（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 成都 610072）
摘要：本文针对在光伏电站建设时应用的集中式逆变器、组串式逆变器及集散式逆变器三种方案从技术特性入手，通过投资成本、建设工期、和征地规模、发电量以及后期运行和维护成本等方面进行比较，论证三种类型的逆变器方案的最佳适用场合，为不同地区光伏电站的逆变器选型提高参考。
关键词：光伏电站；逆变器；选型；MPPT
1 引言
逆变器是光伏发电系统的关键设备，作用是将直流电转换成交流电[1]。逆变器的选择对于提高系统的效率、可靠性，提高系统的寿命、降低成本至关重要。目前国内的大型光伏电站大多采用集中式逆变器，主要由于设备价格较低，技术方案成熟，有利于降低投资和运营成本。近两年随着组串式逆变器成本的下降，组串式逆变器以其在山地光伏、农光互补方面的独特优势，在国内开始得到广泛应用。集散式逆变器将前两种类型逆变器部分优点进行综合，最近在国内已经有设备厂家推出，但建成的光伏应用案例不多。本文将在逆变器结构、维护性、运营维护、建设成本等方面对三种逆变器方案进行综合对比，提出各种类型的逆变器的适用场合。
2 三种逆变器技术方案分析
目前应用于光伏电站的逆变器主要有三种类型，集中式、组串式和集散式[2]。其中集中式逆变器方案包含有直流汇流箱、直流配电柜、集中式逆变器及升压箱式变压器，结构如图1（a）所示。集中式逆变器设备功率在50KW到1000KW之间，功率器件采用大电流IGBT，系统拓扑结构采用DC-AC一级电力电子器件变换全桥逆变，工频隔离变压器的方式，防护等级一般为IP20。体积较大，室内立式安装。光伏阵列容量大多为1MW，采用两台500kW逆变器并联，每台逆变器一回MPPT，500kW所接组串一般约180串，由于不同光伏组串的输出电压往往不完全匹配（特别是光伏组串因多云、树荫、污渍等原因被部分遮挡时），MPPT跟踪效率较低，导致逆变的效率降低，发电量的下降。集中式逆变器前些年由于造价较低，技术成熟，目前已建成的大型地面光伏电站大多采用集中式逆变器，适用于日照均匀的大型厂房、荒漠电站、地面电站等大型光伏发电系统。
组串式逆变器方案主要设备有组串式逆变器、交流汇流箱和箱式变压器，结构如图1（b）所示。组串式逆变器设备功率3kW至60KW，功率开关管采用小电流的MOSFET，拓扑结构采用DC-DC-BOOST升压和DC-AC全桥逆变两级电力电子器件变换，防护等级一般为IP65。体积较小，可室外臂挂式安装。采用组串式逆变器光伏阵列容量配置较灵活。组串式逆变器逆变器MPPT数量一般有2~3回，由于逆变器容量较小，按500kW容量折算，MPPT数量为集中式30倍以上，可根据组件布置、日照、组串模块差异进行优化调节，从而增加了发电量。组串式逆变器在相比集中式起步稍晚，随着分布式光伏电站的不断推广，组串式逆变器的优势逐步体现。主要适用于中小型屋顶光伏发电系统、小型地面电站、山地光伏、农光互补等新型光伏发电形式。
集散式逆变器方案配置有带MPPT功能的直流汇流箱、直流配电柜、集中式逆变器和箱式变压器。采用集散式逆变器容量通常为1MW。集散式逆变器优势是结合了组串式和集中式逆变器的优点，直流汇流箱带MPPT功能，大大增加了MPPT数量，有效解决了因灰尘遮挡、阴影遮挡、组件劣化、倾角差异等组件失配带来的发电损失。同时1MW逆变器提升了直流输入电压、交流输出电压等级，并采用多种节能降耗理念，在提升发电效率的同时显著降低系统投资成本。同时在输出电能质量和并网性能方面，避免组串式逆变器的多机并联带来的谐波劣化，甚至与电网谐振的问题。集散式逆变器在近两年推出，目前应用较少，适用与大型地面光伏电站和部分山地光伏。
现以1MW光伏阵列为例，分析三种逆变器的技术方案如表1所示：
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2 三种逆变器投资收益分析
2.1设备投资成本对比
三种方案初始投资对比（包含逆变器、箱变、汇流箱、土建、安装和设备采购对比）
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从表2可以看出三种方案，集中式逆变器方案投资成本稍低，相比组串式逆变器可节省部分交流电缆。组串式逆变器相比集中式逆变器主要可节省直流汇流柜和逆变器房的土建费用。集散式逆变器在三种逆变器投资成本适中，主要是由于相比集中式逆变器带MPPT的智能汇流箱的成本较高。但从总体来说三种方案投资成本差异不大，单位kW投资均在900元左右。
2.2 征地和工期对比
组串式逆变器相比集中式和集散式逆变器方案，减少了逆变器室、直流汇流柜、通信柜（代替的是直挂式的通讯箱）。集中式和集散式的1MW的逆变器房占地约为30m2，组串式逆变器没有逆变器室，可减少永久征地的土地占用，减少土建工程，可节省工期，缩短施工时间。
2.3 发电量的对比分析
（1）组串式和集散式逆变器相比集中式启动电压更低，与直流输入电压的匹配性好，发电量更高[3]
