光伏系统逆变器选择

光伏系统逆变器选择

张红丽

（郑州电力职业技术学院河南郑州4514510）

摘要：随着光伏发电成为我国新能源发展的重点项目，光伏逆变器的研究已成为当今热门的研究领域。本文介绍了光伏逆变器的的构成、功能和分类以及集中式逆变器、组串式逆变器的特点，确定组串式逆变器更加适合应用于民用建筑光伏发电系统的应用领域。

关键词：光伏发电；光伏逆变器；集中式；组串式

随着绿色建筑设计标准的贯彻,应用光伏发电作为可再生能源的项目越来越多。不少设计人员对相关设备的选型及应用尚不太了解,而相关的图集对设计的指导还不够详尽、准确。本文介绍光伏系统中逆变器的选择与应用。

1.逆变器的构成和功能

逆变器的功率转换部分是使用功率晶体管切换直流电并重新排序产生交流电。控制装置部分即控制功率转换部分的电子电路构成；保护装置也由电子电路构成，并在内部发生故障时作为安全装置动作。

逆变器具有以下功能。

（1）在负载和日照强度较大的情况下，逆变器均能高效运行。

（2）日照强度、负载变化、环境温度对于光伏组件的输出功率具有很大的影响。因此，无论输出电压、输出电流的变化如何，逆变器始终保持最大功率及跟踪功能，通过自身调节实现系统的高效运行。

（3）逆变器的输出为正弦波电流，光伏发电系统回馈给电网的电能，必须满足电网规定的性能指标，如逆变器必须尽量减少高次谐波、输出电流不能含有直流分量，保证电网可靠性。

（4）为了使电压维持在规定范围内，自动进行电压调节。

2.逆变器的类型选择

目前,市面上常见的逆变器种类包括集中式逆变器、组串式逆变器以及微型逆变器,其中微型逆变器由于其经济性和应用场景的限制,一般很少采用。集中式逆变器一般输出功率为500～630kW,拓扑结构采用DC-AC一级变换,防护等级一般为IP65,体积较大,采用室内立式安装。

集中式逆变器主要优点是单位功率的成本相对较低,逆变器数量少,便于集中管理。主要缺点是其直流部分系统较复杂,而直流设备造价相对较高,监控及管理不便,且故障率高;最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)电压范围窄,一般为450～820V,组件配置不灵活,启动电压较高,导致发电时间较短;发热较大,需要强制风冷,自身耗电较大;MPPT数量少,整体发电效率相对低。

组串式逆变器一般输出功率为3～70kW,拓扑结构采用DC-DC-BOOST升压和DC-AC全桥逆变两级变换,防护等级一般为IP65,体积较小,可以在室外就地安装。组串式逆变器主要优点是不需要直流汇流箱和直流配电柜,直流部分简

单;MPPT电压范围宽,一般为250～850V,组件配置更为灵活,启动电压较低,从而发电时间较长;体积小,重量轻,运输和安装方便;自耗电低,故障影响小,更换维护方便;MPPT数量多,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,最大程度增加发电量。主要缺点是单位功率的成本相对较高;多个逆变器并联时,总谐波高,单台逆变器电流畸变率可以控制到2%以下,但如果超过40台逆变器并联时,总谐波会叠加,且较难抑制。

光伏系统建设中,一般单个屋面或多个屋面组合的光伏组件装机容量很难达到集中式逆变器的输出容量,且不同屋面或同一屋面组件的朝向、倾角、组串数量等参数往往很难达到完全一致,采用组串式逆变器能更好地发挥所有组串的最佳发电效率。另外,并网专用逆变器也是限制集中式逆变器使用的条件之一。根据上述优缺点,集中式逆变器一般用于日照均匀的大型厂房、荒漠电站、地面电站等大型发电系统中,系统总功率大,一般是兆瓦级以上。

3.组串式逆变器应用

3.1电气参数

以下就组串式逆变器样本中提供的基本参数来分析实际项目设计中应注意的事项。

（1）功率

一般逆变器型号表示的是逆变器的输出功率,而逆变器的直流输入功率一般都会超过其输出功率的5%～20%。根据国家标准GB50797—2012《光伏发电站设计规范》第6.1.4条,逆变器允许的最大直流输入功率不应小于其对应的光伏方阵的实际最大直流输出功率。锦浪公司GCI-30K型逆变器输出功率为30kW,而直流输入功率可达34kW,当某项目光伏装机容量超过30kW而小于34kW时,选用1台30kW的逆变器已能满足要求。目前,0.4kV电压等级并网的逆变器,单台输出功率已达到60kW。

