集散式逆變器應(yīng)用及設(shè)計(jì)方案探討

鄧宇

（上海電力設(shè)計(jì)院，上海 200025）

集散式逆變器應(yīng)用及設(shè)計(jì)方案探討

鄧宇

（上海電力設(shè)計(jì)院，上海 200025）

近幾年我國(guó)光伏發(fā)電飛速發(fā)展，新增光伏裝機(jī)容量世界第一，累計(jì)光伏裝機(jī)容量世界前二。同時(shí)我國(guó)西北部光伏裝機(jī)已基本飽和，開(kāi)始向東部和南部發(fā)展。本文就上海電力設(shè)計(jì)院在云南的光伏設(shè)計(jì)項(xiàng)目，結(jié)合當(dāng)?shù)厣降氐那闆r提出了集散式逆變器配置方案，對(duì)集散式逆變器的應(yīng)用提出了幾點(diǎn)看法。

光伏場(chǎng)；逆變器；集散式

1 采用集散式逆變器方案的緣由

近幾年我國(guó)光伏發(fā)電飛速發(fā)展，新增光伏裝機(jī)容量連續(xù)三年世界第一，累計(jì)光伏裝機(jī)容量世界前二，并有望在今年或明年成為世界第一。同時(shí)我國(guó)西北部光伏裝機(jī)已基本飽和，受到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)負(fù)荷較小和輸出線路容量增長(zhǎng)相對(duì)緩慢等的約束，我國(guó)西北部光伏的發(fā)展速度開(kāi)始大大減慢。

2013年以后，我國(guó)光伏開(kāi)始逐漸向東部和南部發(fā)展。首先，東部和南部當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)負(fù)荷較大，光伏所發(fā)電量更易消化，限制發(fā)電的可能性較小。其次，東部和南部距離用電負(fù)荷中心較近，光伏輸出線路建設(shè)更方便。但東部和南部受到土地資源的約束，如很多土地已經(jīng)開(kāi)發(fā)利用，可成片/大片開(kāi)發(fā)的土地基本不存在，同時(shí)還需考慮避讓耕地/林地等，造成光伏場(chǎng)選址困難。上海電力設(shè)計(jì)院在云南的光伏設(shè)計(jì)項(xiàng)目也受到上述土地資源的約束，只能在丘陵山地中挑選較平整較大的地塊來(lái)布置光伏場(chǎng)。

集中式逆變方案是大型光伏地面電站普遍采用的技術(shù)方案，系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)成熟，電站可靠性較高，投資性價(jià)比高。但在丘陵山地中，由于各光伏組件朝向和傾角不統(tǒng)一，存在單機(jī)功率過(guò)大與光伏組件MPPT失配造成的發(fā)電量損失的矛盾。針對(duì)此種情況，考慮采用集散式逆變器，將逆變器MPPT功能下放至匯流箱，可將每MW光伏MPPT數(shù)量由集中式的2個(gè)提高到48個(gè)，可以很好地解決逆變器單機(jī)大功率化與光伏電池組件并聯(lián)MPPT失配損失之間的矛盾。

2 集散式逆變器的優(yōu)勢(shì)

在傳統(tǒng)的集中式MPPT優(yōu)化方案中，每500kW逆變器僅對(duì)應(yīng)1路MPPT優(yōu)化單元，因此將因灰塵遮擋、陰影遮擋、組件劣化等造成不同特性的組件直接并聯(lián)在一起，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法保證每個(gè)組件的最大出力，也就是說(shuō)將存在非常明顯的組件匹配損失。這種現(xiàn)象在丘陵山地地區(qū)，當(dāng)無(wú)法保證朝向和傾角一致時(shí)，發(fā)電量的損失將會(huì)更加明顯。采用小功率的組串式光伏逆變器理論上可以很好地解決光伏組件MPPT的失配造成的發(fā)電量損失，但卻存在輕載情況下轉(zhuǎn)換效率變差，以及輕載情況下的并網(wǎng)電能質(zhì)量劣化的問(wèn)題，甚至出現(xiàn)其它一些并網(wǎng)及后期運(yùn)維等問(wèn)題，系統(tǒng)成本造價(jià)相比集中逆變系統(tǒng)也會(huì)提高。因此目前組串型光伏逆變器一般應(yīng)用于并網(wǎng)規(guī)模較小的光伏發(fā)電系統(tǒng)中。而集散式逆變器方案，每22kW對(duì)應(yīng)一路MPPT優(yōu)化單元，1MW具備48路獨(dú)立的MPPT優(yōu)化單元，可最大限度地減少因灰塵遮擋、陰影遮擋、組件劣化等不同特性而導(dǎo)致的組件失配帶來(lái)的發(fā)電量損失。在一致性較好的大型地面電站，系統(tǒng)發(fā)電量將有2%～3%的發(fā)電量提升，而在山地、屋頂?shù)葟?fù)雜運(yùn)行環(huán)境中發(fā)電量將有3%～5%的提升。同時(shí)集散式逆變器方案與傳統(tǒng)典型的大型并網(wǎng)光伏電站的設(shè)計(jì)方案（集中式逆變器）基本兼容，施工簡(jiǎn)單、快捷，運(yùn)行人員也不需重新適應(yīng)新的運(yùn)行維護(hù)方式。

