集中式与组串式大型光伏电站系统的对比分析

集中式与组串式大型光伏电站系统的对比分析吴伟宾(上海太阳能科技有限公司，上海 200000 13661466875 weibin.wu@ht-saae.com) 摘要： 为了提高光伏逆变器 MPPT跟踪精度， 组串型逆变器逐渐被应用到大型光伏电站中。与传统集中式光伏系统相比，组串式系统由于其多路 MPPT跟踪、系统损耗较小、发电量高、系统配置灵活性、维护方便等特点，可以有效提高投资回报。本文主要介绍了两种光伏系统拓扑结构及各自的特点，并且重点对比分析二者的系统效率和投资成本，以便为后续的电站设计提供相应参考性意见。关键词： 集中式 组串式 系统效率0 引文2014 年，国家能源局通知本年度国内光伏新装总计划容量达 14G，其中分布式8G，地面电站 6G，很大幅度加大了对分布式光伏系统建设的扶持力度，分布式光伏电站将迎来一个前所未有的发展机会。特别是信息行业巨头华为的加入，极力推行组串型逆变器，更是让原本就不平静的光伏行业一石激起千层浪。基于组串型逆变器的组串式系统由于其多路 MPPT跟踪、 系统损耗较小、 发电量高、系统配置灵活性、维护方便等特点，在复杂多变的分布式系统中，固然能明显的体现其优势。而且，随着大型地面电站区域的逐渐东移和建设用地地形的逐渐复杂化，通过增加 MPPT跟踪路数来提高系统发电量逐渐成为一种较为容易实现的途径，因此也为组串式系统创造了肥沃的生长土壤。但是，按如今的市场行情，组串式系统其初次投资较集中式系统多出 1%-5%的建设成本，因此，在不同的项目中，需通过对两个系统的结构特点和总投资收益率方面加以对比分析，从而选择性价比最高的系统构架。1 方案介绍1.1 集中式系统图 1 集中式光伏系统结构集中式系统解决方案：一般采用 1MW发电单元设置，内置 12 台 16 进 1 出直流汇流箱、 2 台 500kW直流配电柜、 2 台 500kW并网逆变器、 1 台双分裂箱变等设备。其中，光伏组件所发直流电经直流汇流箱和直流配电柜两级汇流后由逆变器集中逆变成三相交流电，最后经箱变升压接入电网供电。主要优势有：（ 1） 逆变器数量少，便于管理；（ 2） 逆变器元器件数量少，可靠性高；（ 3） 谐波含量少，直流分量少电能质量高；（ 4） 逆变器集成度高，功率密度大，成本低；（ 5） 逆变器各种保护功能齐全，电站安全性高；（ 6） 有功率因素调节功能和低电压穿越功能，电网调节性好。主要缺点有：（ 1） 直流汇流箱故障率较高，影响整个系统。（ 2） 集中式逆变器 MPPT 电压范围窄，一般为 450-820V，组件配置不灵活。在阴雨天，雾气多的部区，发电时间短。（ 3） 逆变器机房安装部署困难、需要专用的机房和设备。（ 4） 逆变器自身耗电以及机房通风散热耗电，系统维护相对复杂。（ 5） 集中式并网逆变系统中，组件方阵经过两次汇流到达逆变器，逆变器最大功率跟踪功能（ MPPT）不能监控到每一路组件的运行情况，因此不可能使每一路组件都处于最佳工作点，当有一块组件发生故障或者被阴影遮挡，会影响整个系统的发电效率。（ 6） 集中式并网逆变系统中无冗余能力，如有发生故障停机，整个系统将停止发电。1.2 组串式系统图 2 组串式光伏系统结构组串式系统解决方案：一般采用 1MW发电单元设置，内置 40 台 25kW并网逆变器、 5 台 8 进 1 出交流汇流箱、 1 台双绕组箱变等设备。其中，光伏组件所发直流电由逆变器逆变成三相交流电后再经交流汇流箱汇流经箱变升压接入电网供电。与集中式系统截然不同的是，采用交流汇流直接取消了直流汇流箱和直流配电柜。主要优势有：（ 1） 组串式逆变器采用模块化设计，每个光伏串对应一个逆变器，直流端具有最大功率跟踪功能，交流端并联并网，其优点是不受组串间模块差异，和阴影遮挡的影响，同时减少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，最大程度增加了发电量。（ 2） 组串式逆变器 MPPT 电压范围宽，一般为 250-800V，组件配置更为灵活。在阴雨天，雾气多的部区，发电时间长。（ 3） 组串式并网逆变器的体积小、重量轻，搬运和安装都非常方便，不需要专业工具和设备，也不需要专门的配电室，在各种应用中都能够简化施工、减少占地，直流线路连接也不需要直流汇流箱和直流配电柜等。组串式还具有自耗电低、故障影响小、更换维护方便等优势。主要缺点有：（ 1） 电子元器件较多，功率器件和信号电路在同一块板上，设计和制造的难度大，可靠性稍差。（ 2） 功率器件电气间隙小，不适合高海拔地区。户外型安装，风吹日晒很容易导致外壳和散热片老化。