集散式逆变器应用及设计方案

摘要：近几年我国光伏发电飞速发展，新增光伏装机容量世界第一，累计光伏装机容量世界前二。同时我国西北部光伏装机已基本饱和，开始向东部和南部发展。本文就上海电力设计院在云南的光伏设计项目，结合当地山地的情况提出了集散式逆变器配置方案，对集散式逆变器的应用提出了几点看法。

关键词：光伏场；逆变器；集散式

1采用集散式逆变器方案的缘由

近几年我国光伏发电飞速发展，新增光伏装机容量连续三年世界第一，累计光伏装机容量世界前二，并有望在今年或明年成为世界第一。同时我国西北部光伏装机已基本饱和，受到当地电网负荷较小和输出线路容量增长相对缓慢等的约束，我国西北部光伏的发展速度开始大大减慢。2013年以后，我国光伏开始逐渐向东部和南部发展。首先，东部和南部当地电网负荷较大，光伏所发电量更易消化，限制发电的可能性较小。其次，东部和南部距离用电负荷中心较近，光伏输出线路建设更方便。但东部和南部受到土地资源的约束，如很多土地已经开发利用，可成片/大片开发的土地基本不存在，同时还需考虑避让耕地/林地等，造成光伏场选址困难。上海电力设计院在云南的光伏设计项目也受到上述土地资源的约束，只能在丘陵山地中挑选较平整较大的地块来布置光伏场。集中式逆变方案是大型光伏地面电站普遍采用的技术方案，系统技术相对成熟，电站可靠性较高，投资性价比高。但在丘陵山地中，由于各光伏组件朝向和倾角不统一，存在单机功率过大与光伏组件MPPT失配造成的发电量损失的矛盾。针对此种情况，考虑采用集散式逆变器，将逆变器MPPT功能下放至汇流箱，可将每MW光伏MPPT数量由集中式的2个提高到48个，可以很好地解决逆变器单机大功率化与光伏电池组件并联MPPT失配损失之间的矛盾。

2集散式逆变器的优势

在传统的集中式MPPT优化方案中，每500kW逆变器仅对应1路MPPT优化单元，因此将因灰尘遮挡、阴影遮挡、组件劣化等造成不同特性的组件直接并联在一起，会导致无法保证每个组件的最大出力，也就是说将存在非常明显的组件匹配损失。这种现象在丘陵山地地区，当无法保证朝向和倾角一致时，发电量的损失将会更加明显。采用小功率的组串式光伏逆变器理论上可以很好地解决光伏组件MPPT的失配造成的发电量损失，但却存在轻载情况下转换效率变差，以及轻载情况下的并网电能质量劣化的问题，甚至出现其它一些并网及后期运维等问题，系统成本造价相比集中逆变系统也会提高。因此目前组串型光伏逆变器一般应用于并网规模较小的光伏发电系统中。而集散式逆变器方案，每22kW对应一路MPPT优化单元，1MW具备48路独立的MPPT优化单元，可最大限度地减少因灰尘遮挡、阴影遮挡、组件劣化等不同特性而导致的组件失配带来的发电量损失。在一致性较好的大型地面电站，系统发电量将有2%～3％的发电量提升，而在山地、屋顶等复杂运行环境中发电量将有3%～5％的提升。同时集散式逆变器方案与传统典型的大型并网光伏电站的设计方案（集中式逆变器）基本兼容，施工简单、快捷，运行人员也不需重新适应新的运行维护方式。集中式逆变器采用一台1MW逆变器，也继承了集中式逆变器高可靠性、易于维护和管理等优点。集中式逆变器的输入电压范围更宽，可更大限度地利用光能，工作电压范围将从传统集中式逆变器的450VDC～820VDC，拓宽到300VDC～820VDC左右。光伏电池板通过MPPT方阵功率优化器后，电压被调节成稳定的直流高压（800VDC左右），从而使得其工作电压范围被显著提升，高于280VDC的电压都将可以被有效利用,从而有效利用了早晚以及弱光下的能量。集散式逆变器方案可以节省输入/输出电缆成本。集散式逆变方案将输入直流电压由传统的600VDC左右的直流电压提升到稳定的800VDC左右，同等功率下电流下降25％，因此输入直流电缆的截面可以降低，从而节省电缆购买费用。同样对于交流输出而言，集散式逆变方案的交流输出电压也由传统的315VAC电压提升到500VAC左右，同等功率下电流下降37％，因此输出交流电缆的的截面可以降低，从而节省电缆购买费用。此外，集散式逆变器集成直流输入配电柜功能，可以减少采购直流配电柜费用，进一步降低工程造价。

