集中式光伏电站逆变器选型问题探讨

邵博文

华能宁夏能源有限公司 宁夏 银川 750000

引言

自工业革命以来，化石能源的开发在一定程度上推动了人类进步，而这时也产生了资源匮乏以及环境污染等方面问题。所以推动能源转型是实现人类可持续发展的重要道路。当前，我国风电以及光伏发电不断发展，成本也明显降低，其中开发以及建设质量也有了明显提升，而这就为我国建设清洁﹑低碳的能源体系发挥出了十分重要的作用。国家相关补贴扶持政策的推出，使得我国的光伏产业得到了快速发展，在光伏设计当中逆变器在技术难度和价格等方面占据较大的比重，因此逆变器的选型显得十分重要。

1 集中式光伏电站逆变器的优势

第一，具有较强的电网适应性。通常来说，集中式光伏电站可以接受执行调度机构所发送的有功功率的控制指令等，从而保证光伏电站的功率根据有关机构的要求实施运行。与此同时，逆变器需要按照调度指令在范围内实施无功功率补偿。再就是低/零电压穿越，主要应用于电网发生故障时，这时逆变器可以快速进行检测，并进入到低/零电压穿越模式中。同时在电网发生故障时，需要确保电流控制器等均能够进行工作，所以就要确保逆变器输出合适的功率。

第二，可靠性比较高。逆变器是光伏电站的重要组成，其是否具有可靠性则在一定程度上决定着电站是否可以稳定运行。一般来说，逆变器可靠性会涉及多个方面，比如从技术方面来说，则会受到器件选型以及检测保护等的影响。而从器件选型方面来说，那么母线电容以及风机等则是比较容易出现问题的部分，所以就需要重点进行关注[1]。比如在逆变器中母线电容能够在其内部发挥稳定直流侧电压等的作用，因此其性能是比较重要的。

2 集中式光伏电站逆变器的构成

第一，逆变器分类。对于集中式光伏电站的逆变器来说，其是发电系统中的重要组成，能够在一定程度上将光伏阵列电流转变成为交流电，并且还可以接入电网。通常来说，逆变器具有集中式﹑组串式及集散式三种类型，具体分析如下：

（1）集中式的逆变器，其通过将多个组件进行串并联，然后与大型的逆变器连接起来，通过借助这一设备转变成交流电，将其输出之后供给负载。对于这种集中式的逆变器来说，电路结构通常是单级的，其不但可以将直流电转化到交流电，还可以跟踪光伏组件，在这个过程中可具备最大的功率点。一般来说，这种方式的光伏逆变器通常应用在大型光伏电站当中，其容量通常在500kW之上，将1MW作为1个发电单元，然后1MW的光伏组件功率输送到2台500kW的逆变器中，之后再经双分裂变压器将电能输送至主变中，最后实现升压并网。

（2）散式逆变器。这种是一种集中式与组串式的逆变器的一个折中方案。这种类型的逆变器能够在一定程度上获取多路的最大功率跟踪，而且还能够实施统一逆变，能够显著减少变换的成本，通常在大型光伏电站比较常见。因这种方案具有集中式逆变器能够集中电能逆变的特征，并且也具有组串式逆变器分散MPPT的优势，再加之逆变器的直流侧以及交流侧的电压均明显提升，能够显著减少传输线损。

（3）串式逆变器。现阶段，大部分的大型光伏电站采用这一方式。这种类型的逆变器优势不会受到串间光伏组件性能之间的差异影响，而且也不会受到局部遮影方面的影响，能够在一定程度上处理不同型号的组件，防止有些组件上存在阴影，进而丧失了较大的电量，有助于提升发电系统的发电量[2]。同时，由于电站运行时间越来越长，再加之组件出现衰减以及虚接等情况，导致其差异性逐渐加大，所以实施精细化管理的优点也愈发显著，而且还可以显著提高逆变器的发电量。另外，因组串式逆变器存在着多路MPPT功能，可以显著降低光伏电站环境对发电量产生的不良影响。

