原来9.6 kbps提升到115.2 kbps。表1为RS485与PLC通讯比较。

表1 PLC与RS485通讯对比

3.2 子阵与中控室通讯方案设计

3.2.1 对通讯能力的要求

随着光伏电站建设规模的进一步扩大，电站的飞速增长对生产数据采集和巡检、视频监控等业务诉求进一步增强，对通信能力提出了更高的要求，但采用的传统光伏电站通信方法无法满足客户对于业务移动的诉求，制约了光伏电站的发展。具体表现为：

(1)可靠通信需求

①满足恶劣环境下的工作要求：长期经受不利的气候条件的考验，如水浸、洪水与泥石流等恶劣环境下的户外要求。

②抗干扰：在较强的电磁干扰(EMI)下工作。

(2)成本考虑需求

①选取合适的通信方式，可以节省大笔的建设费用。 例如鱼塘、山地等土地利用率低，范围广的电站。

②除了设备及建设成本外，施工难易程度和投资维护费用是构建通信网络的另一关键因素。

(3)双向通信需求

①实时检测负荷控制设备是否正常，必须借助于双向通信。

②故障区段隔离和恢复正常区域供电的功能，必须要有双向通信能力的信道。

3.2.2 无线宽带集群方案的优势

(4)运维方便需求

①通信网络要便于管理，能维护网络流量，优先级等，系统能远程升级。

②网络故障能迅速发现与排除。

针对这些更高的需求，无线宽带集群方案可以为光伏电站提供一个更加便捷和稳定的通道，其优势在于：

(1)快速部署，减少工作量

主要设备集中放置在中控室内，光伏子阵只需要安装一个CPE终端(240 mm×200 mm ×60 mm)，建设时无需挖沟埋光缆，整个工期可在在2周内完成(100 MW电站为例)；

(2)维护简单

整体网络更扁平化，简单化，设备集中放置方便操作和维护。终端IP65防护等级，可靠性高，利用无线网管可以对端到端设备进行维护，减少设因设备故障造成的通信中断时间；

(3)可靠安全

LTE无线端到端传输时延＜50 ms，电信级设备安全可靠率达到99.999%。

在传统光伏电站设计中，子阵与中控室通讯主要通过光纤通讯完成。在渔光互补电站中，子阵间的光缆施工不如地面电站方便，其次，电站投产后，池塘注满水，检修和维护也比较困难，出现故障无法快速定位，恢复正常生产运营时间较长。

随着无线通讯的越来越稳定，高速，特别是LTE推出后，移动通讯已经成为了一种趋势。在渔光互补光伏电站中，使用无线LTE来取代光纤环网通讯具有非常大的优势。

4 组串式逆变器与集中式方案比较

对于渔光互补光伏电站，采用基于组串式逆变器设计方案较集中式常规设计方案在技术方面更有优势，见表2。

表2 组串式与集中式常规设计方案技术对比

5 投资成本分析

并网光伏电站的主要发电设备为电池组件、逆变器、升压箱变等。施工主要包括平整土地、打桩、支架安装、安装组件、安装设备、布线、逆变器室建设等方面。

本文选取在某大型渔光互补光伏国内知名品牌厂商的传统1 MW集装箱式逆变器和组串式逆变器方案进行建设成本(不计入相同部分，如组件等)的比较，见表3和表4。目前的市场价格集装箱式逆变器在0.35元/W左右，组串式在0.45元/W左右。集中式逆变器选择沿路放置，组串式逆变器选择组件下方支架抱柱安装。

表3 1 MWp光伏电站采用集中式逆变器方案

表4 1 MWp光伏电站采用组串式逆变器方案

从表3、表4可以看出，使用组串式逆变器方案要比使用集中式总体造价节约0.01元/W。考虑各种实际布局因素，两种方案初始投资成本基本持平。

6 结论

在渔光互补并网光伏电站建设中，采用基于组串式逆变器的设计方案，在不增加初始投资的情况下，提升了系统的发电量，提高了维护效率、增强了系统安全性，更好地解决了渔光互补项目面临的问题和挑战。综合投入与产出，该方案将为投资方带来更低的平准化发电成本(Levelized Cost of Electricity，LCOE)，值得推广。

[1]王亮．组串式逆变器在大型并网电站中应用的经济可行性[J]．有色冶金节能，2014，(3)．

[2]许映童．以数字信息技术助力打造智能光伏电站[J]．太阳能，2014，(8)．

[3]王艳国．浅谈组串式逆变器的历史及认识的误区[J]．太阳能，2014，(8)．

[4]石定寰．智能光伏引领行业实践“互联网+”[N]．中国能源报，2015－4－27(21)．

Design Scheme of the Photovoltaic Power Station with Fishing Light Complementation Based on the String Inverter

ZHANG Rui1, WANG Peng1, TAN Jin1, ZHANG Cong2
(1. New Energy Sources Co., Ltd of China Power Engineering Consulting Group, Beijing 100120, China; 2. Hua Wei Technologies Co., Ltd., Beijing 100102, China)

According to the characteristics of the fishpond-PV station, this paper has upgraded the photovoltaic generation part of the traditional PV-power station mainly in PV grid-connected inverter selection and communication mode.The solution based on the string inverter is put forward and the investment cost is analyzed. It is pointed out that the design scheme based on the string inverter has good technical economic value and is worth promoting.

Grid-connected PV power station; fishpond-PV; string inverter; centralized inverter.

TM615

B

1671-9913(2016)04-0065-06

2015-09-15

张睿(1981- )，女，河北邢台人，硕士研究生，工程师，主要从事新能源发电设计工作。