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光伏领跑者逆变器选型白皮书

2016年08月17日 11:28   来源:深圳市新能源行业协会
原标题:光伏领跑者逆变器选型白皮书
来源:阳光电源
作者:严信

 
  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。阳光电源iSolar智慧阳光解决方案秉承“因地制宜、科学设计”的理念,结合了各领跑者基地环境特点,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收益。

 
  1 光伏领跑者电站主要类型及特点

 
  纵观八大领跑者基地,地理位置遍布全国,地形各有不同,逆变器选型是否合理将直接影响系统整体成本和发电量,最终影响各方利益。按照安装环境,领跑者电站主要包括平坦地面电站、水面电站、复杂山丘电站等几种主要类型。

 
  1.1 平坦地面电站

 
  地面相对平坦,组件布局相对集中,组件朝向一致,无遮挡。

 
图1 平坦地面电站应用场景

 
  1.2 水面电站

 
  利用鱼塘、塌陷区等广阔的水面资源开发的光伏电站。安装面都十分平坦,朝向一致,基本不存在因遮挡和朝向不一致而带来的失配问题。根据水深采用打桩式或漂浮式两种安装方式。其中打桩式是目前较为成熟的方案,已有大量成熟的应用案例。漂浮式还处于大范围示范和推广应用阶段。

 
图2 水面电站应用场景

 
  1.3 复杂山丘电站

 
  利用地形零散、朝向各异的山地、丘陵等资源开发的光伏电站。该类电站受地形影响,多有组件朝向不一致或早晚遮挡问题,地形零散,组件集中布局困难。

 
图3 复杂山丘电站应用场景

1.4 各领跑基地安装环境特点

 
  不同领跑基地光伏电站规划容量及安装环境特点如表1所述。

 
表1 光伏领跑技术基地概述

 
  2 “因地制宜,科学设计”——光伏领跑者项目之逆变器选型指南

 
  2.1 “因地制宜,科学设计”选型纲领

 
  因地制宜,科学设计——即根据光伏电站所处环境和电网接入要求,合理选择逆变器,满足电站建设方、投资方、运营方以及电网等相关多方在高效、安全、智能和友好方面的价值需求,使得各方共同利益最大化,促进光伏行业健康、有序发展。光伏领跑者电站建设规模较大,安装环境复杂,电网友好性要求高,因此,结合各类型逆变器的特点,一般采用集中式逆变器或组串式逆变器。

 
  集中式逆变器:主要特点是单机功率大,每瓦系统成本低,设备数量相对少,后期运维方便,运维成本低,可靠接受电网调度,接入电网更友好。因此在全球5MW以上容量的大型电站中使用率为98%。目前国内的主流机型以500/630kW为主,功率、电压等级和集成度不断提高,集成升压变压器和环网柜的应用需求不断增多。欧洲及北美等地区主流机型单机功率1MW甚至更高,德国SMA公司今年推出了单机功率5MW、集成中压变压器的一体化解决方案。

 
  组串式逆变器:单机功率在2.5~100kW之间。主流机型单机功率30~60kW,单个或多个MPPT,一般为6-20kW一路MPPT。该类逆变器每瓦系统成本相对较高,由于单机功率小,具有多路MPPT,因此主要用于复杂山丘、农业大棚等电站。

 
  根据平坦地面电站、水面电站、复杂山丘电站安装环境特点,根据“因地制宜,科学设计”的逆变器选型理念,给出不同电站的推荐方案如表2所示。

 
表2 光伏电站类型及适用逆变器方案

 
  2.2 平坦地面电站——集中式方案优势明显

 
  (1)集中式初始投资节省0.22元/W,度电成本LCOE降低2分/kWh

 
  光伏领跑者基地投资主体评分标准中电价水平占总分值的30%左右,是占比最大一块,因此电站建设除了关注技术先进性指标外,需更加注重投资成本及光伏电站生命周期内LCOE(Levelized Cost of Electricity, 度电成本)。分析显示,集中式1.25MW比1.6MW组串式方案初投资节省约0.22元/W,100MW可节省2200万。以阳泉50MW电站为例,1.25MW集中式比1.6MW组串式方案,系统度电成本LCOE降低2分/kWh左右,内部收益率IRR提升0.7%。