第二，逆变器的功能。光伏电站的逆变器存在着多个方面的功能，比如在特殊环境之下依旧能够高效正常运行，并且光伏组件的输出功率还会在一定程度上受到日照强度以及负荷变化等方面的影响[3]。同时还能够确保电网的安全运行，为高效运行提供一定的支撑。其中支撑系统的重点就是输出部分，通过调节正弦波电流来满足电网的设计以及运行的需求，使其能够在可接受的范围中实现均衡状态的控制。

第三，逆变器的容量以及电压层级。目前，由于光伏装机容量的增长，使得集中式逆变器的容量愈发增大，逐渐朝着MW级发展。其中这一功率级已经逐渐成为电站主流。因此为了能够降低逆变器所产生的损耗成本等，所以提升电压层级逐渐引起了行业的广泛关注。比如对1000V的光伏系统而言，要想提升电压层级通常会直接提升交流侧电压，但是会在一定程度上缩小最大功率点跟踪的范围，从而对发电量产生不利影响。所以就需要选取组串式或者集散式进行变换，通过对后光伏组件的电压进行调节，从而扩大跟踪范围，这时的输出电压可以高达400V之上。同时为了显著提升交流侧等的电压层级，则出现了1500V的光伏组件。通过使用这一组建，除了能够降低组件线缆的成本之外，还可以最大程度上减少汇流箱数量。研究发现，1500V的光伏组件可以显著扩大最大功率点跟踪范围，提高光伏的发电量[4]。

3 建设集中式光伏电站的要点

光伏发电是发电单元以及中央控制系统等组合而来的。对于集中式光伏发电站来说，在建设中存在投入较为集中以及建设时间比较短等多种特征，所以在具体建设中需要重视光伏电站的选址以及逆变器选型等。

第一，光伏组件的倾斜角度及其选型。现阶段，对一些商用的光伏组件是硅系以及薄膜光伏组件组成的，在所有的组件当中晶归类光伏组件是应用较为广泛的。这种组件存在单多晶硅，两者区分相对比较容易，主要是提纯的精度有所不同。对于单晶硅来说，其具有较高的转换效率，现阶段的一些主流产品能够接近于20%。而后者的转化率则可接近于15%，但这种类型的造价比前者要低。由于单晶提纯技术得到了不断发展，而单晶组件的造价也在逐渐降低，因此这种类型的组件也愈发受到市场的喜爱。

同时对于发电单元的方阵运行方法来说，其存在固定倾角以及可调式倾角等多种方式，就实际情况来说，不同的安装方法特点也有所不同。其中固定倾角在运行时成本是比较低的，但是发电效果也相对比较差。现阶段，大部分的集中式光伏电站在建设时多使用可调式倾角，但是要根据现场的实际情况进行结合。

第二，站点选址。集中式光伏电站在选择主场地址时，通常会选择平原或丘陵。同时还要避免地震带以及规划用地等项目。值得注意的是，在选址的过程中，要考虑到变电站和光伏站点之间的线路距离，并且还要考虑到送出线路等方面的问题。

4 逆变器选型分析

一般来说，大规模的集中式光伏电站的逆变器包括集中式以及组串式等。其中集中式的逆变器需要在安装时对发电单元安装汇流箱，组串式的逆变器则需要结合汇流和逆变。而对集中式光伏逆变器选型时要考虑到性能可靠效率高以及存在过压过流等保护作用等。

第一，技术指标。对光伏电站来说，光伏并网逆变器是最为重要的设备，其基础作用是将光伏电池组件所输出的直流电转变成为交流电，并且还存在着自动运行停止等功能。将某一工程的子方阵作为研究对象，具体如下：

（1）集中式逆变器。在1.2MW子方阵中只有8路 MPPT，其中25年平均利用数大约为1184h；在每个子方阵当中均需要1套集装箱式逆变器以及升压变；方案设计比较简单，并且有关设备也比较成熟；若1台1.2MWp方阵单台为500kW的逆变器出现故障时那么就会对将近一半的发电量产生影响；存在较宽的热设计裕量，并且当室外的温度达到55℃左右时不会降额运行，但是分裂变压器的损耗要相对比较高。

（2）组串式逆变器。在1.6MW子方阵中存在138路MPPT，且25年平均利用小数为1220h；每个子方阵只需要使用1个升压变及其基础，能够大大减少工程量；方案设计比较复杂，且有关技术还不成熟；如果单台组串式逆变器出现故障那么就只会影响到2.2%的发电量；逆变器是在室外进行安装的，并不产生散热功耗，而且对于变压器的损耗也较低。

