集中式逆变器与组串式逆变器对比与分析

    王健 李成武 刘猛

    摘 要：逆变器作为组件和电网之间的桥梁，是光伏系统的关键核心部件，通过对逆变器的选型方案、发电量、核心器件、安全可靠性及经济性等指标进行对比与分析，得出不同的应用场合中，选择合适的逆变器，对系统生命周期内的系统成本、发电量和度电成本都有显著影响。

    关键词：逆变器；发电量；光伏系统；光伏电站

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.152

    1 综述

    逆变器作为光伏系统的桥梁，成本占比低但对系统成本和发电量影响大。秉承“因地制宜、科学设计”的理念，结合了不同项目的地环境特点，倡导不同类型电站选择不同类型逆变器，不断降低光伏系统成本，提高系统发电效率，帮助用户在竞价上网的新模式下取得最大收益，最终促进光伏平价上网。

    本文主要对比研究了光伏电站的集中和组串式两种主流逆变方案的技术经济性、安全可靠性、运维便利性等。

    2 集中式与组串式逆变方案分析

    在地面电站或者是无阴影遮挡的失配小的电站，集中式优势明显，可使初始投资节省0.22元/W，度电成本LCOE降低2分/kWh，如图2.1和表2.1所示。

    2.1 两种方案的对比

    2.1.1 同辐照和地域条件最佳容配比

    超配的定义--主动超配和补偿超配。

    补偿超配：由于光伏系统中的系统损耗客观存在，通过适当提升组件的配比，补偿能量在传输过程中的系统损耗，使得逆变器可以达到满功率工作的状态，这就是光伏系统的补偿超配。

    主动超配：在补偿超配使得逆变器部分时间段达到满载工作后，继续增加光伏组件容量，通过主动延长逆变器满载工作时间，在增加组件投入成本和系统发电收益之间寻找平衡点，实现LCOE最小，这就是光伏系统的主动超配。

    为便于最优超配方案的计算，简化分析推导过程，对理想容配比的推导进行以下条件限制或假設：

    （1）在各光照资源地区选定代表城市，获得当地光照、气象等数据，作为电站选址后方案设计的基础自然条件。

    （2）在超配方案设计中，对于达到逆变器满载为目标的补偿超配直接设计到最大，补偿超配后，容配比进一步提升到主动超配范围，最优方案以LCOE为评价标准。

    （3）集中型逆变器进行超配方案更加灵活，因此，在进行最优超配方案的推算就直接使用集中式方案的成本结构。

    （4）以10MW的规模电站进行计算，设定组件年衰减率为1%，电站年维护投入为初始投资的2%，在20年内计算度电成本最低的超配方案。

    以I类光照资源地区的酒泉为例，在同样条件的基础上，各容配比下，系统度电成本如表2.2所示，可以看出，在酒泉地区，地面电站的最优超配方案是1.25倍容配比。

    分别以酒泉、兰州、徐州、贵阳四个城市作为代表，重复以上的推算过程 ，得出各类光照资源地区度电成本最低的推荐超配比方案如表2.3所示。

    2.2 发电量对比

    2.2.1 实证发电量对比

    在大型地面电站，地势平坦不考虑遮挡的情况下，经过理论分析计算以及西北多个电站发电量数据的对比验证，集中式和组串式逆变器在发电量上持平，甚至集中式发电量略高。

    大型地面电站，集中式逆变器和组串式方案真实发电量比较报告如下所示：大同领跑者项目中电国际电站集中式逆变器（阳光）与组串式逆变器（华为）7月份发电量比较（集中式发电量略高），如表2.4所示。

    2.2.2 发电损耗对比

    逆变器的损耗和效率指标一样。组串式逆变器，当MPPT电路工作时，转换效率偏低，损耗变大。集中式逆变器，为单级逆变器，系统转换效率偏高，系统损耗较低，如表2.5所示。

    2.2.3 逆变器效率对比

    集中式PV电压越高，效率越低；组串式和集散式类似，电压越接近输入额定电压，效率越高。380Vac并网的逆变器，直流电压越接近600Vdc，效率越高；500Vac并网的逆变器，直流电压越接近750Vdc，效率越高。

