逆變器技術及可靠性

無論逆變器向哪個方向發展,其主要任務是能夠安全、高效、可靠的將光伏組件輸出的直流電轉換為交流電并入電網,這是現行各種技術標準最基本的關注點。因此,逆變器的可靠性是關鍵,可靠性對整個光伏系統的安全穩定運行、經濟效益乃至投資決策產生了重要影響,因此,逆變器的發展必須保證可靠性。
摩爾光伏     2017-3-13 15:27:06
 

0 引言

太陽能具有可再生、清潔、分布廣泛等特點,是傳統化石能源的理想替代能源之一,因而得到全世界范圍的重視和開發利用。光伏發電是太陽能利用的最重要的方式之一,2014年及以前的全球光伏總安裝容量為180GW,其中國內為30GW左右。國際市場研究公司IHS預測到2019年全球累計光伏安裝量將達到約500GW;我國十三五規劃初步制定的目標為,到2020年底光伏總安裝容量要達到100GW

光伏發電系統包括光伏組件、逆變器、電網等3個主要部分。光伏組件將太陽能轉換為直流電能,電網以交流電形式進行輸配電。而逆變器是連接光伏組件和電網之間的橋梁,負責將直流電轉換成交流電后饋入電網,需要符合并執行相關電網規約。逆變器是整個光伏發電系統里最核心的部件,其性能和可靠性對光伏發電系統的電網友好性及投資者收益起到決定性作用。

1逆變器技術及應用現狀

逆變器可以分為并網型和離網型兩類。目前光伏發電系統中,大約99%采用并網型逆變器。并網型逆變器可以按照拓撲結構、隔離方式、輸出相數、功率等級、功率流向等進行分類。最常見的分類方式是按照應用場景和功率等級劃分,可分為微型逆變器、組串式逆變器和集中式逆變器三大類。

微型逆變器的功率一般為幾百瓦,通常配置1塊電池板,特點是可以對單塊光伏組件進行MPPT(最大功率點跟蹤,使設備輸出當前最大功率),體積輕便便于安裝,并且由于不需要電池板串聯,系統直流電壓低,安全性高。但是系統成本較高,單機功率低導致系統配置的逆變器數量多,故障率較高,目前在北美的戶用系統中應用較多。

組串式逆變器功率在幾千瓦到幾十千瓦范圍,配置多個光伏組串,通常每個組串由20余塊光伏組件串聯而成。組串式逆變器可以對1個或數個光伏組串進行MPPT,系統成本介于采用微型逆變器和集中式逆變器的系統之間。

集中式逆變器單機功率從一百千瓦到兆瓦級不等,采用集中式逆變器的光伏系統設備數量少、可靠性高,更容易符合電網規范,系統成本低,缺陷是MPPT數量較少,對光伏組件的功率優化不夠精細,因而不適合用在氣候多變、地形復雜等導致光伏組件差異較大的區域。

在光伏發電應用的早期,由于大功率設備技術不夠成熟,組串式逆變器最先得到應用,我國最早的光伏并網案例是2003年應用于上海奉賢的10kW項目,采用的是陽光電源研制的10KW組串式逆變器。隨著組件技術、電力電子技術和逆變器技術的不斷進步,以及在國家政策的引導和激勵下,光伏裝機量不斷提高。為了進一步降低系統成本,單機容量在100kW以上的集中式逆變器應運而生,逐漸發展到現在以單機500kW集中式逆變器、共用升壓變壓器的單個發電單元為1-2MW的主流應用形式。近年來,集中式逆變器技術日益成熟,在大型電站中獲得了廣泛應用。

2013年,國家再次出臺了相關政策,鼓勵發展屋頂、荒山荒地等復雜地形地區的分布式光伏發電項目。組串式逆變器以單機容量小,多路MPPT,配置靈活,可有效地解決朝向和遮擋問題等優勢,在分布式光伏發電應用中逐漸增多。

2逆變器發展方向

近年來,逆變器的發展呈現多樣化的趨勢,一方面,光伏電站的應用類型呈現多樣化發展,大型荒漠電站、荒山荒地、漁光互補、農光互補、分布式屋頂等各種應用不斷增多,對逆變器的要求日趨多樣化。另一方面,電力電子技術、元器件等多種新技術的快速發展及與互聯網技術的整合也帶動逆變器產業的不斷進步,逆變器正朝著更高效率、更高功率等級、更高直流電壓、更智能化的方向發展。另外,隨著全球可再生分布式能源的大規模應用,逆變器結合儲能技術將是保障分布式電網穩定運行和規模化應用的重要發展方向。

2.1更高效率

隨著電力電子技術的進步,拓撲結構的優化,控制算法的優化以及各種新材料、新器件的市場化應用,逆變器的效率不斷提高,一些行業領先廠家的逆變器最大效率已經超越了99%。逆變器效率的提高給投資者帶來了最直接的經濟效益,以100MW電站為例,按年日照峰值小時數1500h0.9/度電價計算,逆變器效率提升0.2%25年生命周期內可帶來675萬元收益提升。目前光伏行業提出了“中國效率”的指標,反映逆變器在中國不同日照和氣溫區域的發電效率的加權效果,這個指標更適用于中國國情。

