浅谈大型光伏电站中集中式与组串式逆变器的选择

广东水电二局股份有限公司 任 斌

为保证大型光伏电站在发电和运行过程中的安全稳定，需配备相应的光伏发电模块，保持发电系统在基于效率、强度等关键核心要素定义下的运行状态控制。在大型的光伏电站系统运行过程中，基于系统设计的电流和电压的自动调节是系统稳定的重要支撑，尤其是在稳定性方面及节能降耗方面更有较强的技术和效率优势。在光伏电站使用的逆变系统中，技术人员可实现稳定的功率输出，合理控制光伏电站系统的发电和运行。

1 地面光伏电站关键设备分析

1.1 光伏组件

光伏组件串联数量由逆变器额定容量决定。系列光伏模块的数量公式如下：

Vmpptmin/Vpm×[1+(t'-25)×kV'] ≤ Vmpptmax/Vpm×[1+(t-25)×kV']，N ≤ Vdcmax/Voc×[1+(t-25)×kV]。

kV 为-0.0035、是光伏组件的开路电压温度系数；kV'为-0.0045、是光伏组件的工作电压温度系数；N为光伏组件的串联数（N 取整数）；T 为-10、是光伏组件工作条件下的极端低温（℃）；t'为40、是光伏组件工作条件下的极端高温（℃）；Vdcmax 为1000、是逆变器允许的最大直流输入电压（V）；Vmpptmax 为800、是逆变器MPPT 电压最大值（V）；Vmpptmin 为500、是逆变器MPPT 电压最小值（V）；Voc 为45.2、是光伏组件的开路电压（V）；Vpm 为36.3、是光伏组件的工作电压（V）；系数10.9325、系数21.1575、系数31.1225，计算1:14.7711578≤N ≤19.0397991；计算2: N ≤19.7094822。

1MW 集中式光伏发电机组选用325W 光伏组件，选用两台500kW 集中式逆变器作为逆变器，因此串联的光伏组件数为13≤n ≤22。根据现场气候、光伏组件温度校正参数和逆变器的最佳输入电压，串联的光伏组件数量为18个。串联各部分额定功率为5850W。1MW 系列光伏发电机组选用325W 系列光伏组件和50kW 系列逆变器，串联的光伏组件数量为20个。

1.2 并网逆变器

集中式逆变器的主要产品是500kW，使用单个MPPT（最大功率点跟踪）。最大功率MPPT 的电压范围较窄，一般为450～820V。光伏组件的屏蔽和衰减以及不同组件间距引起的串联电压差将影响整个光伏电站的发电效率[1]。集中式逆变器采用强制冷却方式，保证设备温度在允许范围内工作，谐波分量少、电能质量高、数量少，便于管理。主要用于日照均匀的大型光伏电站和沙漠电站。系统的总功率很大，通常高于兆瓦级。并网光伏逆变器的基本特点是并网设备集成了交流电流的转换。逆变系统为并网发电提供必要的能量，将直流电源转换为交流电源，实现可持续、清洁的并网发电目标。在实施光伏并网发电时应能实现高质量运行，达到既定的效率和效果，尤其是安全运行方面。

近年来光伏发电领域的技术日新月异，小型并网发电装置、系列光伏逆变器、集中式光伏逆变器和微电网光伏逆变器应运而生。在功率转换过程中，系统的直流功率通过晶体管进行转换，开展面向交流功率转换方面的运行设计[2]，实现转换的目标。一旦在发电系统出现非正常的情况和运行障碍，依靠逆变器的安全设计可实现安全运行，保障系统维持正常可持续的运转。

2 并网逆变器的功能、分类及优点

2.1 并网逆变器的构成和功能

在逆变器的功率转换部分，利用功率晶体管直流的频繁切换，实现交流电。在其组成上，电子电路是组成控制装置的核心部件，同是也是保护装置的核心组成部件。在功能方面，控制装置是就功率转换进行调控和管理，保护装置就是发生运行非正常状态下的保护设计。

关于逆变器的功能可进一步总结为：特殊环境下的高效正常运行；光伏组件的输出功率受日照强度、负荷变化和环境温度的影响较大。因此无论光伏组件的输出电压和电流如何随温度变化和日照强度变化而变化[3]；保障电网的可靠安全运行，为安全高效运行提供支撑。支撑系统的关键是输出部分的内容，就是通过正弦波电流的调节满足电网设计和运行的目标需要，在可接受的范围内实现均衡状态的调节和控制；面相电压合理控制范围的需要，通过电压自动调节将电压控制在合理的范围之内。

2.2 并网逆变器的分类

2.2.1 集中式并网逆变器

所有光伏阵列均由一系列组成，每个光伏阵列包含相等数量的设计模块，模块采用的联结方式是并联，通过光伏阵列实现供电目的，尤其是在集中式逆变器方面更是如此。当前的国内情况下，国内生产的逆变器设计的功率一般在50～1000kW 范围内，通过三相方面的输出，通过单点进行电网的连接和进入[4]。

