王 偉

（蘭州電力修造有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

太陽能光伏發(fā)電作為具有可持續(xù)發(fā)展特征的可再生能源發(fā)電技術，近年來得到廣泛應用和關注。隨著社會對能源和環(huán)保問題的日益關注，我國政府相繼出臺一系列鼓勵和支持太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策法規(guī)，促進太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，提高光伏發(fā)電技術的應用水平，擴大其應用范圍。光伏獨立型系統(tǒng)中應用的逆變器稱為離網(wǎng)逆變器。與離網(wǎng)光伏逆變器相比，并網(wǎng)光伏逆變器不僅要將光伏組件發(fā)出的直流電轉換為交流電，還要控制交流電的電壓、電流、頻率及相位等，并解決對電網(wǎng)的電磁干擾、自我保護、單獨運行、孤島效應以及最大功率跟蹤等技術問題。隨著技術的不斷進步，并網(wǎng)光伏逆變器的選型和應用也要與時俱進。

1 并網(wǎng)光伏逆變器的應用特點和發(fā)展趨勢

1.1 并網(wǎng)光伏逆變器的應用特點

1.1.1 集中式逆變器

集中式逆變器是將光伏組件產(chǎn)生的直流電匯總成較大的直流功率后再進行逆變。該類逆變器的功率通常較大，單體容量一般在500 kW 以上。它具有輸出功率大、技術成熟、電能質(zhì)量高以及成本低等優(yōu)點，但存在最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）精度較差的缺點。當遇到多云、遮陰或單個組串故障等情況時，將影響整個光伏電站的效率和產(chǎn)能。此外，集中式逆變器系統(tǒng)需要處于具備通風散熱的專用機房。集中式逆變器系統(tǒng)無冗余能力，一旦出現(xiàn)故障，將影響整個系統(tǒng)的可靠性。

1.1.2 組串式逆變器

組串式逆變器是采用模塊化概念，對多個光伏組串分別進行最大功率峰值跟蹤，再經(jīng)過逆變后并入交流電網(wǎng)。這類逆變器的功率相對較小，單體功率通常在100 kW 以下。但隨著技術進步和降本增效的需求日益顯著，其功率逐漸增加到136 kW、175 kW 甚至更高。

組串式逆變器具有MPPT 數(shù)量多、組件配置靈活、便于安裝、跟蹤精度高、發(fā)電量高以及運營維護便捷等優(yōu)點，但也存在發(fā)電質(zhì)量差、成本高等缺點。這類逆變器主要應用于規(guī)模較小的戶用分布式發(fā)電、中小型工商業(yè)屋頂電站等，在集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)中也可以應用。

1.1.3 多組串式逆變器

多組串式逆變器旨在同時獲得組串式逆變器和集中式逆變器的優(yōu)勢。在組串式逆變器的基礎上，多組串式逆變器采用多組串輸入方式，能使與其相關聯(lián)的組串共同參與工作且互不影響，從而發(fā)揮更多作用。

多組串逆變器系統(tǒng)不僅能減少逆變器的數(shù)量，還能將不同額定值、不同朝向、不同傾斜角以及不同陰影遮擋的組串連接在一個共同的逆變器上，確保每個組串都在最大功率點上工作，提高系統(tǒng)的工作效率，增加發(fā)電量。多組串式逆變器的容量一般為10 ～80 kW[1]。

1.1.4 雙向儲能逆變器

雙向儲能逆變器具有離網(wǎng)和并網(wǎng)發(fā)電功能，還能實現(xiàn)電網(wǎng)的雙向流動控制。雙向儲能逆變器可以應用于有電能存儲要求的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，也可以和組串式逆變器結合構成獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.1.5 微網(wǎng)組件式逆變器

微網(wǎng)組件式逆變器對每塊光伏組件進行單獨的最大功率峰值跟蹤，經(jīng)過逆變后并入交流電網(wǎng)。這類逆變器的單體容量一般在1 kW 以下，能夠在遇到遮陰或組件性能差異較大的情況下提高整體效率，最大限度降低安全隱患。其缺點是價格高，出現(xiàn)故障后較難維護。

1.2 逆變器的發(fā)展趨勢

在未來的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，基于云存儲和云計算的電站管理平臺將成為主流[2]。逆變器將擴大與其他設備的連接范圍，增加更多的能源管理功能，如光伏儲能管理、安全管理、自動監(jiān)控預警以及運維管理等。這些平臺將促進光伏電站的數(shù)字化和智能化運營與管理，使整個電站的生產(chǎn)運維變得更加簡單、高效。通過數(shù)字化和智能化的技術，可以實現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)處理和分析，提高電站的效率和可靠性，降低運維成本，并更好地滿足能源需求。

組串式逆變器的功率不斷增大，目前最大功率已經(jīng)達到80 kW。高功率、高效率、高功率密度是逆變器未來發(fā)展的重要趨勢，以適應安裝維護困難的復雜應用環(huán)境。

隨著光伏電站在沿海、高原等惡劣環(huán)境下的應用逐漸增多，逆變器的抗腐蝕、抗風沙等環(huán)境適應性能也不斷提高。同時，隨著技術的發(fā)展，逆變器具備漏電流保護、靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）無功補償、低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）、直流分量保護、絕緣電阻檢測保護、比例- 積分- 微分（Proportional Integral Derivative，PID）保護、防雷保護以及光伏組件正負極接反保護等功能，使光伏系統(tǒng)的運行更加安全可靠。