2.2更高功率等級

提高單個功率單元的容量,可以降低系統成本,目前在歐美等光伏應用領先的市場,容量1.5MW~2.5MW的功率單元是集中式光伏電站的主流方案。而提高逆變器的功率等級,可以減少單個功率單元的逆變器數量,進一步降低系統成本。單機容量增大后,運輸、安裝成本降低,系統箱變、通訊、高壓電壓等部件成本大幅度降低。以2.5MW集中式方案和傳統1MW集中式方案系統配置布局對比為例,2.5MW方案可降低系統成本約為0.12/W,即對于100MW電站,可降低約1200萬初始投資。2014年德國逆變器廠家SMA發布了單機容量2457KVA的集中式逆變器。國內大型電站也在做這方面的嘗試,早在2013年國內西北電站就出現了單個功率單元2MW的應用案例。

此外,組串式逆變器的單機功率也在不斷增大,目前組串式逆變器功率等級最大已達到單機60KW以上,并有繼續增大的趨勢。

2.3更高直流電壓

通過提高光伏系統的交直流電壓,以降低光伏系統成本及提高光伏系統發電效率是未來的發展趨勢。近年來,1500V直流系統受到越來越多的關注。以目前的供應鏈價格水平,不包含組件,1500V直流系統相比1000V直流系統可以降低成本約0.2/W,意味著100MW的電站系統成本可以節省2000萬元。同時抬升交直流電壓還可以降低線纜損耗,提高發電量。目前1500V組件、匯流箱等相關部件已滿足小批量生產條件,部分逆變器廠家也推出了1500V的逆變器產品。預計2016年以后會逐漸從小批量示范階段到大面積應用推廣。

2.4更加智能化

逆變器的智能化體現在數據監測的廣度、深度,數據處理的實時性、準確性,與外部交互的友好性、便捷性上。早期的光伏電站監控只能獲取電站整體及一個功率單元最基本的數據,難以對電站運行狀態作細致與準確的判斷。隨著行業內對電站監控要求的不斷提高,目前已經實現了光伏組串級的監控。而逆變器自身的運行監控也精細到了單一部件級別,通過對關鍵部件運行情況的實時監測,及時了解設備的運行情況,同時對可能發生的故障進行提前預警。

隨著互聯網+“概念在光伏行業的推廣,使光伏系統的智能化上了一個新的臺階。光伏系統的運行監測信息都將通過自動運維平臺實時上傳至監控中心和運維系統,通過電話、APP等方式第一時間傳遞到運維人員手中,以便快速進行問題處理,大大提高了電站運維的效率,降低系統發電量損失。同時進一步通過大數據挖掘分析,對電站進行優化升級,提高系統效率。由于光伏逆變器是組件和電網之間的橋梁,系統的所有直流信號和交流信號都是通過逆變器進行上傳,因此要實現上述功能,核心是逆變器的智能化。

2.5與儲能系統的結合

逆變器與儲能技術的結合,可以帶來多個優點:(1)儲能技術可以彌補光伏發電隨天氣變化的隨機性、波動性的缺陷,提高光伏發電的電能品質;(2)減少棄光限電問題,儲能系統在棄光限電期間將光伏多余電力儲存起來,在光伏電力不足時將電力釋放出來;(3)在微電網中,增加儲能功能的光伏逆變器可以參與電力調頻,提高AGC調度的響應速度和控制精度,提高電力發電機組的經濟性;(4)在戶用分布式發電中,帶儲能功能的光伏逆變器不僅可以充分利用太陽能,還能參與分時電價的電能調節,優化電力消費行為。

3逆變器可靠性

無論逆變器向哪個方向發展,其主要任務是能夠安全、高效、可靠的將光伏組件輸出的直流電轉換為交流電并入電網,這是現行各種技術標準最基本的關注點。因此,逆變器的可靠性是關鍵,可靠性對整個光伏系統的安全穩定運行、經濟效益乃至投資決策產生了重要影響,因此,逆變器的發展必須保證可靠性。

逆變器可靠性簡單的說是逆變器在規定的條件下,實現預期目標的能力,也就是逆變器在預定條件下正常運行的可靠度。首先,逆變器需要具有良好的環境適應性。由于光伏系統經常建設在嚴寒、高溫、高濕、高海拔、風沙大等環境惡劣地區,逆變器需要具備相當的環境適應能力。其次,逆變器需要具備良好的電網適應性能,并網逆變器與電網直接連接,在輸送給電網的電能滿足要求的條件下,其自身需適應電網環境的變化,如具備低電壓穿越、零電壓穿越、高電壓穿越能力,以保證在電網出現問題時光伏系統不會大規模脫網,造成事故擴大。

4 結語

光伏行業正面臨前所未有的發展機遇,逆變器作為光伏系統最核心的部件之一,未來發展空間巨大。隨著光伏系統需求多樣化及電力電子、互聯網等新技術的進步,逆變器朝著更高效率、高功率等級、更高直流電壓、更智能化的方向發展。同時,逆變器自身的可靠性是最根本的因素,逆變器設計需要充分考慮各種因素,確保逆變器具有良好的環境適應性和電網適應性能。

光伏的發展離不開國家政策的支持。從國家金太陽工程到特許權招標,再到分布式相關政策及按電價補貼政策,正是得益于這一系列政策的激勵,近年來國內光伏行業才能快速發展。在新的發展形勢下,光伏行業仍然需要國家政策支持與導向,如針對西北地區光伏電站的拉閘限電問題,需要提高電網接納能力以解決光伏“棄光”問題,以及推進電站相關標準的制定,引導行業健康有序發展等,都需要相關政策的推動。

 

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