目前集中式逆变器启动电压为520V，MPPT电压范围在500~850V；40kW组串式逆变器，启动电压300V，MPPT电压范围280V~950V；集散式逆变器MPPT功能主要在直流汇流箱中实现，以24kW智能汇流箱为例，MPPT电压范围为280V~820V，输出电压范围为720V~880V。组串式和集散式逆变器，启动电压低，跟踪精度高，能够更好的发挥出组件的最大功率特性。在弱光条件下和有局部遮挡情况下，实现高效率发电，从而获得更大的经济效益。
（2）MPPT路数和逆变器效率比较
根据目前主流设备厂家资料：组串式逆变器欧洲效率为98%，最大效率98.3%；集中式逆变器欧洲效率为98.5%，最大效率为98.7%；集散式逆变器欧洲效率98.7%，最大效率为99%。相比集中式和集散式逆变器，组串式逆变器的效率较低，但每个组串式逆变器有2~3路MPPT。实际发电中，光伏组件由于灰尘遮挡、阴影遮挡、组件裂化、倾角差异等组件失配问题不可避免，每个组件的I-V曲线难保持一致，多路MPPT可保持每个组件独立MPPT寻优功能。多路MPPT可弥补组串式逆变器效率较低造成的损失。集散式逆变器综合了组串式和集中式的优点，因此既能保持多路MPPT寻优，同时逆变器效率也很高。综合比较，组串式和集中式逆变器发电量相当，在沙尘较大的荒漠光伏和地形复杂的山地光伏，组串式相比集中式发电量稍高，而地形平整、光照均匀、污染较低地面大型光伏电站，集中式发电量相比组串式稍高，而集散式逆变器相比两者均可提高2%左右。
（3）电缆损耗
组串式逆变器相比集中式，由于单机较小，布置灵活，交流侧电压较高，可适当减少线损；集散式逆变器的母线电压更高，相对逆变器的电缆损耗更小。综合比较，电缆损耗组串式和集散式相比集中式较低。
2.4 运营和维护成本分析
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集中式和集散式逆变器采用模块化维护设计，控制系统、散热风机、功率模块等均采用模块化设计，故障后需要厂家专业的售后服务人员到故障逆变器处定位故障。一般售后人员到电站根据电站距离市区的远近程度需3~10天不等，故障后发电量影响较大。组串式逆变器和集散式的智能汇流箱采用直接更换的维护方式，经现场故障定位后，远程与逆变器厂家沟通确认后，电站运维人员可自行更换逆变器或智能汇流箱，更换速度很快，故障后发电量影响小。由于组串式逆变器和集散式智能汇流箱数量众多，每年按照1%的故障率，组串式逆变器和集散式汇流箱在损坏后，通常采用整机更换的措施；而集中式和集散式逆变器通常只需要更换故障模块。因此集中式逆变器维护费用最低，集散式逆变器方案主要包换逆变器本身和智能汇流箱两个部分，设备维护费用比组串式逆变器稍低。组串式逆变器由于逆变器价格昂贵且数量众多，后期维护费用最高。具体的运营维护对比详见表3。
综上所述，经过以上从投资成本、建设工期和征地、发电量和运营维护成本分析，集中式逆变器投资成本和后期维护费用最低。组串式逆变器征地最少和建设工期最短，由于MPPT路数的增加，在灰尘遮挡、阴影遮挡、组件裂化、倾角差异等组件失配情况下，发电量比集中式逆变器有所提升，但投资成本和后期维护成本最高。集散式方案，投资成本和后期运营成本都介于集中式和组串式逆变器之间，发电量特性组串式逆变器特性相仿，能提高在组件失配时发电量，在三者中发电效率最高。
3 结论
综合比较三种逆变器方案，集中式逆变器技术成熟，投资成本低，目前仍然是大型地面电站的最佳解决方案。大型地面电站一般处于地广人稀的沙漠、戈壁地带，组件布局朝向一致，极少出现局部遮挡；并网逆变器输出功率较高，可靠性好，设备运行维护快捷方便，电网适应性强，适用于平地光伏电站。
组串式逆变器，目前广泛应用于分布式电站、山地光伏电站和农光互补光伏电站。此类电站或分布式发电系统受屋顶角度、建筑物阴影、树木阴影、地势起伏引起的倾角差异等原因的影响，采用多路MPPT功能的逆变器可解决组件与逆变器的失配问题，能提高在阴影遮挡和弱光下的发电效率。因此在组串式逆变器在分布式光伏和山地光伏等场合有其独特的优势。
集散式逆变器，结合了集中式逆变器和组串式逆变器的优点。相比集中式逆变器具有多路MPPT的特性，相比组串式逆变器，具有逆变效率高的特性。但仍不能克服加入智能汇流箱后带来的后期维护成本增加和同样需要建设逆变器房的问题。但集散式逆变器的方案，在沙尘污染严重的荒漠电站相比集中式逆变器具有更高的发电效率，以及在山地光伏相比组串式逆变器具备更低的系统损耗和更高的电能质量。随着，集散式逆变器的不断推广和应用，它将在污染严重、沙尘大的地面电站和山地光伏成为前两种逆变器的有力竞争。
参考文献：
[1] 冯垛生，张淼，赵慧 . 太阳能发电技术与应用 [M]. 北京：人民邮电出版社，2009，45－50.
[2]尹璐，赵争鸣. 光伏并网技术与市场——现状与发展[J]. 变频器世界，2008，10：34+36-40.
[3]王亮. 组串式逆变器在大型并网电站中应用的经济可行性[J]. 有色冶金节能，2014，03：56-58.
作者简介：
熊涛（1977-），男，四川人，高级工程师，从事新能源电气设计。
吴迪（1989-），男，四川人，工程师，从事新能源电气设计。
周少平（1985-），男，浙江人，工程师，从事新能源电气设计。
论文作者:熊涛,吴迪,周少平
论文发表刊物:《电力设备》2015年8期供稿
论文发表时间:2016/3/10
标签：逆变器论文; 集中式论文; 光伏论文; 电站论文; 发电量论文; 成本论文; 方案论文; 《电力设备》2015年8期供稿论文;