20160104組串式VS集中式：光伏逆變器究竟選誰

組串式VS集中式：光伏逆變器究竟選誰？發(fā)表于：2016-01-1401:01:51來源：太陽能2014年慕尼黑InterSolar論壇上，資深光伏從業(yè)人士ManfredBachler（曾是全球最大EPC廠商PhoenixSolar的首席技術(shù)官）提出了用組串式逆變器改造現(xiàn)存的集中式逆變器的方案，給出的結(jié)論是5?6年可收回改造成本，主要是因為集中式逆變器維護麻煩、可用性差，僅在可用度方面就比組串式逆變器差6%。近日，行業(yè)內(nèi)對于組串式與集中式逆變器的故障率、可靠性眾說紛紜。本文將從以下幾個角度詳細分析，拋磚引玉。1、系統(tǒng)可靠性基本原理差異組串式方案組件和逆變器直接相連，逆變器輸出通過升壓變接入電網(wǎng)，輸變電鏈路設(shè)備少，直流線纜短，輸電主要以交流線纜為主；集中式方案主要設(shè)備有直流匯流箱、直流配電柜、逆變器及升壓變，輸變電鏈路設(shè)備多，輸電線路直流線纜較多。本文將從以下幾個方面分析系統(tǒng)方案可靠性原理差異。直流和交流線路對系統(tǒng)安全性能的影響直流電特點是易產(chǎn)生拉弧故障且不易熄滅，存在無法撲滅的風險，因為只要有光照，就會有電流產(chǎn)生，危害性大；交流電由于存在過零點，即使發(fā)生電弧故障，電弧也會在過零點處熄滅，危害性小。系統(tǒng)故障響應時間交流側(cè)出現(xiàn)短路故障時，由于能量來自于電網(wǎng)，能量足夠大，電氣保護設(shè)備可及時跳脫，切斷短路路徑，保護用電設(shè)備；直流側(cè)短路時，

由于故障電流小，且斷路器常有降額設(shè)計，斷路器不能快速保護切斷短路路徑，其間可能出現(xiàn)絕緣老化、軟化，進而引發(fā)火災。圖1直流線纜間發(fā)生短路燒毀圖2直流斷路器拉弧起火關(guān)鍵設(shè)備成熟度由于交流電技術(shù)已發(fā)展了100多年，發(fā)電技術(shù)穩(wěn)定、成熟，應用范圍廣，與之相關(guān)的電器件也已發(fā)展成熟。而光伏直流電保護技術(shù)積累少，有很多亟待解決的技術(shù)難題；且直流電壓范圍廣，能量差異較大，相關(guān)應用器件發(fā)展還不成熟，如用于高壓直流保護的器件，只有極少數(shù)廠家才能提供。系統(tǒng)關(guān)鍵器件選型當前，逆變器器件選型時，部分廠家為追求低成本，交流斷路器用在集中式逆變器直流側(cè)的現(xiàn)象非常普遍，這樣會給系統(tǒng)帶來極大的安全隱患。首先，由于交流電和直流電電壓等級不同，交流斷路器用于直流場景，工作電壓超出器件額定電壓，長期使用會造成斷路器功能失效，安全隱患大；其次，由于直流電壓等級高，工作電流大，斷路器切斷過程易產(chǎn)生電弧，直流和交流特點不同，斷路器滅弧裝置設(shè)計也勢必不同，當交流斷路器應用在直流場景時，直流電弧不能有效熄滅，如果電弧持續(xù)太久（幾十ms），則會產(chǎn)生爆炸事故。分析對比從以上系統(tǒng)角度分析可知，組串式逆變器比集中式逆變器可靠性更好，組串式方案比集中式方案更安全、更可靠。據(jù)統(tǒng)計，集中式逆變器幾乎每月都有起火燒毀的重大事故；而組串式直流線纜很短，交流部分安全性經(jīng)過100多年驗證，全球范圍至今10G以上組串式電站，還未聽說發(fā)生過嚴重的起火事故。