集中式逆变器具有以下优点：需将电子元件和设备安装在同一设备中，在一定程度上提高了逆变器的功率容量，且降低了机械部分和辅助控制电路的成本；变频器通过模块化的相关设计和构造，一旦其中部分产生运行障碍或设备问题时，系统仍然可以保持运行，不会因为局部的障碍影响整体的输出和运行，解决了局部问题影响最低化的设计；具有在低压状况下的可持续运行维持，一旦出现电压的瞬时降低，处于额定工作电流模式时、也就是输出电压在一种低压状态运行时，仍可保持电网的供电和电力运行状态，使得电力供应一直处于一种相对稳定的状态下；能够在恶劣环境下对运行设备和设施进行保全，是设备正常运转的护身符和保驾装置，且由于其中的核心部件不多，在进行后期维护和维修中更加容易简便。

但集中式逆变器也有比较显著的缺陷：在单点上产生的问题也会对于运行产生一定的障碍和不利，基于单个设备控制的设计是有缺陷的，不能产生并联中的协同效应。如果逆变器发生故障将极大地影响光伏发电；所有串联和并联组均连接到相应的逆变器上，通过基于设计的算法进行相关的控制和调整，但这种设计也并不十全十美，存在着不能关于最佳状态下的电压与电流的运行和可持续问题。其四，设备占地的问题，逆变器需要较大的空间和房间放置和安装，较大的空间和房间对于光伏组件有一定的屏蔽作用，影响发电。

2.2.2 组串式并网逆变器

多组串联逆变器是微电网逆变器和集中式逆变器的混合体，即安装在多组串联逆变器的每个支架矩阵上。通常将两组串联连接到并网逆变器，并发并行输出多个并网逆变器，然后通过升压变压器将电压升压到高压，然后再连接到电网。

组串式并网逆变器优势：串联逆变器可与直流输入电压稳定匹配以确保高效发电。其中多核方式发电是其主要的发电模式，这种方式的状态下，对于发电安全有明显支撑作用和保障作用，可保持电源的稳定性和持续性，不至于在发电过程中出现断电情况。当然，在多通道MPPT 状态下，对于功率最有特性也是有更大的促进作用的；本系列逆变器采用智能组群监控功能，实现模块的智能管理、光伏组群状态的实时监控、异常故障自动报警、组群故障的准确定位，缩短维护时间、方便运维、提高发电量，使逆变器成为电站的大脑和管家；该系列变频器体积小、重量轻，易于运输和安装，可直接安装在光伏支架上而无需专用的逆变器室。

组系列的逆变器也有一些缺陷：该系列变频器安装在室外，风吹日晒容易导致外壳和散热器老化。而且大型光伏电站具有许多配置和大量设备，这降低了其可靠性。

3 合理选择集中式逆变器与组串式逆变器的要点

3.1 发电稳定性与网格相结合

标准系列电网连接逆变器和集中式电网连接逆变器具有出色的电网运行性能，不受水平强度的影响，不受电平强度的影响，并具有高系统运行负荷，同时电网连接逆变器可实现优异的自我调节。通过跟踪系统产生的功率，可在整个生成过程中调整对象以确保系统电压和电流的稳定性。在输出状态太阳能电源模块的情况下，系统模块可通过自调节来适应外部环境温度和外部负载强度和太阳能磁盘强度的变化，且逆变器系统的性能指标必须严格限制。

水平触点主要用于小型分布式太阳能发电，集中式系统是大型电站的最佳选择。这是因为集中式变频器能够转换直流电源来实现稳定的网格连接和系统提升处理。变频器系统的功耗，必须反映系统的内阻和电力系统。为了减少脉冲幅度调节，应采取灵活的控制措施。

3.2 优化改造并网发电的运行方式

有关部门要确保现阶段投资的大型电站引进数字化技术，并对后期系统运行维护费用给予足够重视。增加电量的方式可以是对于逆变器新技术进行革新以及设备进行改造，尤其是在环境极其恶劣的环境下，对于加快建设和设备升级改造都是具有显著效果的。但在做相关选择时要进行技术经济评价，根据评价选择最优方案。

综上，在大型光伏发电站中核心的组成部件是逆变器，关于逆变器类型的选型和技术经济评价，要综合考量多方面的影响因素和关键目标设置，如稳定性、安全性、技术经济性、高效性、优质性等方面。对于技术升级改造要综合考量最优化配置，也就是选型的技术经济性的问题和技术适恰性问题，选择的问题涉及到的关键核心要素要综合判断和综合考量，做出不同情况下的最优化方案。