3集散式逆变器的劣势

集散式逆变器也有着一些劣势。首先，集散式逆变器使用的是单机1MW，单台逆变器发生故障对发电量影响增大。其次，集散式逆变器将MPPT功能下放至直流汇流箱，当电网下达有功功率调度命令时，控制中心由逆变器转变为直流汇流箱，直流汇流箱的响应速度、直流汇流箱之间的配合以及可靠性尚需一段时间运行验证。再次，集散式逆变器方案的直流汇流箱功能更多，相应的对通信线缆的可靠性要求更高。如果遇到距离较远或干扰较强的场所，通信线缆需改用光缆，相关的工程费用需要增加。最后，集散式逆变器运行业绩和生产厂家较少，大规模应用集散式逆变器时，低电压穿越/零电压穿越等性能能否满足电网要求尚未经过较长时间运行检验。

4集散式逆变器的配置方案

以上海电力设计院在云南丘北的光伏设计项目为例，项目场址位于丘陵山地，现场地形起伏多变。运用集散式逆变器方案，可以很好地解决光伏组件MPPT的失配造成的发电量损失，有效的提升发电量。在本项目中，设计院采用了10MW的集散式逆变器方案，配置了10台1MW集散式逆变器、110台16进1出的直流防雷智能汇流控制箱以及10台1100kVA箱式变压器。集散式逆变器和直流防雷智能汇流控制箱配套提供，10MW分为两部分，各为5MW，分别采用无锡上能和深圳禾望公司产品。箱式变压器采用上海一电集团有限公司的产品。光伏组件首先通过光伏专用电缆接入至直流防雷智能汇流控制箱。每个直流防雷智能汇流控制箱可以接入16路光伏组串。直流防雷智能汇流控制箱汇总光伏所发电能后，将电压稳定在直流800V左右以一路输出至1MW集散式逆变器。每个1MW集散式逆变器可接入11台直流防雷智能汇流控制箱所汇集的直流电能，同时将直流电能逆变为500V左右的交流电能。逆变器再通过电缆将交流电能传送给就地升压箱变，就地升压箱变将电压抬升到35kV后，通过35kV电缆接入当地电网并网发电。逆变器箱房布置见图1。

5集散式逆变器的应用前景

集散式逆变器属于新技术流派，它是逆变器行业中一个新的概念、新的发展方向，也是一个新的可供业主选择的方案，其每MW光伏单元MPPT跟踪路数也远大于集中式逆变方案，适合于大型屋顶分布式光伏、复杂地形地面光伏项目，能有效提高这类光伏项目的发电量。同时结合我国目前光伏发展状况，在丘陵山地这类的复杂地形上建设光伏电站的情况将越来越多，可预见集散式逆变器的市场前景光明，将有越来越多的工程采用此种逆变器。

参考文献：

[1]建筑工程技术和设计.2015年：光伏逆变器选型的探讨.

[2]电气技术，2015年6期：禾望集散式逆变器系统正式亮相上海SNEC第九届光伏展.

[3]2015第四届分布式发电与微电网技术大会：集散式逆变器及其系统设计应用.

[4]李正明，周建伟，张国松.增强型准Z源逆变器的设计和验证[J].电子技术应用，2017(05).

作者：邓宇 单位：上海电力设计院