模塊化系統(tǒng)，最大化收益——Fronius MIXTM 系統(tǒng)使發(fā)電量最大化

Fronius International GmbH光伏系統(tǒng)技術(shù) Thomas M?hlberger J?rgen Wolfahrt

一 引言

逆變器在高負(fù)載的情況下能高效運(yùn)行。當(dāng)光照強(qiáng)度較弱時(shí)，損失會(huì)相對(duì)較大。這一方面是因?yàn)槟孀兤鞅旧硇柘哪芰俊谋壤蟻碚f，發(fā)電量較小時(shí)，消耗會(huì)更多。另一方面，多次開關(guān)機(jī)器也會(huì)使損耗增加，當(dāng)發(fā)電量較低時(shí)，影響會(huì)更大。

由于逆變器大部分時(shí)間都是在有部分負(fù)載的情況下運(yùn)行，所以，部分逆變器生產(chǎn)商就采用了主－副逆變?cè)恚绕涫轻槍?duì)較高緯度的地區(qū)。Fronius主副逆變器交換(MIXTM)系統(tǒng)在這一原理基礎(chǔ)上有所突破，規(guī)避了主－副逆變?cè)淼娜秉c(diǎn)，并應(yīng)用于Fronius IG、Fronius IG Plus 和 Fronius CL集中式逆變器。

二 主－副逆變?cè)?/h2>

典型的主－副逆變?cè)頌?在一個(gè)由兩個(gè)或兩個(gè)以上的逆變器組成的系統(tǒng)中，其中一個(gè)起主導(dǎo)作用，始終作為主逆變器，負(fù)責(zé)控制所有的副逆變器。需要時(shí)，則開啟其他的副逆變器。在陰雨天或冬季，主逆變器可單獨(dú)工作，而所有的輔助逆變器都關(guān)閉。

這種運(yùn)行模式意味著主逆變器運(yùn)行的時(shí)間會(huì)比副逆變器長(zhǎng)得多。即使是與非主－副模式運(yùn)行的逆變器相比，主逆變器滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間也很長(zhǎng)。這樣，主逆變器的部件承受壓力非常大。從數(shù)據(jù)角度來說，這個(gè)事實(shí)可清楚地表明，主逆變器比起“普通”逆變器有更高的故障率，比副逆變器的故障率也高得多。并且，非常糟糕的情況是，當(dāng)主逆變器發(fā)生故障后，所有的副逆變器也將停止工作，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)停止工作。因?yàn)椋髂孀兤髫?fù)責(zé)管理并在需要時(shí)啟動(dòng)副逆變器。這將導(dǎo)致發(fā)電量急劇降低，尤其在較大的光伏系統(tǒng)中更為明顯。

三 MIXTM系統(tǒng)的基本原理

MIXTM系統(tǒng)是主－副逆變?cè)淼囊粋€(gè)延伸，同樣具有部分負(fù)載下高效率的優(yōu)點(diǎn)，而且規(guī)避了運(yùn)行時(shí)間和故障率方面的缺點(diǎn)。

MIXTM系統(tǒng)的工作原理為:一個(gè)功率模塊(主逆變器)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制其他的功率模塊(Fronius目前已將這一原理擴(kuò)展至15個(gè)功率模塊）。控制軟件自動(dòng)將主逆變器這一角色分配給其中一個(gè)功率模塊。這種任務(wù)分擔(dān)的方法可有效減少單個(gè)功率模塊的運(yùn)行時(shí)間，并且也能在部分負(fù)載的情況下提高發(fā)電量。

MIXTM系統(tǒng)中所有的功率模塊在本質(zhì)上都是相同的，既可做主逆變器，也可是副逆變器。每個(gè)模塊的運(yùn)行時(shí)間單獨(dú)計(jì)算。每次逆變器啟動(dòng)時(shí)(通常是每天早晨)，控制軟件將會(huì)檢查哪個(gè)逆變器目前的總運(yùn)行時(shí)間最短，那么這個(gè)逆變器就是(當(dāng)天的)主逆變器。當(dāng)光伏組件的輸出超過一定值(依據(jù)逆變器的額定輸出)，主逆變器就會(huì)開啟副逆變器。第二天早晨，又會(huì)再次檢查運(yùn)行時(shí)間(依據(jù)目前的總運(yùn)行時(shí)間確定)，另一個(gè)功率模塊就將變成主逆變器。MIXTM系統(tǒng)在穩(wěn)定性方面有著最高的標(biāo)準(zhǔn)。畢竟，一旦某個(gè)主逆變器發(fā)生故障，某個(gè)副逆變器可代替成為主逆變器，這樣，逆變器可持續(xù)輸出電力。也就是說，一個(gè)主逆變器故障，不會(huì)或者較少地影響到發(fā)電量。如果故障發(fā)生在下午、陰雨天或冬季，剩余的功率模塊可非常有序地工作，保證全額發(fā)電，這樣就不會(huì)“損失”任何一度電了。

四 MIXTM 系統(tǒng)的詳細(xì)內(nèi)容

任務(wù)分擔(dān)可節(jié)約運(yùn)行時(shí)間，表1列出了MIXTM系統(tǒng)中逆變器整體和單個(gè)功率模塊分別減少的運(yùn)行時(shí)間。其中，表中逆變器是帶有2個(gè)功率模塊的Fronius IG Plus 100，帶有3個(gè)功率模塊的Fronius IG Plus 150 和帶有 15個(gè)功率模塊的Fronius CL 60.0；第一列“逆變器總運(yùn)行時(shí)間”表示在特定的月份內(nèi)，逆變器的總運(yùn)行時(shí)間。第二列分別列出帶有2、3、15個(gè)功率模塊時(shí)，每個(gè)功率模塊不同的平均運(yùn)行時(shí)間。

