组串式逆变器在大型并网电站中应用的经济可行性

王 亮

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

组串式逆变器在大型并网电站中应用的经济可行性

王 亮

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

逆变器是光伏电站的核心设备，它的选用对投资收益有重要的影响。本文通过对比组串式和集中式逆变器系统在投资成本、发电收益和维修成本上的差异，得出组串式逆变器在大型光伏电站中应用更具有经济可行性的结论。

太阳能； 组串式逆变器； 集中式逆变器系统； 经济可行性

太阳能不仅是储量最丰富且可以持续利用的能源，而且其无污染，是解决环境问题和能源危机的必由之路。根据预测，太阳能发电在本世纪中叶会逐步成为能源结构的主体[1]。中国出台光伏发电上网电价政策并调高“十二五”光伏发电发展目标，使光伏发电在未来能源供应中占有一席之地。对光伏发电进行技术经济分析及发展趋势研判，有利于促进光伏发电合理健康发展。截至2013年年底，中国并网光伏发电装机容量达到近14.79 GW[2]。“提高效率，降低成本”是光伏电站的未来之路。逆变器是光伏发电系统的关键配件，逆变器作用是将直流电转换成交流电。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。目前国内的大型地面电站几乎全部采用集中式逆变器，主要原因是其设备价格较低，有助于降低投资成本。然而电站运营后，运营商会发现集中式逆变器在提高发电量方面存在很多弊端，在运营成本上也不具有优势，不利于实现光伏电站的全寿命周期价值最大化。

1 国内光伏并网逆变器的应用情况及存在的问题

光伏并网逆变器主要包括集中式逆变器、组串式逆变器、微型逆变器等。集中式逆变器功率范围从100～1 000 kW; 组串式逆变器功率范围从3～50 kW;微型逆变器功率范围从200～500 W。在国内，组串式逆变器和微型逆变器主要应用于分布式光伏电站。集中式并网逆变器主要应用于大型光伏电站，是目前国内光伏逆变器市场的主流产品，占据着主导地位。但随着技术日趋成熟和商业化应用的不断发展，集中式并网发电系统存在的问题也逐渐引起了关注：

(1)可靠性低。集中式并网发电系统中，逆变器是整个系统中的关键环节也是薄弱环节，单台逆变器的故障会导致整个系统的崩溃。

(2)MPPT跟踪效率低。虽然大多数集中式逆变器生产厂商宣称跟踪效率可以达到98.7%，事实上，由于其MPPT跟踪针对的是整个光伏阵列，无法兼顾到每块光伏组件，由于组串间模块差异、局部遮挡等因素引起的功率损失是十分可观的。

(3)系统可扩展性差。集中式系统的特点决定了其系统可扩展性较差。

相比之下，组串式逆变器能更好的与光伏组件匹配，有助于提高发电量和降低运营成本。近年来组串式逆变器价格的大幅下降使其在大型光伏电站的应用具有经济可行性，有利于实现电站投资价值最大化。

2 组串式和集中式逆变器系统的投资和收益对比

2.1 组串式逆变器系统节省土地和工期

采用组串式逆变器将会减少逆变器室、汇流箱、直流柜、交流配电箱、通讯柜等设备；增加部分为逆变器的购置费的价差等。从表1可以看出：1 MW阵列采用组串式逆变器系统比集中式减少投资2.5万元。集中式逆变器系统平均每个逆变器室占地约1亩。由于没有逆变器室，可以减少土地占用。逆变室土建工程的工期大约为30天，由于没有逆变器室土建工程和汇流箱、直流柜等安装工程，将减少大量的施工时间，节省工期。

2.2 组串式逆变器的发电收益高

(1)启动电压低，与直流输入电压的匹配性好，发电量高。例如：某品牌500 kW逆变器的启动电压为520 V,MPPT电压范围为500～850 V；同品牌30 kW逆变器的启动电压为300 V,MPPT电压范围为280～950 V。可以看出：组串式逆变器较集中式并网逆变器的启动低压低，电压跟踪范围宽，能够更好的发挥出组件最大功率的特性，在弱光和强光的情况下均能实现高效率发电，从而获得更大的发电量。

(2)组串匹配性好。一般来说，小功率逆变器的效率较低，特别是与集中式并网逆变器比较。组串式逆变器的欧洲效率一般在98%左右，大型并网逆变器的欧洲效率在98.5%左右。0.5%的差距可以通过提高组串的不匹配性来弥补。500 kW逆变器只有1个MPPT;30 kW逆变器有2个MPPT。500 kW的阵列需要安装约16台30 kW的逆变器，可以获得32个MPPT。多MPPT可以有效的减少组串匹配损失，带来额外高的发电量收益。集中式并网逆变器系统组串匹配损失在6%左右，组串式逆变器系统组串匹配损失在3%左右。采用组串式逆变器可以减少组串匹配损失，提高发电量。

