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正确选择山丘光伏电站用逆变器,从此不再纠结

发表于:2016-01-05 14:09:52 来源:《光能》杂志 作者:严信 阳光电源股份有限公司
 1 引言

光伏行业发展迅速,电站类型日趋多样化,越来越多的山丘电站陆续并网发电。山丘电站地形复杂、存在朝向不一致和局部遮挡等问题,并且山丘杂草丛生,火灾隐患大,安全要求高,因此设计上存在很大的挑战。如何进行合理的组件布局?如何正确地选择合适的逆变器一直是大家较为困惑的问题。如果设计不合理,不仅造成土地的浪费,系统成本的提高,同时还会给前期安装和后期运维带来诸多不便,安全上也存在威胁。因此,笔者将结合具体的项目案例,带您拨开迷雾看真相。

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图:阳光电源光伏逆变器在安徽芜湖100MW山丘光伏电站中应用

2 山丘光伏电站设计主要挑战
挑战1:地势复杂,交、直流侧需求之间存在矛盾
山丘电站存在朝向不一致和局部遮挡的现象,带来组件失配问题,且不同的山丘遮挡特性不一样,如何合理的进行组件布局,正确的选择逆变器MPPT的数量给很多用户带来了困惑。从解决失配的问题角度来说,MPPT数量越多越有利,从交流侧并网性能来说,并联的设备数量越少并网电能质量、响应调度等性能越好,并联设备数量少意味着MPPT的数量减少,因此交直流侧需求之间存在矛盾。且MPPT数量越多系统成本越高。需要结合实际地形需求选择合适的方案。


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图1 山丘电站地势

挑战2:坑洼不平,需要特别重视安装和维护的便利性

山丘电站上下坡度较大,碎石较多,安装维护十分困难。如果设计不合理,将会进一步加大安装维护的难度。图2所示为某些实际山丘电站的现场情况,逆变器周围碎石林立,空手行走已是十分困难,再让运维人员抬着几十公斤笨重的逆变器行走操作,难上加难,存在严重人员安全风险。笔者在西南某山丘电站走访时了解到,经常发生运维人员在更换逆变器时把脚给崴了的情况。因此,电站设计时需要根据具体地形选择合适的逆变器方案,同时汇流箱、逆变器等设备摆放位置需要充分考虑安装维护的便利性。


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图2 地面坑洼不平不利于逆变器安装维护

挑战3:空间狭窄,对逆变器散热能力要求高
山丘电站中,光伏电池板最佳倾角是一定的,在角度相对较大的南坡上,光伏板几乎是平铺在山坡上,光伏电池板与坡面之间空间非常狭小。组串式逆变器处在一个相对封闭的狭小空间内,空气流通不畅,不利于逆变器散热,导致逆变器内部环境及器件温度也相应升高,如图3所示。通过现场调研发现,处于这种凹陷区域的逆变器温升比其他地方高6℃以上。因此,逆变器安装位置需要有利于设备散热,同时还需考虑逆变器自身的实际散热能力。

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图3 满山尽披“黄金”甲,组串式逆变器“窝在”电池板下,散热效果差

挑战4:杂草丛生,防火安全需到位
山丘电站植被茂盛,存在火灾安全隐患。据统计电站起火大部分是由于直流线缆破损引起的。直流线缆破损导致短路,过大的短路电流使线缆和组件发热,随着时间的推移,热量积攒到一定程度就会产生自燃,引发火灾。对于集中式方案主要是组件和汇流箱之间的电缆,对于组串式方案,主要是组件和逆变器之间的电缆。

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图4 光伏系统直流熔断器设计,保证安全

因此,直流侧需要设计过流保护器件。对于组串式逆变器方案,行业通用的做法都是在直流侧安装了光伏专用熔断器,在故障发生后短路电流可使熔断器熔断,切除故障回路,保证系统安全。反之,对于无直流熔断器的方案,当组件和逆变器之间直流电缆产生拉弧时,根本无法断开故障回路,电弧将持续存在,加大了产生火灾的风险。因此,熔断器对光伏系统直流侧的安全起到至关重要的作用,尤其在山丘电站。

3 大型山丘电站:多路MPPT的集中式逆变器更有优势
规模较大的山丘电站存在面积较大的局部区域,其整体性和连续性较好,高程差较小,可以方便地通过支架高度匹配将更多的组件匹配到一个朝向,因此MPPT的数量不需要过多。多路MPPT的集中式逆变器125kW一路MPPT,完全满足这种地形的需要。如图5所示的西南某大型山丘电站。

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图5多路MPPT集中式逆变器分布道路两边方便运维

多路MPPT的集中式逆变器方案主要优势包括以下几个方面:
1)沿道路周边放置,安装运维方便快捷,更安全
多路MPPT的集中式逆变器与升压变放置在运维道路两边,运维车辆或者摩托车可直达逆变器旁边。逆变器模块化设计,实现部件级更换,降低了运维难度,也保障了人员安全;
集中式所使用的汇流箱重量相对于组串式逆变器更轻,如常用的钢板材质汇流箱大都在30kg以下,高强度塑料材质汇流箱还不到20kg,且汇流箱内部器件数量少,维护相对组串式逆变器而言更加方便。
“组串式逆变器分散在山丘电站各个地方,日常巡检非常麻烦,有时巡检还会发现蛇、虫等危险动物。而多路MPPT的集中式逆变器台数少,机器都布置在运维道路两侧,且可以实现部件级更换,日常巡检和维修都更加方便”西南某山丘电站运维人员对笔者如此说道。