在冬季，12月份逆變器總運(yùn)行為241h。根據(jù)2、3、15個(gè)不同的模塊數(shù)量，平均每個(gè)模塊的工作時(shí)間分別是139h、109h和71h。由于12月的光照相對(duì)較弱，通常一次只需開啟一個(gè)功率模塊。針對(duì)Fronius CL，當(dāng)有3個(gè)以上功率模塊運(yùn)行時(shí)，每次啟動(dòng)都必須3個(gè)一組同時(shí)運(yùn)行。

單個(gè)功率模塊不需要運(yùn)行的時(shí)間比例表示為MIXTM因數(shù)(在15個(gè)功率模塊時(shí)，可高達(dá)70%)。

在夏季，7月份逆變器的總運(yùn)行時(shí)間升至469h。平均單個(gè)功率模塊的工作時(shí)間分別為334h(2個(gè)功率模塊)、299h(3個(gè)功率模塊)和265h(15個(gè)功率模塊)。在這個(gè)光照強(qiáng)的月份，MIXTM因數(shù)分別是29%(2個(gè)功率模塊)和44%(15個(gè)功率模塊）。最佳情況下，MIXTM因數(shù)可分別達(dá)到50%(2個(gè)功率模塊)、66%(3個(gè)功率模塊)和93%(15個(gè)功率模塊)。這種情況下，每天只需要1個(gè)功率模塊運(yùn)行，其他功率模塊都不需要啟動(dòng)。然而，年度平均節(jié)約運(yùn)行時(shí)間的比例在34%～53%之間(2～15個(gè)功率模塊)。

表1 MIXTM系統(tǒng)中逆變器整體和單個(gè)功率模塊分別減少的運(yùn)行時(shí)間

從圖1可以看出，20年后每個(gè)功率模塊的總運(yùn)行時(shí)間。2個(gè)功率模塊約13年，3個(gè)功率模塊約11年， 15個(gè)功率模塊約9年。

圖1

五 部分負(fù)載下的高效率保障了更高的發(fā)電量

若把帶有15個(gè)功率模塊的Fronius CL 60.0 與一個(gè)僅帶有單一功率模塊的逆變器比較，F(xiàn)ronius CL由于在部分負(fù)載情況下具有更高的效率，可產(chǎn)生十分可觀的更高發(fā)電量。

如果以一年內(nèi)的月份平均值來看，額外發(fā)電量可多0.6%。在冬季可達(dá)到1.7%(約30kWh/kWp），而在陰雨天單日可高達(dá)8%(約0.17kWh/kWp）。

2008～2009年部分月份的每月額外發(fā)電量如2所示，4月是一個(gè)發(fā)電量超過平均值的月份，多產(chǎn)生0.2%的電量，約170 kWh/kWp。

六 MIXTM系統(tǒng)與主－副逆變?cè)淼谋容^

圖2 2008～2009年部分月份的每月額外發(fā)電量

當(dāng)兩個(gè)逆變器使用主－副逆變?cè)磉\(yùn)行時(shí)，在部分負(fù)載情況下與使用Fronius MIXTM系統(tǒng)的逆變器相比，所發(fā)電量是相等的。但是，F(xiàn)ronius MIXTM系統(tǒng)區(qū)別于主－副原理的兩個(gè)重要方面為:

1 主逆變器不固定

如果采用主－副逆變?cè)恚髂孀兤鞴潭槠渲幸粋€(gè)逆變器。因此，主逆變器的運(yùn)行時(shí)間是100%。夏季，副逆變器運(yùn)行時(shí)間約為44%，而到冬季則降至14%，年平均運(yùn)行時(shí)間約為29%。采用Fronius MIXTM系統(tǒng)，在各個(gè)功率模塊之間，運(yùn)行時(shí)間均衡分配。在全年中，平均每個(gè)功率模塊都只占總運(yùn)行時(shí)間的66%。

2 系統(tǒng)故障時(shí)的保護(hù)

在主－副逆變?cè)硐到y(tǒng)中，如果主逆變器發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)就停止運(yùn)行。因?yàn)橹挥兄髂孀兤鞴ぷ鲿r(shí)，副逆變器才能運(yùn)行。然而，在MIXTM系統(tǒng)中，如果一個(gè)功率模塊發(fā)生故障，另外一個(gè)功率模塊就會(huì)替代其運(yùn)行。所以，僅當(dāng)光照強(qiáng)度較高時(shí)，才會(huì)有能量損失。當(dāng)然這種損失也是有限的。

七 采用Fronius MIXTM系統(tǒng)的 Fronius 逆變器

采用Fronius MIXTM系統(tǒng)的Fronius逆變器為:Fronius IG 40 and 60(2 個(gè)功率模塊)、Fronius IG Plus 70, 100(2個(gè)功率模塊)、Fronius IG Plus 120,150(3個(gè)功率模塊)、Fronius CL 36.0 (9個(gè)功率模塊，3個(gè)一組)、Fronius CL 48.0(12個(gè)功率模塊，3個(gè)一組)及Fronius CL 60.0(15個(gè)功率模塊，3個(gè)一組)。