2、逆變器失效率差異集中式和組串式逆變器由于功率等級不同，其結(jié)構(gòu)特點、散熱方式，以及防護等級等，都會有所不同，從而整機失效率也會存在差異。組串式逆變器失效率業(yè)界一些知名的組串式逆變器廠家按照25年系統(tǒng)可靠運行設(shè)計，采用自然散熱方式，無外置風扇，實現(xiàn)內(nèi)外部的環(huán)境隔離，防護等級達IP65，可使內(nèi)部器件保持在無塵和穩(wěn)定的環(huán)境中運行，大幅降低了溫度、風沙、濕氣、鹽霧等外部環(huán)境對器件壽命的影響，可靠性大幅增強。同時系統(tǒng)無易損部件，無熔絲等需定期更換的器件，整機故障率小于1%，實現(xiàn)了系統(tǒng)免維護。集中式逆變器失效率集中式逆變器方案一般采用常規(guī)的土建房或集裝箱式機房，防護等級IP54，但因機房普遍采用直通風式散熱方案，實際只能達到IP44或者更低，無法阻擋風沙、灰塵和腐蝕性氣體進入逆變器。因此集中式逆變器內(nèi)部電路器件容易暴露在惡劣的工作環(huán)境下，如灰塵在逆變器內(nèi)電路板、端子排等的累積會造成爬電距離減小，最終造成放電、起火等安全風險。

圖3圖3逆變器機房的灰塵圖4逆變房內(nèi)直流柜內(nèi)部的灰塵濕塵在PCB或元器件間易形成漏電效應和腐蝕效應，造成信號的異?；蚋邏豪〈蚧?，還有可能造成電網(wǎng)對PE的短路，引起逆變器異常關(guān)機或炸毀。同時逆變器風扇是易損件，平均使用壽命約為5年。北方很多電站是在戈壁灘上建設(shè)，實際上是典型的鹽堿地，灰塵中含大量的鹽離子成分。在晝夜間歇工作模式下，發(fā)生腐蝕和漏電的概率比常規(guī)的電氣設(shè)備大很多；據(jù)統(tǒng)計，集中式逆變器失效率大于3%。分析對比通過以上幾方面對比分析可知，集中式逆變器失效率是組串式逆變器的3倍以上，組串式逆變器相比集中式逆變器，可靠性更高、系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。3、逆變器散熱原理差異由于功率等級不同，組串式逆變器和集中式逆變器發(fā)熱程度會有很大差異，逆變器散熱方式?jīng)Q定了產(chǎn)品整機可靠性。熱產(chǎn)生機理差異組串式逆變器單個功耗數(shù)百W，可實現(xiàn)自然散熱設(shè)計，且可滿足60℃環(huán)境溫度下可靠運行。集中式逆變器，尤其是10尺集裝箱方案，1MW的損耗高達30kW，相當于有30個1kW的電爐絲在10尺集裝箱內(nèi)部烘烤，單靠幾個風扇是很難實現(xiàn)可靠散熱的，極大地增加了燒機的風險。應用環(huán)境對逆變器散熱影響西部地面電站，組串式逆變器安裝在組件上，環(huán)境開曠、通風好，逆變器散熱良好；集中式逆變器安裝在機房中，由于西北地區(qū)風沙嚴重，集中式逆變器機房中積灰導致防塵網(wǎng)堵塞、整機散熱性能變差，大功耗器件溫度急劇上升，引起溫度告警，更嚴重時會導致內(nèi)部IGBT器件損壞，設(shè)備不斷重啟，甚至燒壞。表1為西北地面電站逆變器溫度測試結(jié)果?？煽闯觯捎诩惺侥孀兤靼惭b于機房內(nèi)，溫升比組串式高，在炎熱夏天，機房內(nèi)溫度超過50℃是經(jīng)常的事情，集中式逆變器柜體內(nèi)溫度更高更惡劣，而高溫帶來的是器件壽命降低、整機降額運行，甚至炸機隱患。今年上半年以來，幾乎每月都有因為散熱問題導致集中式逆變器出現(xiàn)炸機等嚴重事故。