（2）电压

对直流输入电压和交流输出电压讨论。目前,部分逆变器的最大输入电压已达1100V,MPPT电压范围可达200～1000V,意味着在同一组串内可以接入更多的组件,接线灵活性更好。组串式逆变器的交流输出电压分两种,一种是304～460V,应用于低压并网项目中;另一种电压范围为384～576V,应用于中压并网项目,输出功率为40～70kW,交流侧经汇流后接入升压变压器。注意的是,并网电压等级为10kV的光伏升压变压器,当所接逆变器为组串式逆变器时,其二次侧电压一般为480V,而当所接逆变器为集中式逆变器时,其二次侧电压一般为315V,且一般选择二次侧为双分裂绕组的升压变压器。

（3）MPPT

MPPT数量越多,跟踪性能越好,目前市面上20kW以上的组串式逆变器的MPPT数量一般为3～4个。

（4）功率因数

一般逆变器的输出功率因数在0.8(超前)～0.8(滞后)可调,实际计算电流时建议按0.95考虑。

（5）工作环境温度

一般工作环境温度为-25～60℃。根据GB50797—2012中第6.4.2条,工作温度在计算组串数量时会用到,由于组件的工作温度一般在-40～85℃,其范围宽于逆变器,故计算温度一般以逆变器为准。注意的是,根据GB50797—2012中第6.4.2条中公式计算组串数量时,温度范围取值应根据当地实际气候条件来确定,以宁波地区为例,其全年最低温度不会达到逆变器的最低温度,如按照-25℃来计算就过于极端,建议按照当地的年最低气温来取。根据实际计算可得,按当地的年最低气温进行计算,比按逆变器工作温度计算,最大组串数量往往可增加1～2块。

3.2接线设计

组串式逆变器的直流部分接线有如下方面需要注意:

（1）接入同一MPPT的组串,须在电气参数上保持一致

这就要求在这些组串内不仅是组件的选型要一致,而且朝向(平屋面分水线的南北坡也属不同朝向)、倾角、组串数量都要一致,才能使所有组件的工作电压接近于一致。

（2）接入不同MPPT的组串,允许在电气参数上有所不同

接入不同MPPT的组串,允许在电气参数上有所不同，包括允许采用不同型号规格的组件。而一般在同一项目中,所有组件均是采用同一规格型号,在实际应用中的意义就在于当组件数量不是计算所得组串串接数量的整数倍时,可以在同一逆变器中接入不同组串数量的组件,大大方便接线设计。如,某项目根据绿建要求共需总面积为200m2的光伏组件,设计选择单块面积为1.63m2的270Wp光伏组件共计122块,总装机容量共32.94kWp,采用一台30kW逆变器,参照锦浪GCI-30K型逆变器,其MPPT/组串数为4/8,根据GB50797—2012第6.4.2条,计算得组串允许串接组件块数为10～22块,而由于不能被其中任何一个数整除,则可以采取在MPPT1接入20×2串,在MPPT2接入20×2串,在MPPT3接入21×2串,极大地增加接线的简便性。

（3）组串所串接的组件数量在允许的范围内越多越好

这是由于MPPT有启动电压,当串接的组件数量越多,达到启动电压所需要的光照条件越小,则其一天中能够启动发电的时间也越长,经济效益越好。

（4）组串式逆变器无需直流汇流装置

有设计人员在设计中参照国标图集15D202-4的案例设计,直流部分先通过直流汇流箱汇流,再接入逆变器,实际上这样的做法不但增加直流汇流箱的投资,而且也浪费逆变器本身的多MPPT追踪功能,使这组经汇流的组串整体效率由于木桶效应而降低。而直流汇流箱具有的短路、过电流保护、电涌保护等电气保护功能,逆变器的交直流侧均有集成,不必担心取消直流汇流箱后缺少相关保护的问题。

组串式逆变器的交流部分接线有如下方面需要注意:

（1）用于低压并网的组串式逆变器(输出电压为380V),其支持的电网形式有TN-S、TN-C、TN-C-S、TT。需要注意的是,市面上多数输出容量在40kW以上的逆变器,只有L1、L2、L3和PE端子,并不设N端子,其连接电缆线芯采用3+1型。

（2）用于中压并网的组串式逆变器(输出电压为480V),其支持的电网形式一般为IT,此时其升压系统的制式与一般民用建筑中采取的接地制式有所不同。

3.3保护配置

组串式逆变器一般具有如下保护:直流反接保护、交流短路保护、交流输出过电流保护、绝缘阻抗保护、残余电流检测、电涌保护、孤岛保护、温度保护等,这里着重介绍孤岛保护。孤岛效应是指电网由于某种原因而中断供电时,光伏系统未能及时切离网络,仍继续向电网输送电能,从而与负载形成一个供电孤岛的现象。

结语

目前，集中式逆变器已经广泛应用于地广人稀的沙漠、戈壁地带的光伏电站中，在我国市场上占据了主导地位。但组串式逆变器构成的逆变系统初期设备投入略高，但从系统成本及长期运营角度，投资回报率略高。随着国内光伏市场的发展，在未来大型光伏电站的建设中，组串式逆变器的应用会是一种趋势。

参考文献

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