逆变器技术及可靠性

无论逆变器向哪个方向发展,其主要任务是能够安全、高效、可靠的将光伏组件输出的直流电转换为交流电并入电网,这是现行各种技术标准最基本的关注点。因此,逆变器的可靠性是关键,可靠性对整个光伏系统的安全稳定运行、经济效益乃至投资决策产生了重要影响,因此,逆变器的发展必须保证可靠性。
摩尔光伏     2017-3-13 15:27:06
 

0 引言

太阳能具有可再生、清洁、分布广泛等特点,是传统化石能源的理想替代能源之一,因而得到全世界范围的重视和开发利用。光伏发电是太阳能利用的最重要的方式之一,2014年及以前的全球光伏总安装容量为180GW,其中国内为30GW左右。国际市场研究公司IHS预测到2019年全球累计光伏安装量将达到约500GW;我国十三五规划初步制定的目标为,到2020年底光伏总安装容量要达到100GW

光伏发电系统包括光伏组件、逆变器、电网等3个主要部分。光伏组件将太阳能转换为直流电能,电网以交流电形式进行输配电。而逆变器是连接光伏组件和电网之间的桥梁,负责将直流电转换成交流电后馈入电网,需要符合并执行相关电网规约。逆变器是整个光伏发电系统里最核心的部件,其性能和可靠性对光伏发电系统的电网友好性及投资者收益起到决定性作用。

1逆变器技术及应用现状

逆变器可以分为并网型和离网型两类。目前光伏发电系统中,大约99%采用并网型逆变器。并网型逆变器可以按照拓扑结构、隔离方式、输出相数、功率等级、功率流向等进行分类。最常见的分类方式是按照应用场景和功率等级划分,可分为微型逆变器、组串式逆变器和集中式逆变器三大类。

微型逆变器的功率一般为几百瓦,通常配置1块电池板,特点是可以对单块光伏组件进行MPPT(最大功率点跟踪,使设备输出当前最大功率),体积轻便便于安装,并且由于不需要电池板串联,系统直流电压低,安全性高。但是系统成本较高,单机功率低导致系统配置的逆变器数量多,故障率较高,目前在北美的户用系统中应用较多。

组串式逆变器功率在几千瓦到几十千瓦范围,配置多个光伏组串,通常每个组串由20余块光伏组件串联而成。组串式逆变器可以对1个或数个光伏组串进行MPPT,系统成本介于采用微型逆变器和集中式逆变器的系统之间。

集中式逆变器单机功率从一百千瓦到兆瓦级不等,采用集中式逆变器的光伏系统设备数量少、可靠性高,更容易符合电网规范,系统成本低,缺陷是MPPT数量较少,对光伏组件的功率优化不够精细,因而不适合用在气候多变、地形复杂等导致光伏组件差异较大的区域。

在光伏发电应用的早期,由于大功率设备技术不够成熟,组串式逆变器最先得到应用,我国最早的光伏并网案例是2003年应用于上海奉贤的10kW项目,采用的是阳光电源研制的10KW组串式逆变器。随着组件技术、电力电子技术和逆变器技术的不断进步,以及在国家政策的引导和激励下,光伏装机量不断提高。为了进一步降低系统成本,单机容量在100kW以上的集中式逆变器应运而生,逐渐发展到现在以单机500kW集中式逆变器、共用升压变压器的单个发电单元为1-2MW的主流应用形式。近年来,集中式逆变器技术日益成熟,在大型电站中获得了广泛应用。

2013年,国家再次出台了相关政策,鼓励发展屋顶、荒山荒地等复杂地形地区的分布式光伏发电项目。组串式逆变器以单机容量小,多路MPPT,配置灵活,可有效地解决朝向和遮挡问题等优势,在分布式光伏发电应用中逐渐增多。

2逆变器发展方向

近年来,逆变器的发展呈现多样化的趋势,一方面,光伏电站的应用类型呈现多样化发展,大型荒漠电站、荒山荒地、渔光互补、农光互补、分布式屋顶等各种应用不断增多,对逆变器的要求日趋多样化。另一方面,电力电子技术、元器件等多种新技术的快速发展及与互联网技术的整合也带动逆变器产业的不断进步,逆变器正朝着更高效率、更高功率等级、更高直流电压、更智能化的方向发展。另外,随着全球可再生分布式能源的大规模应用,逆变器结合储能技术将是保障分布式电网稳定运行和规模化应用的重要发展方向。

2.1更高效率

随着电力电子技术的进步,拓扑结构的优化,控制算法的优化以及各种新材料、新器件的市场化应用,逆变器的效率不断提高,一些行业领先厂家的逆变器最大效率已经超越了99%。逆变器效率的提高给投资者带来了最直接的经济效益,以100MW电站为例,按年日照峰值小时数1500h0.9/度电价计算,逆变器效率提升0.2%25年生命周期内可带来675万元收益提升。目前光伏行业提出了“中国效率”的指标,反映逆变器在中国不同日照和气温区域的发电效率的加权效果,这个指标更适用于中国国情。

