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光伏領跑者逆變器選型白皮書

2016年08月17日 11:28   來源:深圳市新能源行業協會
原標題:光伏領跑者逆變器選型白皮書
來源:陽光電源
作者:嚴信

 
  逆變器作為光伏系統的橋梁,成本占比低但對系統成本和發電量影響大。陽光電源iSolar智慧陽光解決方案秉承“因地制宜、科學設計”的理念,結合了各領跑者基地環境特點,倡導不同類型電站選擇不同類型逆變器,不斷降低光伏系統成本,提高系統發電效率,幫助用戶在競價上網的新模式下取得收益。

 
  1 光伏領跑者電站主要類型及特點

 
  縱觀八大領跑者基地,地理位置遍布全國,地形各有不同,逆變器選型是否合理將直接影響系統整體成本和發電量,最終影響各方利益。按照安裝環境,領跑者電站主要包括平坦地面電站、水面電站、復雜山丘電站等幾種主要類型。

 
  1.1 平坦地面電站

 
  地面相對平坦,組件布局相對集中,組件朝向一致,無遮擋。

 
圖1 平坦地面電站應用場景

 
  1.2 水面電站

 
  利用魚塘、塌陷區等廣闊的水面資源開發的光伏電站。安裝面都十分平坦,朝向一致,基本不存在因遮擋和朝向不一致而帶來的失配問題。根據水深采用打樁式或漂浮式兩種安裝方式。其中打樁式是目前較為成熟的方案,已有大量成熟的應用案例。漂浮式還處于大范圍示范和推廣應用階段。

 
圖2 水面電站應用場景

 
  1.3 復雜山丘電站

 
  利用地形零散、朝向各異的山地、丘陵等資源開發的光伏電站。該類電站受地形影響,多有組件朝向不一致或早晚遮擋問題,地形零散,組件集中布局困難。

 
圖3 復雜山丘電站應用場景

1.4 各領跑基地安裝環境特點

 
  不同領跑基地光伏電站規劃容量及安裝環境特點如表1所述。

 
表1 光伏領跑技術基地概述

 
  2 “因地制宜,科學設計”——光伏領跑者項目之逆變器選型指南

 
  2.1 “因地制宜,科學設計”選型綱領

 
  因地制宜,科學設計——即根據光伏電站所處環境和電網接入要求,合理選擇逆變器,滿足電站建設方、投資方、運營方以及電網等相關多方在高效、安全、智能和友好方面的價值需求,使得各方共同利益最大化,促進光伏行業健康、有序發展。光伏領跑者電站建設規模較大,安裝環境復雜,電網友好性要求高,因此,結合各類型逆變器的特點,一般采用集中式逆變器或組串式逆變器。

 
  集中式逆變器:主要特點是單機功率大,每瓦系統成本低,設備數量相對少,后期運維方便,運維成本低,可靠接受電網調度,接入電網更友好。因此在全球5MW以上容量的大型電站中使用率為98%。目前國內的主流機型以500/630kW為主,功率、電壓等級和集成度不斷提高,集成升壓變壓器和環網柜的應用需求不斷增多。歐洲及北美等地區主流機型單機功率1MW甚至更高,德國SMA公司今年推出了單機功率5MW、集成中壓變壓器的一體化解決方案。

 
  組串式逆變器:單機功率在2.5~100kW之間。主流機型單機功率30~60kW,單個或多個MPPT,一般為6-20kW一路MPPT。該類逆變器每瓦系統成本相對較高,由于單機功率小,具有多路MPPT,因此主要用于復雜山丘、農業大棚等電站。

 
  根據平坦地面電站、水面電站、復雜山丘電站安裝環境特點,根據“因地制宜,科學設計”的逆變器選型理念,給出不同電站的推薦方案如表2所示。

 
表2 光伏電站類型及適用逆變器方案

 
  2.2 平坦地面電站——集中式方案優勢明顯

 
 ?。?)集中式初始投資節省0.22元/W,度電成本LCOE降低2分/kWh

 
  光伏領跑者基地投資主體評分標準中電價水平占總分值的30%左右,是占比最大一塊,因此電站建設除了關注技術先進性指標外,需更加注重投資成本及光伏電站生命周期內LCOE(Levelized Cost of Electricity, 度電成本)。分析顯示,集中式1.25MW比1.6MW組串式方案初投資節省約0.22元/W,100MW可節省2200萬。以陽泉50MW電站為例,1.25MW集中式比1.6MW組串式方案,系統度電成本LCOE降低2分/kWh左右,內部收益率IRR提升0.7%。

