集中式、组串式逆变器 加码2018新技术迭代

来源:弘扬太阳能发布时间:2018-05-02 10:43:51

2017年,是组件技术的集中爆发之年,之前,我们只听说单晶硅、多晶硅;现在,市场涌现一大堆新名词:PERC、半片、MBB、MWT、叠瓦、双面发电......在新技术迭代大潮的裹挟下,上新技术的产能是必须的。2017年,已经成熟或即将成熟的几项提升效率的技术分别为Perc技术、半片技术、MBB多主栅技术。理论上来讲,这几项技术都是兼容性技术,既可以使用在单晶硅片上,也可以应用在多晶硅片上。

2017年,逆变器没有像组件那样,涌现出新名词,但并不代表逆变器没有技术更新。相反,逆变器各个厂家都在埋头苦干,逆变器是光伏系统的大脑和心脏,2018年,一些暂新的光伏应用方式将会出现在人们的面前,给光伏系统带来新的变化,包括成本降低和效率提升,安装和维护将更方便。

逆变器的主流是集中式逆变器和组串式逆变器,两种方式各有优秀和缺点,目前在户用市场,由于功率小,都是用组串式逆变器,在中大型电站,则两种逆变器都可以选,在营销上,这两种逆变器的厂家也是打得不可开交,都在说自己的好处,对方的缺点。

集中式逆变器:功率在30kW到2500kW之间,随着电力电子技术的发展,组串式逆变器越做越大,现在500KW以下的集中式逆变器基本退本市场。功率器件采用大电流IGBT,系统拓扑结构采用DC-AC一级电力电子器件变换全桥逆变,后级一般接双分裂工频升压隔离变压器,防护等级一般为IP20。体积较大,室内立式安装。

主要优势有:

(1)逆变器数量少,可以集中安装,便于管理;

(2)逆变器元器件数量少,故障点少,可靠性高;

(3)谐波含量少,直流分量少,电能质量高;

(4)逆变器集成度高,功率密度大,成本低;

(5)逆变器各种保护功能齐全,电站安全性高;

(6)有功率因素调节功能和低电压穿越功能,电网调节性好。

主要缺点有:

(1)直流汇流箱故障率较高,影响整个系统。

(2)集中式逆变器MPPT电压范围窄,一般为500-820V,组件配置不灵活。在阴雨天,雾气多的部区,发电时间短。

(3)逆变器机房安装部署困难、需要专用的机房和设备。

(4)逆变器自身耗电以及机房通风散热耗电,系统维护相对复杂。

(5)集中式并网逆变系统中,组件方阵经过两次汇流到达逆变器,逆变器最大功率跟踪功能(MPPT)不能监控到每一路组件的运行情况,因此不可能使每一路组件都处于最佳工作点,当有一块组件发生故障或者被阴影遮挡,会影响整个系统的发电效率。

(6)集中式并网逆变系统中无冗余能力,如有发生故障停机,整个系统将停止发电。

2、组串式逆变器:

功率在1kW到80kW,小功率逆变器开关管一般采用小电流的MOSFET,中功率逆变器一般采用集成多个分立器件的功率模块,拓扑结构采用DC-DC-BOOST升压和DC-AC全桥逆变两级电力电子器件变换,防护等级一般为IP65。体积较小,可室外臂挂式安装。组串式逆变器适用于中小型屋顶光伏发电系统,小型地面电站。

主要优势有:

(1)组串式逆变器采用模块化设计,每个光伏串对应一个逆变器,直流端具有最大功率跟踪功能,交流端并联并网,其优点是不受组串间模块差异,和阴影遮挡的影响,同时减少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况,最大程度增加了发电量。

2)组串式逆变器MPPT电压范围宽,一般为200-800V,组件配置更为灵活。在阴雨天,雾气多的部区,发电时间长。

(3)组串式并网逆变器的体积小、重量轻,搬运和安装都非常方便,不需要专业工具和设备,也不需要专门的配电室,在各种应用中都能够简化施工、减少占地,直流线路连接也不需要直流汇流箱和直流配电柜等。组串式还具有自耗电低、故障影响小、更换维护方便等优势。

主要缺点有:

(1)电子元器件较多,功率器件和信号电路在同一块板上,设计和制造的难度大,可靠性稍差。

(2)使用分立功率器件的逆变器电气间隙小,不适合高海拔地区,使用功率模块的逆变器不受影响。户外型安装,风吹日晒很容易导致外壳和散热片老化。


(3)不带隔离变压器设计,电气安全性稍差,薄膜组件负极接地系统要外加隔离变压器,直流分量大,对电网影响大。

(4)多个逆变器并联时,总谐波高,单台逆变器THDI可以控制到2%以上,但如果超过100台逆变器并联时,总谐波会迭加,而且较难抑制。

(5)逆变器数量多,总故障率会升高,系统监控难度大。

(6)没有直流断路器和交流断路器,如果没有直流熔断器,当系统发生故障时,不容易断开。

这是2014年前两种逆变器的对比,经过3年多的发展,两种逆变器都取得了很大有进步,有些观点被证明是错的。

1、直流汇流箱,以前大家都不是很关系,设计和做工都不好,特别是散热,没有几家能过的,不过现在基本上都解决了问题。

2、工作电压范围,以前大家的认知是电压范围越宽,早启动晚停机,发电量就越高,事实上组件的电压和功率不成正比,组件的电压并不是人们想像中波动那么大。从以下两个案例就可以看出。这是一个接20个270W的组串,组件工作电压是30.5V,20个组件工作电压为660V

图1是一个非常好的天气,逆变器工作电压在540-630V之间。

图2是一个阴雨天,没有阳光,逆变器工作电压在530-580V之间

所以三相组串式逆变器,如果是正常20-23块组件串联,MPPT工作电压,在500-800V就可以满足要求,只有在很特殊的情况,如用19个以下的组件,最低工作电压才有可能低于500V。



3、组串式逆变器经过改良,可以实现多台并联,不会发生总谐波会迭加。

改进的还有很多,这里就不一一列举了,但是,这两种逆变器还有两个明显的差别,目前还没有办法改变,集中式逆变器是单级电子变换,元器件数量少,可靠性高,缺点是直流线路长短不一,一台500kW逆变器,组件安装面积超过6000平方,组件最远可能有100多米,最近只有几米,线路阻抗影响MPPT功能。

逆变器前的直流线路长度,对MPPT效率影响比较大

MPPT-最大功率点追踪的工作原理:在一个规定的周期内,微处理器定期地主动调节PWM的占空比D,改变太阳能电池的输出电流,从而引起太阳能电池的输出电压变化,检测太阳能电池输出电压及输出电流,计算出太阳能电池阵列的输出功率,然后根据最大功率点跟踪策略寻找最大功率点的位置。

MPPT的简单模型如下:逆变器MPPT方法有很多种,但万变不离其宗,就是调整MPPT端的等效负载阻抗等于组件端的等效输出阻抗,而组件端的输出电阻包括组件的内阻和电缆的内阻。电缆越长,内阻越大,100多米的电缆,可能影响效率超过1%。


MPPT原的最简等效模型

RS为太阳能电池板的等效输出阻抗,RL为MPPT端的等效负载阻抗。当太阳能光照变化时,RS也跟着变化了,这是为了满足最大的功率输出,通过调整MPPT端的负载电阻与之匹配,当RS = RL时,功率输出最大,也就是我们说的MPP点。RL实时跟随RS变化的方法叫做MPPT算法。

其实这两种逆变器是可以合在一起的,那就是单极的组串式逆变器,这种逆变器只有一级变换DC-AC变换,使用三电平和功率模块,一个50kW的逆变器只有3个功率开关器件,和集中式逆变器一样,50kW逆变器周边组件安装面积600平方左右,最远的距离不到25米,直流损耗非常少。目前单极组串式逆变器在市面上也有,但没有应用在大电站,其原因是输出电压是400Vac,输入电压范围变窄了,只能580-850V,限制了应用范围,其实稍加变通就可以解决这个问题,那就可把输出电压改为315V,和集中式逆变器一样,输入电压范围也就能达到500-850V,后面接升压变压器,应用范围就很广了。

集串式逆变器和常规两级结构的组串式逆变器对比,只有一级结构,效率比组串式逆变器高30%,工作电压范围为500-850V,在中大型电站不会影响发电量,集串式逆变器成本比组串式逆变器低30%,重量也会轻30%,安装很方便。

不是所有的单极组串式逆变器都叫集串式逆变器

集串式逆变器=组串式外形+集中式内芯+功率模块+315V

集串式逆变器综合集中逆变器和组串式逆变器两者的长处,舍弃的两者的短板,造价比集中式更便宜,发电量比组串式更高,安装和运维比两者更方便,必将大批量应用,改变目前的逆变器格局。

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