禾望电气曾建友：集散式逆变方案介绍

2015年7月18日，由禾望电气主办的分布式光伏电站设计应用研讨会暨“集散式逆变器应用”现场交流会在杭州隆重召开。本次研讨会以“分布式光伏电站”为主题，围绕光伏集散式逆变器的设计与应用方案展开。会上邀请了来自嘉兴市发改委能源处、江苏省可再生能源行业协会、浙江省太阳能行业协会、中能国电、河北电力勘测设计院、浙江国利英核等单位相关负责人莅临出席并发表主题演讲。来自行业协会、研究机构、投资机构、国内主要发电公司、光伏企业、媒体的近百位嘉宾共同出席了本次会议。会议就集散式逆变器应用方案、分布式电站设计、浙江省分布式现状等问题进行了深入的讨论。 

禾望电气太阳能研发部总经理曾建友先生在研讨会上给大家介绍了禾望电气的集散式逆变方案。

曾建友：各位领导、各位嘉宾，刚才黄经理从现场的运维实际情况给大家作了汇报，我现在就从一个理论分析的角度，给大家讲解一下，为什么我们集散式逆变器会比别的方案更好更优。

我今天讲的内容包括这七个方面，首先，我们为什么会提出集散式方案，我们是着眼于发电效率才提出这个方案的，然后对于提高发电效率这个问题有什么解决方法，然后针对各种解决方法，我们做了些系统特点的对比，最后在四五六三个阶段阐述禾望集散式产品的特点，以及我们这几年的典型案例。最后一点，我们重点阐述山区电站存在的现状和设计，我们早期的电站都是在西北的荒漠电站，都是平地，一马平川，可是，目前西北电站的电网输出问题越来越突出，为了考虑输出问题，更多的建站将建在沿海，河北、山东、江苏、浙江以及云南，这些地方电站的特点是山区特点非常明显，针对这个山区电站，会显现出我们集散式更大的优势。

第一，我们的发电效率，大家很清楚，传统的一兆瓦集中式逆变器，采用两台500千瓦的逆变器，在每台逆变器的直流侧输入大概有占地七八亩面积的PV组件，这些PV通过汇流箱直接汇流，逆变器把它交流成315伏后通过一个双分裂的变压器升压并网.针对这个系统,我们分析一下整个电站效率的变化图。从光照，PV组件开始，这里提的PV组件的发电效率是18%，其实很难达到这么多。经过98%的直流传输效率后，是MPPT的效率，我们知道光伏电池板工作在不同的电压对应输出的功率是不一样的，最大功率跟踪(MPPT)就是让电池板的端口电压工作在功率最大时对应的电压点.可以看到以下这个图的PV曲线,最大功率点是这个地方，如果找偏了，就是功率损失。目前，最大功率跟踪这块，逆变器厂家水平都挺高，都可以做到三个9，四个9的跟踪精度，没有问题。集中式的系统其实有两个缺点，第一，315伏的电压非常低，禾望电气是做风电出身的，从风电系统来看，一个1.5兆瓦的风电变流器，我们看到的体积和500千瓦的逆变器的体积差不多，就是因为我们风电的变流器交流输出电压是690伏，电压越高，同样电流情况下输出功率越大，从转换效率角度来讲，转化效率就越高，光伏发电系统的电压输出太低，只能输出315，前几年更低，只有270。为什么这里只能用270和315，因为光伏电池板的连接，以前把18块电池板串联起来，在夏天的时候，他的电压就只有400多伏。传统集中式系统方案里面的第二个缺点是MPPT少,并联失配大，因为我们每个电池板都有对应的PV曲线，当很多并联在一起的时候，就存在一个波峰波谷的抵消,导致并不是所有的PV组件工作在自身PV曲线的峰值点,从而导致能量损失。电压低、电流大，线损大转换效率低;MPPT数量少，导致不能发挥每块组件最大的功率,这是当前系统的两大缺点。那么如何把这两个问题解决掉呢？如何降低这两个缺点的影响呢？在2013年的时候，可能大家听的比较多的方案是组串式逆变器，为什么组串式逆变器价格高,大家还是用这个组串式逆变器呢，因为组串式逆变器解决了刚才讲的两个缺点里面的一个，他具有多路MPPT，他是怎么解决的？他把我们的逆变器小型化了，把一台一兆瓦单元分为三十多台的小逆变器，就近分布，这样跟踪效率就比以前的传统集中式跟踪效率高很多。就此提高的发电量有的厂家认为可以提高8%或者5%的发电量，这要根据地形来区别，如果是在山区，不同地形差距大，这个木桶效果更明显,对应多路MPPT提升的发电效率就越多。同时我们分析，虽然组串式逆变器解决了其中一个缺点，但是他对传输损耗这块，包括电压低、电流大这个问题，其实并没有解决，传统的集中式方案里面，我们知道从汇流箱到逆变器过来，一般运行电压是直流500到600伏，但是对组串式逆变器，是480伏的交流电压，相对于传统方案的600伏直流传输，其实传输损耗是没有减小的，反而增大了一点。所以说，这个方案是对原有的集中式方案进行了改进的，但是并没有把两个缺点都改进。