2)单路MPPT输入功率125kW,保证系统发电量
大型山丘电站大部分区域组件朝向一致,局部较小区域不平可通过支架高度调整,使得组件朝向敷设一致,单路MPPT输入功率125kW设计可最大化的降低失配损失。多个电站实际运行数据结果表明,组件排布在一个平面的情况下,集中式与组串式方案的发电量持平。

3)输入端子配置灵活,可根据实际地形接入不同容量的组件
单路MPPT接入两个12~14路直流汇流箱,直流输入路数配置灵活。电站设计人员可依据实际组件排布特性,在光照接收能力较差的坡面,适当增加直流路数,减少设备使用数量,降低系统初始投资。

4)逆变器数量大大降低,减少交流侧并网风险,提高了调度快速性可靠性
100MW山丘电站若采用单机40kW的组串式逆变器,数量多达2500多台。逆变器台数增多,影响电网调度快速性,易引发谐振,加大并网风险。若采用多路MPPT的集中式逆变器方案,相同容量电站逆变器台数减少,并网风险降低。

4 复杂小型山丘电站:重量轻、可超配、散热能力好的组串式逆变器优势明显
对于地形特别复杂,存在严重朝向遮挡的小型山丘电站,可选择组串式逆变器方案。考虑到山丘地势、现场安装条件限制,需重点考量组串式逆变器的自身重量和散热能力。

(1)选择重量轻的组串式逆变器,降低电站后期运维难度
如图2所示的现场,逆变器周围没有道路,车辆无法将逆变器送到故障点,只有靠人工搬运。大部分厂家的组串式逆变器重量达到了五六十公斤,至少需要2人搬运,在地形复杂的山丘上空手行走都困难,在负重五六十公斤的情况下上山或下山难度可想而知,稍有不慎就会造成运维人员脚部扭伤。因此,在使用组串式逆变器的应用场合,重量成了产品选择的关键指标。逆变器厂家也将降低产品重量作为研发目标之一,不断进行改进,目前行业内已推出的组串式逆变器重量最轻的40kW逆变器,仅39kg。

(2)光照条件相对较差,可超配的组串式逆变器进一步降低系统成本
山丘电站多位于三四类光照资源区,光照条件一般较差,同时考虑系统组件到逆变器之间约10%的损耗,如果组件容量和逆变器容量按照1:1配置,将导致系统长期处于轻载工作,根本不会达到满载。系统的利用率降低,间接地增加了系统的初始投资。通过计算发现,直流侧接入8串的方案比接入6串至少节省系统成本0.17元/W,即100MW节约初始投资1700万。因此需要组串式逆变器具备超配能力,即保证直流侧具备足够的输入端子,这也是目前行业内40kW的组串式逆变器,直流输入端子的设计至少都是8路以上的根本原因。

(3)“窝在”电池板下方,散热空间狭小,组串式逆变器自身散热能力要求高
组串式逆变器散热能力差,会导致逆变器降额运行,尤其是在山丘电站中“窝在”电池板下方的逆变器。国内某山丘电站现场的组串式逆变器,由于自身散热能力差,在中午发电量最佳的时刻出现了降额运行现象,造成发电量损失超过1%,直接影响了电站投资收益,图6为现场监控后台显示的逆变器在高温时限功率运行的记录。

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图6某山丘电站逆变器降额运行记录

笔者在走访西南某山丘电站时发现,该电站同时安装了自然冷却和强制风冷两种散热方式的40kW组串式逆变器,以逆变器上传至电站监控系统的机器内部环境温度数据进行对比,如表1所示。

表1 国内某光伏电站不同散热方式逆变器内部环境温度实测对比
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从表1数据可得:
1)采用的自然冷却40kW组串式逆变器内部环境温度比强制风冷的至少高10℃以上。现场当日的最高环境温度仅为20℃,如果炎热的夏季,实际温差更大。温度每升高10℃,器件寿命将降低一半,如此高的温升,如何保证高温下不降额,长期运行后产品的寿命又如何保障呢?正是因为自然冷却的逆变器无法达到理想的散热性能,所以在容量设计上总是短斤缺两。

2)采用自然冷却40kW组串式逆变器,在周围散热空间不同时内部环境温度相差高达11.3℃;而对于强制风冷的机器仅差3.4℃;
因此,对于存在严重朝向遮挡的山丘电站采用组串式逆变器时,要重点关注机器的散热能力,应选用散热能力好,高温适应性好的强制风冷逆变器。

5 结论
笔者结合目前山丘电设计建设过程中面临的挑战,对系统设计提出了相应的建议:
(1)结合实际地形情况,进行精细化设计,确保系统最大化发电量收益的同时,有效解决设备安装维护的便利性和系统的安全性,有效平衡交直流侧之间需求的矛盾;

(2)逆变器选型上需要综合考虑各种因素:
对于地形变化幅度较缓,局部地形较为平坦,无严重朝向及遮挡问题的山丘电站,推荐采用具有多路MPPT的集中式逆变器方案,逆变器靠近道路安装,方便后期维护,同时降低系统成本,提高并网性能;

对于地形特别复杂,存在严重朝向遮挡的山丘电站,推荐使用组串式逆变器方案,尽量选择重量最轻、可超配、散热性能强、安全可靠的组串式逆变器,以保证系统发电量,减少安装维护难度。

 
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