2.2更高功率等级

提高单个功率单元的容量,可以降低系统成本,目前在欧美等光伏应用领先的市场,容量1.5MW~2.5MW的功率单元是集中式光伏电站的主流方案。而提高逆变器的功率等级,可以减少单个功率单元的逆变器数量,进一步降低系统成本。单机容量增大后,运输、安装成本降低,系统箱变、通讯、高压电压等部件成本大幅度降低。以2.5MW集中式方案和传统1MW集中式方案系统配置布局对比为例,2.5MW方案可降低系统成本约为0.12/W,即对于100MW电站,可降低约1200万初始投资。2014年德国逆变器厂家SMA发布了单机容量2457KVA的集中式逆变器。国内大型电站也在做这方面的尝试,早在2013年国内西北电站就出现了单个功率单元2MW的应用案例。

此外,组串式逆变器的单机功率也在不断增大,目前组串式逆变器功率等级最大已达到单机60KW以上,并有继续增大的趋势。

2.3更高直流电压

通过提高光伏系统的交直流电压,以降低光伏系统成本及提高光伏系统发电效率是未来的发展趋势。近年来,1500V直流系统受到越来越多的关注。以目前的供应链价格水平,不包含组件,1500V直流系统相比1000V直流系统可以降低成本约0.2/W,意味着100MW的电站系统成本可以节省2000万元。同时抬升交直流电压还可以降低线缆损耗,提高发电量。目前1500V组件、汇流箱等相关部件已满足小批量生产条件,部分逆变器厂家也推出了1500V的逆变器产品。预计2016年以后会逐渐从小批量示范阶段到大面积应用推广。

2.4更加智能化

逆变器的智能化体现在数据监测的广度、深度,数据处理的实时性、准确性,与外部交互的友好性、便捷性上。早期的光伏电站监控只能获取电站整体及一个功率单元最基本的数据,难以对电站运行状态作细致与准确的判断。随着行业内对电站监控要求的不断提高,目前已经实现了光伏组串级的监控。而逆变器自身的运行监控也精细到了单一部件级别,通过对关键部件运行情况的实时监测,及时了解设备的运行情况,同时对可能发生的故障进行提前预警。

随着互联网+“概念在光伏行业的推广,使光伏系统的智能化上了一个新的台阶。光伏系统的运行监测信息都将通过自动运维平台实时上传至监控中心和运维系统,通过电话、APP等方式第一时间传递到运维人员手中,以便快速进行问题处理,大大提高了电站运维的效率,降低系统发电量损失。同时进一步通过大数据挖掘分析,对电站进行优化升级,提高系统效率。由于光伏逆变器是组件和电网之间的桥梁,系统的所有直流信号和交流信号都是通过逆变器进行上传,因此要实现上述功能,核心是逆变器的智能化。

2.5与储能系统的结合

逆变器与储能技术的结合,可以带来多个优点:(1)储能技术可以弥补光伏发电随天气变化的随机性、波动性的缺陷,提高光伏发电的电能品质;(2)减少弃光限电问题,储能系统在弃光限电期间将光伏多余电力储存起来,在光伏电力不足时将电力释放出来;(3)在微电网中,增加储能功能的光伏逆变器可以参与电力调频,提高AGC调度的响应速度和控制精度,提高电力发电机组的经济性;(4)在户用分布式发电中,带储能功能的光伏逆变器不仅可以充分利用太阳能,还能参与分时电价的电能调节,优化电力消费行为。

3逆变器可靠性

无论逆变器向哪个方向发展,其主要任务是能够安全、高效、可靠的将光伏组件输出的直流电转换为交流电并入电网,这是现行各种技术标准最基本的关注点。因此,逆变器的可靠性是关键,可靠性对整个光伏系统的安全稳定运行、经济效益乃至投资决策产生了重要影响,因此,逆变器的发展必须保证可靠性。

逆变器可靠性简单的说是逆变器在规定的条件下,实现预期目标的能力,也就是逆变器在预定条件下正常运行的可靠度。首先,逆变器需要具有良好的环境适应性。由于光伏系统经常建设在严寒、高温、高湿、高海拔、风沙大等环境恶劣地区,逆变器需要具备相当的环境适应能力。其次,逆变器需要具备良好的电网适应性能,并网逆变器与电网直接连接,在输送给电网的电能满足要求的条件下,其自身需适应电网环境的变化,如具备低电压穿越、零电压穿越、高电压穿越能力,以保证在电网出现问题时光伏系统不会大规模脱网,造成事故扩大。

4 结语

光伏行业正面临前所未有的发展机遇,逆变器作为光伏系统最核心的部件之一,未来发展空间巨大。随着光伏系统需求多样化及电力电子、互联网等新技术的进步,逆变器朝着更高效率、高功率等级、更高直流电压、更智能化的方向发展。同时,逆变器自身的可靠性是最根本的因素,逆变器设计需要充分考虑各种因素,确保逆变器具有良好的环境适应性和电网适应性能。

光伏的发展离不开国家政策的支持。从国家金太阳工程到特许权招标,再到分布式相关政策及按电价补贴政策,正是得益于这一系列政策的激励,近年来国内光伏行业才能快速发展。在新的发展形势下,光伏行业仍然需要国家政策支持与导向,如针对西北地区光伏电站的拉闸限电问题,需要提高电网接纳能力以解决光伏“弃光”问题,以及推进电站相关标准的制定,引导行业健康有序发展等,都需要相关政策的推动。

 

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