我们就想，能不能找到一种方案，能够把刚才所提到的集中式逆变器的两个缺点都解决了，这就是我们说的集散式逆变器，集散式逆变器具有多路MPPT，同时把交直流升压，是怎么实现的呢？其实很简单，如果和集中式逆变器相比，我们是在集中式逆变器汇流箱里面增加一些DC升压单元，经过这个升压的汇流箱以后，不管冬天还是夏天，输出都保持为800伏以上，这样的话，逆变器就可以设计为交流输出520伏。其实相对组串式逆变器我们可以怎么理解呢？组串式逆变器交流输出电压是480伏，在组串式逆变器里面也是包含DC/DC升压和DC/AC逆变的两极结构，只不过把DCDC的升压和DCAC的逆变放在一起，作为一个小功率逆变器进行输出，我们是把所有的DCDC分散升压,且在组件附近进行跟踪，再所有直流并联后DC/AC逆变组成一个大功率逆变器。这样可以具有跟组串式逆变器相同的一个MPPT数量，同时，组件的并联失配就可以大大降低，提高发电量。同时集散式方案的长距离传输电压为800V以上的直流，这样对于集中式的600伏，或者组串式的480交流，应该说传输损耗都是大大下降。集散式方案，其实是融合了组串式逆变器和集中式逆变器的各自优点，分散跟踪，和组串式逆变器一样，把DCDC和MPPT分散，然后通过一个大功率的逆变器进行集中并网，这样的话，我们在电能质量这块，包括并网性能、稳定性方面，都优于组串式，发电效益也不低于组串式。总之,在发电收益方面大大超过集中式，同时保持了集中式逆变器电网适应性好的优点。

