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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
责任编辑：carol