（ 3） 不带隔离变压器设计， 电气安全性稍差，不适合薄膜组件负极接地系统，直流分量大，对电网影响大。（ 4） 多个逆变器并联时，总谐波高，单台逆变器 THDI 可以控制到 2%以上，但如果超过 40 台逆变器并联时，总谐波会迭加。而且较难抑制。（ 5） 逆变器数量多，总故障率会升高，系统监控难度大。（ 6） 没有直流断路器和交流断路器，没有直流熔断器，当系统发生故障时，不容易断开。（ 7） 单台逆变器可以实现零电压穿越功能， 但多机并联时，零电压穿越功能、无功调节、有功调节等功能实现较难 [1-3]。2 方案对比1.2.1 成本对比如表 1 所示，在 1MW发电单元内，组串式系统比集中式系统在一次性投资方面高出约 0.23 元 /W。表 1 1MW光伏 35KV并网系统费用比较表序号设备 型号集中式 组串式数量 单价 / 元 总价 / 元 数量 单价 / 元 合计 / 元1 汇流箱 16进 1出 12 4590 55080 0 0 0 2 直流配电柜 500kW 6进 6出 2 18800 37600 0 0 0 3 集中式逆变器 500KTL 2 188000 376000 0 0 0 4 双分裂箱变S11-1100/35 37± 2× 2.5％/0.315 Y-d11 Uk%=6.5% 1 298000 298000 0 0 0 5 组串式逆变器 25kW 0 0 0 40 16800 672000 6 交流汇流箱 8进 1出 0 0 0 5 12200 61000 7 双绕组箱变S11-1100/35 37± 2× 2.5％/0.48 Y-d11 Uk%=6.5% 0 0 0 1 279000 279000 8 光伏专用电缆 PV1-F 1×4 12000 3.3 39600 4200 3.3 13860 9 低压电力电缆ZR-YJV23-1.0-2× 50 1200 51.9 62280 0 0 0 10 低压电力电缆ZR-YJV23-1.0-3× 120200 176.6 35320 0 0 0 11 低压电力电缆ZR-YJV23-1.0-3× 6 0 0 0 1500 11.5 17250 12 低压电力电缆ZR-YJV23-1.0-3× 185 0 0 0 600 313 187800 13 网线 4× 2× 0.5 1200 2.66 3192 2400 2.66 6384 14 逆变器室 1 100000 100000 0 0 0 15 合计（元） 1007072 1237294 16 单价（元 /W） 1.007 1.237 1.2.2 发电量对比如表 2 所示， 虽然地理环境的不一致， 逆变器组串失配带来的 MPPT损失也不近相 同 ， 但 是 ， 一 般 情 况 下 组 串 式 系 统 均 比 集 中 式 系 统 在 发 电 量 方 面 高 出 约1.55%~3.55%。特别是在地形更为复杂多变的区域表现出的差异约为明显。表 2 1MW光伏 发电量 对比表序号项目 集中式 组串式 差异1 汇流箱损耗 30W 0 0.115% 2 直流配电柜监控损耗 20W 0 0.022% 3 机房散热及环境检测设备功耗330W 0 0.066% 4 夜间功耗 200W 40W 0.044% 5 传输电缆和开关功率 1.6% 1.3% 0.3% 6 组串失配带来的 MPPT损失 1%~3% 0 1%~3%7 合计 1.55%~3.55%4 结论综上所述，集中式光伏系统和组串式光伏系统各有优缺点：集中式光伏系统虽然发电量比组串式略低一点，但是其投资成本较低，适宜用在朝向一致、环境单一的平地光伏电站；而组串式系统由于其多路 MPPT跟踪、系统损耗较小、发电量高、系统配置灵活性、维护方便等特点，适宜用在复杂多变的分布式系统中和朝向不一的山地光伏电站。因此，在实际应用中，需结合地形地貌、环境变量、投资成本、发电量等方面加以选择使用何种系统构架，以便取得更为理想的投资回报。参考文献[1] 刘继茂 . 集中式逆变器和组串式逆变器选型之比较 . 阳光工匠光伏网 . [2] 陈维 , 沈辉 , 邓幼俊 , 舒杰 . 光伏发电系统中逆变器技术应用及展望 . 电力电子技术 ,2006 40(4):130-133. [3] 秦天像 . 逆变器在光伏发电系统中的应用 . 甘肃科技 ,2011,27(17) ： 71-72. 作者简介：吴伟宾，男，工学硕士，上海太阳能科技有限公司，副主任设计师，主要从事光伏发电系统设计，上海市闵行区申南路 555号， 201108， 13661466875， weibin.wu@ht-saae.com 。