接下来我们看一下，集散式方案有什么价值。第一个价值是发电效率，我们是指大于3%，这个3%是有哪部分组成的，1+2。1是由于电压提高，比如交流电缆损耗、直流电缆损耗以及逆变器转换效率带来的效率提升，也减掉DCDC汇流会增加一些损耗，这块可以计算到是1%的损耗，另外一个2%，这个我们认为是在集中电站是2%，大于2%是在分布式电站，比如屋顶，甚至一些山区，可能会获得更大的效果。第二个价值体现是可维护性这块，特别是在早期，我们跟客户交流集散式方案的时候，有很多客户担心集散式把逆变器和汇流箱，捆绑在一起销售了，汇流箱和逆变器的捆绑销售我们认为对业主来说是好事,维护更方便和有保障了。因为大家知道，汇流箱相对比较简单,无非是些配件开关，所谓的智能汇流箱，也只是增加了一些电压电流采样元件.如果采用光伏控制器的话，我们采用更先进的控制芯片和更高精度的电流霍尔,在智能化这块可以有更多的体现.在以下这个主控维护界面是我们很多以前做过电站的人看过的，这是一个什么界面呢？比如您有50兆瓦的电站，您会去查汇流箱，或者组件有没有问题的话，需要看五十个这样的界面，以下图中横向代表你有12个汇流箱，纵向代表每个汇流箱有16串，每个表格中的数据就是对应每串的电流，如果说某一串有问题了，那就是这里电流为0，如果50兆瓦电站有50个页面，我们需要不停的翻看哪里有问题，非常困难，缺乏智能化，因为常规的汇流箱只是把电压电流传上来，没有告诉你具体哪一串有故障呢。我们这个集散式系统呢，因为汇流箱和逆变器都是我们统一处理，我们就可以在汇流箱内除了采样电压电流外，还可以做一些智能判断，我直接告诉你某单元逆变器下对应汇流箱的哪一串已经开路了，或者短路了.那对应的监控界面是怎样的呢？以下图是我们的监控界面图，在电站中替代刚才那个界面，在这个界面里面，每个一兆瓦就是一个小方块，如果运行正常就是绿色的，如果运行有故障或告警，对应就是红色或黄色，如果点一下故障的单元，对应的故障信息就会出现，告诉你什么地方出现问题了。这样只需要以下界面看就可以了，而且我们装上这个智能电站管理系统以后，双击这个图中的故障信息后，可以在总控室就进行故障诊断。

性价比，发电量，这是大家非常关心的，往往一个好的东西成本是比较高的，相反，这个集散式的方案，发电量提高，但是跟集中式相比，他的系统成本没有任何的提高。我们可以简单看一下,当然这个价格的前提是参照14年的价格,以下我们详细来看下.。传统的汇流箱，比如4000块钱一个，15个，对应就是六万块钱，一兆瓦。电缆，以集中电站为例，大概需要七万块钱一兆瓦，逆变器以0.28计算，这里加一些土建费用，箱变，监控，这样算下来，每兆瓦75万块钱.对于集散式,把直流电压提高到800伏以后，相比原来的600或者500伏电压，电流就小了，只有原来的三分之二了，我就可以用50平方的电缆替代原来的70平方电缆，电缆价格就从7万变成5万了。另外一个是交流电缆，一兆瓦的额定电流1100安，相对两台500kW,几乎直接减少了一半，省了两万块钱。在箱变为什么可以节省两万块钱，处于双绕组与双分裂的区别外,由于我们传统的集中式方案,箱变里面的开关，多了一个断路器，计量单元位也多了一组，所有的这块加起来，我们算下来，2万块钱。这样集散式在系统中的箱变/交直流电缆这块就可以省下六万块钱。这样在光伏控制器加逆变器，贵0.06的情况下，集中式和集散式方案的总价是一样的。当然，现在逆变器从2毛8降低到2毛5以下了，对应集散式的市场价格也可以降下来了。对应组串式逆变器的价格就要比集中式高很多，组串式的直流电缆和交流电缆跟集中式差不多，他的箱变为什么比集散式的箱变价格高呢？因为组串式逆变器的电压是480伏，对应的箱变开关其实是比集散式大一点，另外一个，组串式逆变器有AC汇流箱，一般有五到六个，在这个箱变里面对应开关的成本就贵了一万多块钱。从这里来看，发电效率集散式和组串式都比集中式高，而成本，组串式要比集散式和集中式高15%。以下是我们的一个性价比对比图。

下面看一下我们具体的集散式产品，即我们禾望的光伏逆变器和控制器的特点。

这是逆变器的外观图，如果把这个门打开，可以看到这个。逆变器的功能模块防护好，为什么要进行防护呢？逆变器是运行在野外的，对于这种设备如何保持防护对长期稳定性是很重要的事情。对风冷的电气设备，要散热，本来就是要风来吹，你既要风吹，又要逆变器防护好，这是一个很矛盾的问题，我们如何设计一个风道，把这个防护性做好呢?整个逆变器里面，风流量最大，发热量最大的是功能模块，要给这个地方散热，这个风从这里进去，然后再从这个顶上吹出去，一进一出，同时从图中我们可以看到，整个模块和驱动单元都做了一个模具，把这里封闭起来。