    效率与电平结构的关系，三电平电路的效率比两电平效率高，特别是在弱光条件下，三电平的效率更加明显。

    2.3 核心设备的对比

    2.3.1 熔丝

    集中式内部无熔丝，当发生过电流时，断路器会自动跳脱，达到过流保护的作用，组件直流侧，在汇流箱内有熔丝保护。

    2.3.2 电容

    集中式逆变器体积较大，母线支撑电容可以采用全薄膜电容设计，工作寿命长，可靠性高。

    而组串式逆变器因为体积小，母线支撑电容无法采用全薄膜电容设计，采用了膜电容与电解电容混合设计或者电解电容设计。

    2.3.3 风扇

    集中式逆变器采用知名品牌风扇，设计寿命很长，故障率低，风扇故障占逆变器故障的比重很低，并非故障点。

    逆变器的真正故障点是IGBT，IGBT的故障和工作温度有直接的关系，当逆变器工作温度过高，IGBT的故障率会相应变高。

    2.3.4 变压器

    集中式逆变器1.25MW方案可以采用干变设计，变压器方案免维护。组串式逆变器一般采用油变，需要定期检查和维护，集中式和组串式均可以采用双绕组变压器。

    2.3.5 防雷

    集中型逆变器交直流均采用二级防雷，防雷等级高，且防雷器有状态指示功能。组串式逆变器，交直流防雷器也采用二级防雷。

    2.4 安全可靠性

    2.4.1 设备可利用率（故障率）

    组串式逆变器的电站系统，由于逆变设备数量多，是集中式逆变器数量的10倍，同样故障比率的情况下，电站故障次数也将是10倍，单个故障损失小，但是故障次数比较多，因此发电损失基本一致。集中式逆变器，一般故障24小时解决问题，严重故障48小时解决，不会对发电量造成太大损失。

    由于组串式逆变器的电站，故障次数比较多，因此人工的运维成本会大于集中式逆变器。同样100MW光伏电站，组串式逆变器的系统运维人员将比集中式系统运维人员多两人。

    2.4.2 是否不易散热，内部温度过高，元器件寿命降低

    集中式逆变器和智能风冷组串式逆变器，散热效率高，内部元器

    件温度低，寿命长，整机设计寿命达到25年。采用自然冷卻的组串式逆变器，高温天气，无风状态下，散热效果很差，内部温度升高，设计寿命短，故障率高。

    2.4.3 电网接入与并联环流问题

    集中式：一台变压器，电网响应速度更快，采用LC或LCL滤波参数，电网友好。组串式：多台并联，电网响应速度更快，存在谐波风险；在电位高压侧波动情况下下，易产生过欠压脱网；

    交流侧环流过大可引起整体脱网（如内蒙古锋威100MWp和黄河

    景泰项目），当项目地点距离电网接入点过大时（如超过6km），此种影响会加剧，可通过加SVG解决。

    2.5 经济性对比

    2.5.1 运维成本

    无论集中式还是组串式逆变器，均能实现准确定位。集中式逆变器采用模块化设计，运维简单便利。集中式逆变器，一般故障24小时解决问题，严重故障48小时解决，不会对发电量造成太大损失。组串式逆变器，由于逆变设备数量多，是集中式逆变器数量的10倍，同样故障比率的情况下，电站故障次数也是10倍，单个故障损失小，但是故障次数比较多，因此发电损失基本一样。

    由于组串式逆变器的电站，故障次数比较多，因此人工的运维成本会大于集中式逆变器。同样100MW光伏电站，组串式逆变器的系统运维人员将比集中式系统运维人员多三人，如表2.6所示。

    2.5.2 度电成本

    根据不同的场景设计不同的电站，做到度电成本最优。大型地面电站或者无遮挡失配比较小的电站，集中式系统电站的度电成本低于组串式系统电站的度电成本。在山丘电站或者有阴影遮挡失配比较严重的电站，组串式多MPPT发挥作用，组串式系统电站的度电成本低于集中式系统电站的度电成本。

    3 总结

    逆变器作为组件和电网之间的桥梁，是光伏系统的关键核心部件。不同的应用场合中，选择合适的逆变器，对系统生命周期内的系统成本、发电量和度电成本都有显著影响，根据不同应用环境的实际情况，因地制宜，科学设计，从系统角度进行技术创新，帮助用户不断降低系统成本，提升系统发电量，助力用户在竞价上网新形式下保持较强的竞争力，最终为光伏发电的平价上网贡献自己的力量。