 
图4 1.25MW集中式与1.6MW组串式方案投资收益对比

 
  (2)多个实际电站运行结果表明:平坦地面电站,集中式和组串式发电量持平

 
  选取运行时间长达一年以上的多个实际电站,进行发电量数据对比,发现在安装面平坦、组件朝向一致、无遮挡的电站,集中式与组串式方案发电量持平,如表3所示。
表3 实际电站集中式与组串式方案发电量对比(发电量取自35kV侧电表)

 
  (3)100MW电站,集中式25年运维成本节省超1000万元

 
  通过对比集中式和组串式方案在100MW电站的运维数据可以看出,发电量损失二者相当。由于组串式成本高,设备数量多,因此维护成本集中式更低。同时,百MW级大规模电站占地面积大,逆变器安装分散,维护人员花在路途上的时间将远高于进行设备更换的时间,且需要投入更多运维人员,运维人力成本高。

 
表4 集中式和组串式运维费用对比(100MW电站,假设0.5%的逆变器故障率计算)

 
  (4)集中式方案设备数量减少10倍以上,电网接入更友好

 
  各领跑者项目基地规划电站容量均500MW以上,电站规模较大,因此,在调度响应、故障穿越、限发、超发、平滑、谐波限制、功率变化率、紧急启停等方面都有严格要求。相同容量电站,组串式逆变器数量是集中式的10倍以上,且集中式逆变器单机功能强大,通讯控制简单,能够穿越故障的概率远大于组串式逆变器。集中式逆变器台数少,可快速实现闭环控制,组串式方案数量多存在调度可靠性的风险。

 
图5 集中式与组串式方案调度响应对比

 
  实际应用案例。集中式解决方案不断发展,从最初的集中式逆变器加配电房,发展到以集装箱为载体的箱式逆变器,再到集成中压系统的箱式中压逆变器,整体方案不断成熟完善。集中式逆变器已广泛应用于高温、低温、高海拔、沙漠、沿海等各种恶劣环境中。

 
图6 平坦地面电站应用案例
 
 

 

2.3 水面电站——推荐集中式方案

 
  无论是打桩式还是漂浮式,组件安装面均十分平坦,不存在朝向不一致和遮挡问题,集中式方案除了在系统成本和度电成本、电网接入等方面具有与平坦地面电站相同优势外,在后期运维便利性、防腐能力、组件PID防护上优势更加明显。

 
  (1)合理布局利于后期运维

 
  集中式逆变器放置于维护通道两旁,水面光伏专用智能汇流箱沿子阵边缘摆放,当逆变器或汇流箱出现故障时,运维人员驾车即可抵达故障点,响应时间短,可减少因故障停机造成的发电量损失,如图7所示。

 
图7 集中式逆变器沿道路摆放,后期运维方便

 
图8 IP67防护等级MC4端子,连接更简单可靠

 
  (2)防护等级达IP67,耐腐蚀能力强

 
  水面光伏专用高防护智能汇流箱直流输入采用IP67防护的MC4端子,安装简单,接线更可靠,减少现场施工量,如图8所示。汇流箱整机具备IP67高防护等级,意味着设备即使浸入水中,也不会有水浸入箱体内部,可抵抗浪花拍打。

 
  箱式逆变器和水面光伏专用汇流箱外壳采用的镀锌钢板是国内外知名厂家的高品质钢板产品,并施涂三层重防腐涂层(富锌底漆、环氧中间漆、丙烯酸面漆),总厚度达到280微米以上,保证在高湿高盐雾环境下不会腐蚀。