 
圖4 1.25MW集中式與1.6MW組串式方案投資收益對比

 
 ?。?)多個實際電站運行結果表明:平坦地面電站,集中式和組串式發電量持平

 
  選取運行時間長達一年以上的多個實際電站,進行發電量數據對比,發現在安裝面平坦、組件朝向一致、無遮擋的電站,集中式與組串式方案發電量持平,如表3所示。
表3 實際電站集中式與組串式方案發電量對比(發電量取自35kV側電表)

 
 ?。?)100MW電站,集中式25年運維成本節省超1000萬元

 
  通過對比集中式和組串式方案在100MW電站的運維數據可以看出,發電量損失二者相當。由于組串式成本高,設備數量多,因此維護成本集中式更低。同時,百MW級大規模電站占地面積大,逆變器安裝分散,維護人員花在路途上的時間將遠高于進行設備更換的時間,且需要投入更多運維人員,運維人力成本高。

 
表4 集中式和組串式運維費用對比(100MW電站,假設0.5%的逆變器故障率計算)

 
 ?。?)集中式方案設備數量減少10倍以上,電網接入更友好

 
  各領跑者項目基地規劃電站容量均500MW以上,電站規模較大,因此,在調度響應、故障穿越、限發、超發、平滑、諧波限制、功率變化率、緊急啟停等方面都有嚴格要求。相同容量電站,組串式逆變器數量是集中式的10倍以上,且集中式逆變器單機功能強大,通訊控制簡單,能夠穿越故障的概率遠大于組串式逆變器。集中式逆變器臺數少,可快速實現閉環控制,組串式方案數量多存在調度可靠性的風險。

 
圖5 集中式與組串式方案調度響應對比

 
  實際應用案例。集中式解決方案不斷發展,從最初的集中式逆變器加配電房,發展到以集裝箱為載體的箱式逆變器,再到集成中壓系統的箱式中壓逆變器,整體方案不斷成熟完善。集中式逆變器已廣泛應用于高溫、低溫、高海拔、沙漠、沿海等各種惡劣環境中。

 
圖6 平坦地面電站應用案例
 
 

 

2.3 水面電站——推薦集中式方案

 
  無論是打樁式還是漂浮式,組件安裝面均十分平坦,不存在朝向不一致和遮擋問題,集中式方案除了在系統成本和度電成本、電網接入等方面具有與平坦地面電站相同優勢外,在后期運維便利性、防腐能力、組件PID防護上優勢更加明顯。

 
  (1)合理布局利于后期運維

 
  集中式逆變器放置于維護通道兩旁,水面光伏專用智能匯流箱沿子陣邊緣擺放,當逆變器或匯流箱出現故障時,運維人員駕車即可抵達故障點,響應時間短,可減少因故障停機造成的發電量損失,如圖7所示。

 
圖7 集中式逆變器沿道路擺放,后期運維方便

 
圖8 IP67防護等級MC4端子,連接更簡單可靠

 
  (2)防護等級達IP67,耐腐蝕能力強

 
  水面光伏專用高防護智能匯流箱直流輸入采用IP67防護的MC4端子,安裝簡單,接線更可靠,減少現場施工量,如圖8所示。匯流箱整機具備IP67高防護等級,意味著設備即使浸入水中,也不會有水浸入箱體內部,可抵抗浪花拍打。

 
  箱式逆變器和水面光伏專用匯流箱外殼采用的鍍鋅鋼板是國內外知名廠家的高品質鋼板產品,并施涂三層重防腐涂層(富鋅底漆、環氧中間漆、丙烯酸面漆),總厚度達到280微米以上,保證在高濕高鹽霧環境下不會腐蝕。

 
圖9 三層油漆結構,耐腐蝕能力強

 
  (3)專利PID防護方案

 
  高濕環境加劇了光伏組件的PID衰減。電站系統設計和選型時,除了選擇具備抗PID能力的組件外,還需要選擇具備防PID功能的逆變器。陽光電源集中式逆變器采用了基于虛擬電位專利技術的PID防護和修復解決方案,可有效防止組件在潮濕環境下易發生PID衰減,并可對已發生PID現象的組件進行修復,表5為實際項目中進行對比測試數據,PID防護效果非常明顯。

 
表5 陽光電源基于虛擬電位的專利防/反PID方案實際應用案例

 
  實際應用案例。集中式逆變器在國內水面電站中已有很多成熟的應用案例,如圖10所示。

 
圖10 水面電站典型應用案例

 
  2.4 復雜山丘電站 —— 推薦組串式方案

 
  復雜山丘電站地形高低起伏不平,所安裝的組件存在朝向不同和局部遮擋現象,組串式逆變器多路MPPT可在一定程度上減少失配帶來的發電量損失。因此,復雜山丘電站推薦組串式逆變器。針對復雜山丘電站的特點,系統設計及組串式逆變器選型時需要重點關注以下幾個方面:

 
  (1)逆變器具備更強的“吞吐”能力

 
  在實際光伏系統中,由于灰塵遮擋、朝向不同和局部遮擋帶來的損失、組件衰減、電纜損耗等因素,實際傳輸到逆變器直流側功率約為組件容量的90%以下,特別是光照資源相對較差的II III類資源區,傳輸到逆變器直流側的功率遠小于組件額定標稱容量。若接入組件容量小于等于逆變器交流功率額定值時,逆變器、變壓器及后端電氣系統將長期處于輕載,系統利用率降低,間接地增加了系統投資成本,如圖11(a)所示。因此,對于II、III類資源區,一般推薦接入組件容量是逆變器額定容量的1.2倍以上,組串式逆變器直流側需配置足夠的輸入端子,即“吞”的能力要強。

 
圖11 50kW組串式逆變器合理設計的價值

 
  當輻照度較好或溫度等環境條件變化時,組件輸出功率短時會超過規格書中標定的最大功率,即“組件超發”,這就要求組串式逆變器需具備將組件能量全部轉化的能力,即“吐”的能力要強,否則將會出現棄光的現象,降低發電量,影響用戶收益,如圖11(b)所示。

 
  (2)合理設計容配比,初始投資節省7分錢/W,度電成本降低1分錢/kWh

 
  根據1.6MW典型系統設計方案成本計算表明,系統按照1.1倍以上的容配比設計,可有效的降低系統初始投資成本和度電成本。以50kW組串式逆變器為例,1.1倍以上超配,要求逆變器直流側至少需要接入9路組串,相對于接入8串方案,逆變器數量減少了12%以上,同時減少交流匯流箱和交流線纜成本,節省系統初投資0.07元/W,100MW可節約初始投資700萬。以包頭50MW電站為例,直流側接9串方案比8串方案,系統度電成本LCOE降低1分/kWh左右,內部收益率IRR提升0.3%。

 
圖12 直流側接入不同路數對投資收益的影響

 
  (3)逆變器需要更強的散熱能力,避免高溫降額運行

 
  組串式逆變器常處在一個相對封閉的狹小空間內,空氣流通不暢,導致逆變器內部環境及器件溫度也相應升高?,F場調研發現,采用自然冷卻的組串式逆變器,在周圍散熱空間不同時內部環境溫度相差高達11.3℃,而對于智能風扇散熱的機器僅差3.4℃,如圖13(a)所示。組串式逆變器散熱能力差,會導致逆變器降額運行,尤其是在山丘電站中“窩在”電池板下方的逆變器。國內某山丘電站現場的組串式逆變器,由于自身散熱能力差,在中午發電量最佳的時刻出現了降額運行現象,造成發電量損失超過1%,直接影響了電站投資收益,如圖13(b)所示。因此,要重點關注機器的散熱能力,選用散熱能力好,高溫適應性好的強制風冷逆變器。

 
圖13 某山丘電站組串式逆變器內部環境溫度對比及降額運行記錄
(4)選擇重量輕的逆變器,降低運維難度

 
  復雜山丘安裝場所道路崎嶇逆變器周圍沒有道路,車輛無法將逆變器送到故障點,只有靠人工搬運。大部分廠家的組串式逆變器重量達到了五六十公斤,至少需要2人搬運,在地形復雜的山丘上空手行走都困難,在負重五六十公斤的情況下上山或下山難度可想而知,稍有不慎就會造成運維人員腳部扭傷,如圖14所示。因此,在使用組串式逆變器的應用場合,重量成了產品選擇的關鍵指標。陽光電源50kW組串式逆變器重量僅為39kg,業內最輕。

 
圖14 山丘電站地勢復雜,行走困難

 
  實際應用案例。陽光電源組串式逆變器在復雜山丘電站中已有很多成熟的應用案例,如圖15所示。

 
圖15 復雜山丘電站應用案例

 
  3 總結

 
  逆變器作為組件和電網之間的橋梁,是光伏系統的關鍵核心部件。不同的應用場合中,選擇合適的逆變器,對系統生命周期內的系統成本、發電量和度電成本都有顯著影響,陽光電源iSolar智慧陽光解決方案,根據不同應用環境的實際情況,因地制宜,科學設計,從系統角度進行技術創新,幫助用戶不斷降低系統成本,提升系統發電量,助力用戶在競價上網新形式下保持較強的競爭力,最終為光伏發電的平價上網貢獻自己的力量。
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