另外一个，产品的维护性，很多人都讲集散式逆变器单台逆变器就是一兆瓦，认为一兆瓦万一哪天有个故障，就停机了，有一兆瓦的发电损失，认为500千瓦的逆变器相对应的发电量损失会小一点，这个我不认同，因为对于一兆瓦的逆变器不是拿两台五千瓦逆变器并联实现的，一兆瓦的逆变器的所有器件数量，跟现在的500千瓦是一样的，所以讲故障率，一兆瓦逆变器的故障率跟一台五百千瓦是一样的，如果一兆瓦的逆变器故障一次，那么五百千瓦也是一次，如果使用两台五百千瓦组成1MW，就会故障两次。这样的结局，采用一兆瓦方案只需修一次，采用集中式逆变器需要修两次，发电量损失是相等。所以讲1MW功率大,由于故障导致发电量损失更大,有偷换概念在里面.。尽管如此，我们还是认为，一个产品设计出来的可维护性是非常重要的，对我们一兆瓦的逆变器，最主要维护的地方体现在哪里呢？就是单板、风扇以及功能模块。图中可以看出,如果我们这里的功能模块有损坏，我们怎么进行维修呢？只需把这个门打开，如果这个功能模块的备件放在业主那里，紧急情况下业主自己都可以更换，是很简单的事情，维护时间非常短。

另外一个是光伏控制器，控制器设计的时候需要注意什么呢？说光伏控制器的设计，热是一个非常重要的问题，因为他是放在户外的，他跟我们的汇流箱一样的，就光在这个电池板的下面。需要一种高效率DC/DC变换，而且不能用风扇，必须自然冷却。所以我们采用了耐高压高频高温的器件.以下是是我们控制器内部的结构图，包含4个高效的DC/DC模块，各个模块之间独立，不受影响。内部没有电解电容，没有风扇，做到真正的高可靠.接下来看一下我们的典型案例。

我们是在2013年的8月份就在内蒙成功并网，并在整个2014年就把认证做完了，但是在2014年我们都没做任何市场宣传，这里面最主要的是考虑我们当时跟国电光伏一起的战略合作去年虽然没做市场宣传，但是我们在国电光伏发货100MW,同时在其他几个国字号业主里面都找他们试用了一兆瓦。2015年禾望才大规模的推广这个集散式的方案。

今天我也说一下海宁的项目，是中能国电2014年12月份并网的30兆瓦项目，其中使用了12兆瓦的禾望集散式逆变器系统，这个30兆瓦散布的比较多，有11个厂区，里面有3个厂区使用了禾望的，我们明天要去的，就是第九个厂区。现场使用的是250W的板子，为什么海宁这个项目值得总结一下呢，以前浙江江苏这边，对发布式发电项目很提倡，但是一讲到分布式发电，都说使用组串式逆变器，通过这个电站，我们可以告诉大家，对一些工业厂房的屋顶项目其实使用集散式比组串式好，我说的工业屋顶是平均算下来面积有5000平米，对应可以安装500千瓦左右，就像图中海宁这个楼一样，上面有一个500千瓦，上面铺了500K光伏电池板，两个屋顶的直流汇流到底部逆变器，如果用组串式，那么箱变也还是在下面，就要使用很多480V的交流电缆.这样集散式采用800伏的直流汇流，比480的交流电缆汇流要省很多。所以说，分布式电网里面的工业屋顶使用集散式是个很好的解决方案。