2 并網(wǎng)光伏逆變器的選型

2.1 依據(jù)光伏發(fā)電工程建設實際情況

在選擇并網(wǎng)光伏逆變器時，主要依據(jù)的是光伏發(fā)電工程建設現(xiàn)場的使用環(huán)境、電站的分布情況、當?shù)氐臍夂驐l件等因素[3]。結合工程建設的實際情況選擇合適的逆變器，不僅可以節(jié)省工程建設成本，簡化安裝條件，縮短安裝時間，還可以有效提高系統(tǒng)發(fā)電效率。

對于沙漠光伏電站等大型光伏電站，集中式并網(wǎng)逆變器一直是主流解決方案[4]。集中式逆變器安裝數(shù)量少，具有更低的初始投資、更友好的電網(wǎng)接入以及更低的后期運行維護成本等特點，便于后期運維管理。組串式逆變器主要應用于分布式光伏電站、與建筑結合的光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，特別是中小型光伏電站[5]。組件式并網(wǎng)逆變器則更適用于幾千瓦以內(nèi)的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，如光伏車棚、光伏玻璃幕墻等。

2.2 依據(jù)不同系統(tǒng)的裝機容量

根據(jù)逆變器的特點，一般8 kW 以下的系統(tǒng)宜選用單相組串式逆變器，8 ～500 kW 的系統(tǒng)可以選用三相組串式逆變器，500 kW 以上的系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況選用組串式逆變器或集中式逆變器。在不同的系統(tǒng)容量下，并網(wǎng)逆變器的選型如表1 所示。

表1 不同容量下系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的選型

3 并網(wǎng)光伏發(fā)電逆變器應用

3.1 選型對比

某70 MW 的地面光伏電站，采用20 kW 組串式逆變系統(tǒng)的初期投入相對略高，但系統(tǒng)成本和長期運營總成本較低，投資回報率高。333 kW 集中式逆變系統(tǒng)的初期硬件投入和長期運營維護費用都適中。500 kW 集中式逆變系統(tǒng)的初期硬件投入費用較少，但系統(tǒng)整體成本和后期維護成本較高。不同逆變系統(tǒng)的性能對比如表2 所示。

表2 不同逆變系統(tǒng)性能對比

3.2 應用分析

3.2.1 系統(tǒng)成本方面

組串式逆變器具有體積小、重量輕等特點，安裝方便，無須專業(yè)工具和設備，不用配備專門的配電室、直流匯流箱或直流配電柜等連接直流線路。

集中式和組串式逆變器光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電方式與設備不同，導致整個發(fā)電系統(tǒng)鋪設的線纜數(shù)量也不同。集中式逆變器要使用直流匯流箱進行一次匯流，而直流匯流箱一般都安裝在光伏方陣旁邊，因此這部分線纜的使用量比組串式逆變器系統(tǒng)要少很多。集中式逆變器系統(tǒng)要從直流匯流箱到直流配電柜進行二次匯流，這部分使用的線纜相對較粗。而組串式逆變器系統(tǒng)無須直流匯流箱和直流配電柜，線路成本相對較低。對于逆變器輸出的交流側線纜，集中式逆變器系統(tǒng)使用的線纜比組串式逆變器系統(tǒng)少。

3.2.2 系統(tǒng)效率方面

目前，集中式和組串式并網(wǎng)逆變器的效率都可以達到98%以上。集中式逆變器系統(tǒng)的光伏方陣需要經(jīng)過2 次匯流才輸入逆變器，其MPPT 系統(tǒng)無法監(jiān)控到每一路光伏組串的運行情況，因此無法確保每一路光伏組串都達到MPPT 狀態(tài)，只能對整個光伏方陣進行跟蹤調(diào)控。相比之下，組串式逆變器將每組或每幾組光伏組串輸入1 臺逆變器，逆變器單獨對輸入的光伏組串進行MPPT，使每組或每幾組串產(chǎn)生最多的電量。組串之間獨立工作，即使某一組串因故障斷開，其他組串也不受影響繼續(xù)正常發(fā)電，從而實現(xiàn)整個發(fā)電系統(tǒng)最大化的能量輸出。

3.2.3 系統(tǒng)運行特性方面

不同類型的并網(wǎng)逆變器會對系統(tǒng)運行性能產(chǎn)生不同的效果。集中式逆變器系統(tǒng)不具備冗余能力，一旦出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)都將停止發(fā)電。而組串式逆變器系統(tǒng)具有冗余運行能力，當個別逆變器發(fā)生故障時，整個系統(tǒng)不受其影響，依然可以正常發(fā)電。此外，集中式逆變器系統(tǒng)可集中并網(wǎng)，便于運行管理；組串式逆變器系統(tǒng)則是分散就近并網(wǎng)，系統(tǒng)損耗小。

4 結 論

逆變器作為太陽能光伏發(fā)電的核心設備，通過合理的選型，可以有效提高能源利用效率，平衡供需關系，提高電網(wǎng)可靠性，穩(wěn)定電力系統(tǒng)，同時節(jié)約系統(tǒng)成本。隨著逆變器技術的不斷發(fā)展，逆變器應用研究將進一步推動能源轉型和可持續(xù)發(fā)展。