综合上述情况来说，在技术指标比选方面，组串式要比集中式逆变器效果要好。

第二，经济指标。还是以某一工程的子方阵作为研究对象，分析集中式与组串式的经济方案，具体如下：

（1）集中式。对于一个1.2MW集中式系统来说，需要用到200块的280W的光伏组件，其价格大约为480万；而且还会应用到1000kW集中式逆变器，其价格为40万。同时，25年平均可利用小时数为1184h左右，每W的价格大约在4.87元，且子方阵度电成本为4.11元。

（2）组串式。对1.6MW组串式系统而言，要使用256块的280W光伏组件，其价格大约为640万；而且还会使用到50kW的组串逆变器，价格大约为88万左右。而组串式逆变器25年平均可利用小时数大约为1220h，其每W的价格大约在4.96元，子方阵度电成本为4.09元。

综上情况来说，组串式要比集中式逆变器好，并且还可以显著减少失配损失，提升光伏电站的发电量。

第三，运行效果分析。为了让数据更加具有说服力，通过选取同一省市，且经纬度均比较接近的光伏项目实施分析。具体为一个50MW光伏项目，其容量为50MW，选取集中式逆变器；一个20MW光伏项目，容量为20MW，选取组串式逆变器；一个40MW光伏项目，容量为40MW，选取集中式逆变器。其中40MW光伏项目一年的发电量为5000万kWh左右；50MW光伏项目一年的发电量为2000万kWh左右；20MW光伏项目一年的发电量为2000万kWh左右。

综合上述情况来说，集中式比组串式逆变器的运行效果要好，且具有较大的发电量。

因此，在对集中式光伏电站逆变器选型时要充分考虑到项目的具体情况。组串式逆变器容易建设，并且后续维护比较简单，发电量也比较高，在后期电场收益等方面具有较为显著的优势，更加适合建设地点不规则的项目。但是这种逆变器的价格比较高，前期投入较大。如果从前期投入方面进行考虑可选择集中式的逆变器方案。同时，若项目建立在较为平坦的区域，并且周边没有明显的障碍物进行遮挡，那么也可以选择集中式逆变器。

5 逆变器选型的注意事项

第一，电压调整性能。具体来说，就是输出电压的调整性能，其可以表示出逆变器所输出电压的稳压效果。通常来说，逆变器产品是通过直流输入电压进行的，而且其波动范围是在规定范围中的。当光伏逆变器的性能比较高时，那么当负载从0朝向着100%进行变化时，那么这时输出的电压偏差的百分比责备叫作负载调整率[5]。对一个光伏逆变器来说，其电压调整率需要处于±3%这个范围之中。

第二，电站规模与启动效果。对光伏电站而言，其规模能够在一定程度上决定着逆变器选型，比如是大型的地面光伏电站，那么则建议选择集中式逆变器。通常来说，逆变器需要确保在额定的负载之下进行启动，而在集中式光伏电站逆变器选型中只要选择合适的类型，就能多次满负荷启动，并且还不会对功率开关器件等产生损坏。而对一些小型的逆变器来说，为确保自身安全则会采取软启动进行工作。

第三，整机效率。整机效率能够在一定程度上说明逆变器功率损耗情况。通常来说在kW级之下的逆变器，其效率大约在80%左右，而10kW级效率则在85%左右，对于一些更大的功率，其效率就在90%之上。同时，逆变器的效率能够影响到光伏发电系统的发电量以及发电成本，所以在选择逆变器时要选择一些整机效率较高的类型。

6 结束语

综上所述，逆变器在集中式光伏电站中是一个非常重要的组件，其存在着集中式与组串式两种类型，所以在对其进行选型时需要根据集中式光伏电站的实际情况来进行确定。同时，在选型时还要考虑到光伏电站现有的系统输出电流和输入电流的强度，并对其运行组件实施灵活性的调整。选择合适的逆变器不但可以降低造价，还可以有效提升发电效率。所以只有不断完善逆变器的选型，才可以确保光伏电站根据计划顺利完成。