这是明天要看的电站现场情况，这个组件是直接放在这个地面上的，这是屋顶，光伏控制器是搭了一个小支架，这是现场的照片。

除了海宁，我们去年在其他地方都也做了一些一兆瓦的试验，报告基本是1月份时候给我们的，这个报告是哈密的，经过一月份监测，一月份比常规高出2.71%，另外我们了解到现在从一到六月份，我们发电量差距比2.71更大，原因是什么，我想是随着组件运行，分散性越来越大，刚并网的新电站差异是2%，两到三年以后可能就是3%到4%了。如果用集散式就解决了这个问题，集中式没解决这个问题，发电量就下降更多。以下案例是在汉能的薄膜电池使用，我们去年也是选择了晶硅的，薄膜的，地点上有青海的，新疆的，选择了不同的电站进行了试验，汉能当时的技术总监认为，既然你认为是做试验，就不能用逆变器来统计发电量,所以汉能这里的大于3%结果，是用电表统计出来的,同时上述3%发电量提升都是相对地面电站的案例。

这是我们在中电投，吐鲁番的实验案例,全国最热的地方就是在吐鲁番，所以去年选择了吐鲁番，有人担心控制器过温，那我们就选择在最恶劣的地方试一试。通过和组串式逆变器的对比，包括和原来运行了一年的集中式逆变器对比，我们其实这里的发电量，当时是比集中式的高了8%，后来我们认为集中式有一年的衰减，我们就认定4%，和组串式逆变器相比，也有5%到6%的区别，当然这个组串式逆变器不是华为的。

最后看看我们在山区电站的现状和特点。山区电站存在着什么明确的特点呢？大家可以看到，这是几排电池板，这个电池板有阴影，是前排对它的阴影，那为什么这个会有阴影呢？有人会说是不是间距设计太小了，不是的，是因为山区电站有坡度，目前的山区电站占地面积比集中电站已经大了一倍，还是存在遮挡的问题.第二个，关于朝向，这是正南，有东南，有西南，这也是一个没法布置的问题，山不平，这样的话，就有一个非常大的问题，遮挡和仰角的差异导致并联失配会非常的严重。因为占地面积大，导致汇流箱到逆变器的距离远，直流电缆成本比平地电站翻倍。前面我们讲山区电站的PV组件的失配，大家都比较容易理解，但是其中有另外一个问题，可能大家没注意到的。我们设计院可能有很多专家以前提过，就是说如何保证每个汇流箱到逆变器的距离近似，电缆的压降不会有大有小，但是集中式毕竟占地面积小，其差异就是20米和100米的的区别，压降最多是十伏，但是山区电站是20米到200米，海宁项目有接近500米。这样就存在一个问题，直流电缆的压降非常大，存在一个由于电缆压降导致的并联失配问题。

对于并联失配的问题，包括直流电压压降的问题怎么解决？根据山地地形的特点，我们认为一定要保证MPPT数量多，不多的话，仰角差异的问题就没有办法解决。另外，MPPT一定要前置，到光伏组件的附近，就近跟踪，这样的话，集中式逆变器就不适合山区电站了，只能采用组串式逆变器和集散式逆变器。相对于组串式逆变器来讲，集散式逆变器的成本是更低的，另外传输损耗也是更小的。同时这个组串式逆变器如果应用在山区电站，不会有集中式逆变器损失发电量的问题，但是有一个电网电压的适应性问题。

综合来讲，对于山区电站，集散式方案是最佳的选择。这是我们云南的一个电站，土地也有高有低，波浪很明显，遮挡是很严重的，.另外这是集装箱，里面只放了一台一兆瓦的逆变器非常空，里面温度也很低。
针对这个方案，我们今年也开发了一个一体机，,这边箱变的高压柜，这边是箱变的主体，把箱变的低压柜和逆变器，都放在里面，整个作为一体，尺寸长度方向只有四米，用在高原的话是4.3米,非常小.这种方案用在海宁这种分布式场合的地方，也非常合适。因为对于分布式地方，地方最难找，如果说用我们这个，整个就四米宽，占地少,安装方便。

我今天要讲的内容就这些，谢谢大家。