表1 1 MW阵列集中式和组串式投资逆变器系统投资费用差异对比表 单位：万元

注：土地按照划拨方式取得计算，土地补偿和场地平整费按5 000元/亩计算；逆变器采购费分别按照市场上某品牌集中式500 kW和组串式30 kW产品售价计算。

(3)更适应组件衰减不一致的现象。由于晶硅体组件衰减情况不一致，少量组件衰减较严重，5年左右系统的不一致性将可能达到8%～10%。如果采用集中式逆变器方案，其发电量将严重损失；采用组串式逆变器能将少量衰减严重的组件对系统的影响控制在较小的范围内，减少发电量的损失。

(4)减少了汇流箱和直流柜，组串直接连接到逆变器，直流回路的线损减少，有利于提高发电量。组串式逆变器系统的低压电缆的电量损失只有集中式的40%。

(5)适应了光伏组件单体功率不断增长的趋势，便于更换组件，实现系统升级，高效发电。在组件发生故障时，可小范围内实现更换高效组件，使其高效发电。常用规格多晶硅组件功率从2009年的230 Wp增长到现在的255 Wp。由于组串的“木桶效应”，更换单个235 Wp组件为255 Wp组件时，新组件的功率受旧组件限制，必须更换500 kW逆变器下的所有组件为新组件才能实现系统高效发电。30 kW逆变器通常含有两个MMP,只需要更换15 kW的组件，就能实现新组件高效发电。因此，采用组串式逆变器在系统扩展方面具有优势，有利于系统高效发电。

2.3 组串式逆变器的运营成本低

(1)集中式逆变器的功率密度高，对散热系统的要求高，故障率相对高；组串式逆变器的功率密度低，故障率较低。此外，没有故障率较高的汇流箱，以及直流柜、通讯柜等设备，减少了故障环节，使系统的可靠性大大提高。因此，组串式逆变器系统的故障率会大大降低，减少了维修和设备更换成本。

(2)减少光伏电站故障发生面积。大型集中式逆变器一般单体容量大，比如：1台500 kW逆变器发生故障，则造成500 kW的系统停止发电，造成大的损失。但是，采用组串式逆变器后，如果1台30 kW逆变器发生故障，则仅仅只有30 kW的系统停止发电，对于发电企业来说，损失较小，从而保证了系统整体的发电量。

(3)不需要强制排风设备，并且自耗电量低，减少电费支出。

(4)组串式逆变器发生故障时，维修都相对容易，对维修人员的技能要求低，能迅速处理故障。通常更换组串式逆变器仅需要2 h左右。集中式逆变器需要专业维修人员维修，部分配件需要制造厂商供应。集中式逆变器维修通常需要2～10天，单台设备停运对系统发电量影响大。

3 组串式逆变器系统的经济可行性分析

实际投入运行的集中式逆变器系统的系统效率在79%左右；组串式逆变器系统的系统效率在82%左右，相差3%[3]。假设我国西部某采用集中式逆变器的10 MW光伏电站年发电量为1 400万kW·h,如选用组串式逆变器可年多发电53万kW·h。按照电价0.9元/kW·h计，每年增加收入约47.7万元，运营期25年可增加收入1 192.5万元。根据测算，按照8.76元/W的建设成本，贷款70%,贷款利率6.55%,Ⅱ类地区年发电利用小时数为1 400 h，集中式逆变器系统电站的内部收益率(IRR)为11.24%，组串式逆变器系统电站内部收益率(IRR)为12.54%。采用组串式逆变器可以为投资者提升IRR达1.3个百分点。

4 结论

组串型逆变器构成的逆变系统初期设备投入略高一些，但是从系统成本及长期运营角度看，总成本低，投资回报率高。目前，国内市场中集中型逆变器占了绝大部分市场份额，而从全球市场来看，由于组串式逆变器的诸多优点，组串式逆变器在全球市场占据主导地位。随着国内光伏市场的发展，投资商和运营商对逆变转换效率和发电量及整个逆变系统可靠性的要求会越来越高，考虑电站使用后的投资回报率，组串型逆变器在大型并网电站中的应用将会是趋势。

[1] 王丹.光伏发电系统效率优化问题的研究[D].北京交通大学,2009.

[2] 国家能源局. 2013年全国发电装机平稳较快增长、结构持续优化[EB/OL]. www.nea.gov.cn/2014-02/10/c_133103837.htm.

[3] 罗宇飞，孙韵琳，陈开汉，等.并网光伏发电系统的电气效率研究[C].第12界中国光伏大会暨国际光伏展览会论文(光伏系统及工程、系统部件及并网技术)

Economic Feasibility of String Inverter Applied in Large-scale PV Power Substations

WANG Liang

Inverter is a key device for PV power substations, and the inverter selection has a great impact on investment returns. This paper compares the differences of string inverter and central-inverter system in investment costs, power generating revenue and maintenance costs, and concludes that the string inverter is more economic and feasible than the central inverter when used in large-scale PV power substations.

solar energy; string inverter; central inverter; economic feasibility

2013-03-01

王亮(1974—)，贵州石阡人，大学本科，注册造价工程师，从事费控经理工作。

TK51

A

1008-5122(2014)03-0056-03