集中式逆變器采用一臺(tái)1MW逆變器，也繼承了集中式逆變器高可靠性、易于維護(hù)和管理等優(yōu)點(diǎn)。集中式逆變器的輸入電壓范圍更寬，可更大限度地利用光能，工作電壓范圍將從傳統(tǒng)集中式逆變器的450VDC～820VDC，拓寬到300VDC～820VDC左右。光伏電池板通過(guò)MPPT方陣功率優(yōu)化器后，電壓被調(diào)節(jié)成穩(wěn)定的直流高壓（800VDC左右），從而使得其工作電壓范圍被顯著提升，高于280VDC的電壓都將可以被有效利用,從而有效利用了早晚以及弱光下的能量。集散式逆變器方案可以節(jié)省輸入/輸出電纜成本。集散式逆變方案將輸入直流電壓由傳統(tǒng)的600VDC左右的直流電壓提升到穩(wěn)定的800VDC左右，同等功率下電流下降25%，因此輸入直流電纜的截面可以降低，從而節(jié)省電纜購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用。同樣對(duì)于交流輸出而言，集散式逆變方案的交流輸出電壓也由傳統(tǒng)的315VAC電壓提升到500VAC左右，同等功率下電流下降37%，因此輸出交流電纜的的截面可以降低，從而節(jié)省電纜購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用。此外，集散式逆變器集成直流輸入配電柜功能，可以減少采購(gòu)直流配電柜費(fèi)用，進(jìn)一步降低工程造價(jià)。

圖1

3 集散式逆變器的劣勢(shì)

集散式逆變器也有著一些劣勢(shì)。

首先，集散式逆變器使用的是單機(jī)1MW，單臺(tái)逆變器發(fā)生故障對(duì)發(fā)電量影響增大。

其次，集散式逆變器將MPPT功能下放至直流匯流箱，當(dāng)電網(wǎng)下達(dá)有功功率調(diào)度命令時(shí)，控制中心由逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鲄R流箱，直流匯流箱的響應(yīng)速度、直流匯流箱之間的配合以及可靠性尚需一段時(shí)間運(yùn)行驗(yàn)證。

再次，集散式逆變器方案的直流匯流箱功能更多，相應(yīng)的對(duì)通信線纜的可靠性要求更高。如果遇到距離較遠(yuǎn)或干擾較強(qiáng)的場(chǎng)所，通信線纜需改用光纜，相關(guān)的工程費(fèi)用需要增加。最后，集散式逆變器運(yùn)行業(yè)績(jī)和生產(chǎn)廠家較少，大規(guī)模應(yīng)用集散式逆變器時(shí)，低電壓穿越/零電壓穿越等性能能否滿足電網(wǎng)要求尚未經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行檢驗(yàn)。

4 集散式逆變器的配置方案

以上海電力設(shè)計(jì)院在云南丘北的光伏設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例，項(xiàng)目場(chǎng)址位于丘陵山地，現(xiàn)場(chǎng)地形起伏多變。運(yùn)用集散式逆變器方案，可以很好地解決光伏組件MPPT的失配造成的發(fā)電量損失，有效的提升發(fā)電量。

在本項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)院采用了10MW的集散式逆變器方案，配置了10臺(tái)1MW集散式逆變器、110臺(tái)16進(jìn)1出的直流防雷智能匯流控制箱以及10臺(tái)1100kVA箱式變壓器。集散式逆變器和直流防雷智能匯流控制箱配套提供，10MW分為兩部分，各為5MW，分別采用無(wú)錫上能和深圳禾望公司產(chǎn)品。箱式變壓器采用上海一電集團(tuán)有限公司的產(chǎn)品。光伏組件首先通過(guò)光伏專用電纜接入至直流防雷智能匯流控制箱。每個(gè)直流防雷智能匯流控制箱可以接入16路光伏組串。直流防雷智能匯流控制箱匯總光伏所發(fā)電能后，將電壓穩(wěn)定在直流800V左右以一路輸出至1MW集散式逆變器。每個(gè)1MW集散式逆變器可接入11臺(tái)直流防雷智能匯流控制箱所匯集的直流電能，同時(shí)將直流電能逆變?yōu)?00V左右的交流電能。逆變器再通過(guò)電纜將交流電能傳送給就地升壓箱變，就地升壓箱變將電壓抬升到35kV后，通過(guò)35kV電纜接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。

逆變器箱房布置見(jiàn)圖1。

5 集散式逆變器的應(yīng)用前景

集散式逆變器屬于新技術(shù)流派，它是逆變器行業(yè)中一個(gè)新的概念、新的發(fā)展方向，也是一個(gè)新的可供業(yè)主選擇的方案，其每MW光伏單元MPPT跟蹤路數(shù)也遠(yuǎn)大于集中式逆變方案，適合于大型屋頂分布式光伏、復(fù)雜地形地面光伏項(xiàng)目，能有效提高這類光伏項(xiàng)目的發(fā)電量。

同時(shí)結(jié)合我國(guó)目前光伏發(fā)展?fàn)顩r，在丘陵山地這類的復(fù)雜地形上建設(shè)光伏電站的情況將越來(lái)越多，可預(yù)見(jiàn)集散式逆變器的市場(chǎng)前景光明，將有越來(lái)越多的工程采用此種逆變器。

[1]建筑工程技術(shù)和設(shè)計(jì). 2015年：光伏逆變器選型的探討.

[2]電氣技術(shù)，2015年6期：禾望集散式逆變器系統(tǒng)正式亮相上海SNEC第九屆光伏展.

[3] 2015第四屆分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)大會(huì)：集散式逆變器及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用.

[4] 李正明，周建偉，張國(guó)松. 增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2017(05).

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