 
图9 三层油漆结构,耐腐蚀能力强

 
  (3)专利PID防护方案

 
  高湿环境加剧了光伏组件的PID衰减。电站系统设计和选型时,除了选择具备抗PID能力的组件外,还需要选择具备防PID功能的逆变器。阳光电源集中式逆变器采用了基于虚拟电位专利技术的PID防护和修复解决方案,可有效防止组件在潮湿环境下易发生PID衰减,并可对已发生PID现象的组件进行修复,表5为实际项目中进行对比测试数据,PID防护效果非常明显。

 
表5 阳光电源基于虚拟电位的专利防/反PID方案实际应用案例

 
  实际应用案例。集中式逆变器在国内水面电站中已有很多成熟的应用案例,如图10所示。

 
图10 水面电站典型应用案例

 
  2.4 复杂山丘电站 —— 推荐组串式方案

 
  复杂山丘电站地形高低起伏不平,所安装的组件存在朝向不同和局部遮挡现象,组串式逆变器多路MPPT可在一定程度上减少失配带来的发电量损失。因此,复杂山丘电站推荐组串式逆变器。针对复杂山丘电站的特点,系统设计及组串式逆变器选型时需要重点关注以下几个方面:

 
  (1)逆变器具备更强的“吞吐”能力

 
  在实际光伏系统中,由于灰尘遮挡、朝向不同和局部遮挡带来的损失、组件衰减、电缆损耗等因素,实际传输到逆变器直流侧功率约为组件容量的90%以下,特别是光照资源相对较差的II III类资源区,传输到逆变器直流侧的功率远小于组件额定标称容量。若接入组件容量小于等于逆变器交流功率额定值时,逆变器、变压器及后端电气系统将长期处于轻载,系统利用率降低,间接地增加了系统投资成本,如图11(a)所示。因此,对于II、III类资源区,一般推荐接入组件容量是逆变器额定容量的1.2倍以上,组串式逆变器直流侧需配置足够的输入端子,即“吞”的能力要强。

 
图11 50kW组串式逆变器合理设计的价值

 
  当辐照度较好或温度等环境条件变化时,组件输出功率短时会超过规格书中标定的最大功率,即“组件超发”,这就要求组串式逆变器需具备将组件能量全部转化的能力,即“吐”的能力要强,否则将会出现弃光的现象,降低发电量,影响用户收益,如图11(b)所示。

 
  (2)合理设计容配比,初始投资节省7分钱/W,度电成本降低1分钱/kWh

 
  根据1.6MW典型系统设计方案成本计算表明,系统按照1.1倍以上的容配比设计,可有效的降低系统初始投资成本和度电成本。以50kW组串式逆变器为例,1.1倍以上超配,要求逆变器直流侧至少需要接入9路组串,相对于接入8串方案,逆变器数量减少了12%以上,同时减少交流汇流箱和交流线缆成本,节省系统初投资0.07元/W,100MW可节约初始投资700万。以包头50MW电站为例,直流侧接9串方案比8串方案,系统度电成本LCOE降低1分/kWh左右,内部收益率IRR提升0.3%。

 
图12 直流侧接入不同路数对投资收益的影响

 
  (3)逆变器需要更强的散热能力,避免高温降额运行

 
  组串式逆变器常处在一个相对封闭的狭小空间内,空气流通不畅,导致逆变器内部环境及器件温度也相应升高。现场调研发现,采用自然冷却的组串式逆变器,在周围散热空间不同时内部环境温度相差高达11.3℃,而对于智能风扇散热的机器仅差3.4℃,如图13(a)所示。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,如图13(b)所示。因此,要重点关注机器的散热能力,选用散热能力好,高温适应性好的强制风冷逆变器。

 
图13 某山丘电站组串式逆变器内部环境温度对比及降额运行记录
(4)选择重量轻的逆变器,降低运维难度

 
  复杂山丘安装场所道路崎岖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,如图14所示。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。阳光电源50kW组串式逆变器重量仅为39kg,业内最轻。

 
图14 山丘电站地势复杂,行走困难

 
  实际应用案例。阳光电源组串式逆变器在复杂山丘电站中已有很多成熟的应用案例,如图15所示。

 
图15 复杂山丘电站应用案例

 
  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,阳光电源iSolar智慧阳光解决方案,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。
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