表1西北地面電站逆變器溫度測試表格□環(huán)溫rc機內(nèi)溫度rc備注組串式21.043.822.8安裝于電池板下方集中式23.053030.0安裝于機房內(nèi)4、逆變器可用度和可維護性逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其可用度和可維護性對光伏系統(tǒng)可靠性、發(fā)電量、發(fā)電收益產(chǎn)生決定性作用。下文從兩方面對比分析集中式逆變器和組串式逆變器對系統(tǒng)可靠性的影響?？捎枚葰W洲應用的頂級組串式逆變器，其MTBF可做到35萬h,年失效率均在1%以下，部分廠家可做到低于0.5%;而集中式常規(guī)的MTBF一般只能做到5萬?10萬h。可維護性故障發(fā)生時，集中式一般需廠家的專業(yè)人員到場定位及維修，處理時間長，發(fā)電量損失大;而組串式逆變器可直接由現(xiàn)場運維人員進行更換處理，簡單快捷，先保證發(fā)電，然后再對故障機器進行分析、維修。表2說明了集中式逆變器和組串式逆變器故障維護差異及對系統(tǒng)的影響程度。表一2故障發(fā)生時，集中式加組串式逆變囂彩朝對比逆變器類型故障處理故障分析整機更換處理時間發(fā)電疝肥咤集中式廠害專業(yè)人員到場定位、維修廠家卷業(yè)人員定位，分析重型機械人跖，更換雅度大至少5?7天，有的峰十幾天，甚拳1個月維修期內(nèi)，每天損失IMW子陣發(fā)電登組串式現(xiàn)場運維人員更換先更換整機，再道互故1?分析兩名運維人費可更換完畢301UIE1維修期內(nèi)［如min）損失幾十1c嗝發(fā)電量通常，由于受軟件和硬件匹配等影響，集中式逆變器必須使用原廠家的備件，一旦廠家倒閉，未來維護將會被迫中斷；而組串式逆變器5年維保期內(nèi)，免費替換，質(zhì)保期外的故障機器，可借助現(xiàn)代物流平臺返廠維修，僅需收取少量維修費用；若某些組串式品牌若干年后倒閉或已不存在，也可重新更換一臺其他品牌的組串式逆變器，更換成本較低，對系統(tǒng)整體發(fā)電量的影響甚微。因此組串式逆變器維護成本遠低于集中式逆變器。集中式逆變器和組串式逆變器故障修復時對發(fā)電量的影響如圖5所示。集中式逆電組小式逆變器故除機器更換便捷人），發(fā)電早損失提微圖5集中式和組串式逆變器故障修復時發(fā)電量影晌對比5、結(jié)論綜上所述，組串式逆變器相比集中式，無論是在故障率、系統(tǒng)安全性還是運維成本方面都更占優(yōu)勢，系統(tǒng)可靠性更好，能保證電站長期安全、可靠運營。在過去10多年逆變器的發(fā)展過程中，歐洲的技術(shù)領(lǐng)先全球市場2?3年，是技術(shù)和市場的風向標；中國、美國和日本等市場，基本上是跟隨歐洲的路線，同時吸收歐洲的經(jīng)驗和教訓?，F(xiàn)在以SMA為代表的技術(shù)廠家在美國和歐洲正在力推組串式方案。國內(nèi)越來越多的光伏電站也正在采用組串式方案。可見，組串式正在成為光伏電站建設(shè)的主流方案。圖6為2014年IHS調(diào)研組串式逆變器使用情況調(diào)查結(jié)果。愿意選用這中式逆變器（電站系統(tǒng)容量AlMW）愿意選用組串式逆空器（電站系統(tǒng)容量任iOOkW-lKW）愿意選用這中式逆變器（電站系統(tǒng)容量AlMW）愿意選用組串式逆空器（電站系統(tǒng)容量任iOOkW