组串式逆变器超配能力调查

作者：原中国电力工程顾问集团华东电力设计院副总工程师林利民（教授级高工）组串式逆变器超配能力调查1、引言光伏系统由于组件功率的衰减、 灰尘遮挡以及线路损耗的存在， 再加上不同地区的光照条件差异， 为了最优化系统收益， 有经验的设计工程师会把光伏组件的总容量配得比逆变器容量大一些， 这种情况被称为超配。 适当的超配可以提高电站系统整体收益。 在超配设计中，集中式大型逆变器由于单机功率大， 每路组串的功率相对单机额定功率非常小， 在直流输入配置时非常灵活，因此很容易进行超配设计，这已为电站业主所接受并广泛应用。在小型屋顶电站和小型山丘电站使用组串式逆变器有优势， 这些组串逆变器能否满足超配设计要求以及超配设计能力如何？笔者对国内外一些主流组串式逆变器厂家进行了调查分析， 发现绝大部分厂家组串式逆变器都可达到 1.1 倍、 甚至更高的超配能力，但同时也发现个别组串式逆变器厂家的产品在设计上存在严重缺陷， 不仅不具备超配能力， 甚至无法用足逆变器的额定功率。逆变器实际可用功率大打折扣 ,直接导致用户初始投资的增加。2、组串式逆变器超配设计要求组串式逆变器由于单机功率小，具有多路 MPPT 的特点，适用于小型屋顶、小型山丘等复杂分布式电站，可以有效解决组件布局不规则、不同朝向、局部遮挡等问题。随着国内分布式应用发展，组串式逆变器的应用也不断增加。在超配设计中，除了考虑系统损耗以外，最优容配比（组件容量：逆变器容量）主要是由电站所处位置的光照条件决定的。 国内分布式电站大多数分布在我国东南部地区， 根据国家气象局风能太阳能评估中心的资源区域分类，多数处于 II ， III, IV 类光照资源区，光照条件相对较差。在此类地区，容配比至少需要在 1.1 倍以上，才能达到最优的系统度电成本，投资者的收益才能最大化。在超配设计时，对组串式逆变器有哪些具体要求呢？2.1 需要评估逆变器实际可用交流侧功率超配是光伏电站的组件容量相对交流侧容量而言的。 对于一个光伏电站， 其容量应该以交流功率侧容量来标定。例如一个 20MW 电站，是指其交流侧输出功率可以达到 20MW ，而非直流侧组件功率是 20MW 。对于逆变器来讲，也是同样的，首先要关注其交流额定功率参数，然后分析其“实际可用交流侧功率” 。借用那句“别看广告，看疗效”的经典台词，组串式逆变器“实际可用交流侧功率”才是对超配真正有意义的。如某个组串式逆变器，其交流侧额定功率参数是 36kW ，但按照其直流侧真实最大可配置到的功率只有 34KWp ，考虑逆变器自身损耗，其“实际可用交流侧额定功率”一定是小于 34KW ，从超配系数 1.1 的角度看，现实版“实际可用交流侧额定功率”可能仅仅是 30KW 。因此， “实际可用交流侧功率”是系统进行超配设计的前提。2.2 逆变器必须具备良好的散热能力逆变器需要有良好的散热能力。由于组串逆变器主要应用于小型屋顶及小型山丘等复杂分布式电站，环境温度高，散热条件相对较差，如在天气较为炎热的夏天，由于屋顶彩钢瓦或水泥屋顶受光照后热辐射导致屋顶环境温度比地面电站至少要高 10℃以上。在这样的场景下， 系统超配后， 逆变器满载及过载的运行时间会加长， 对于逆变器的散热能力提出了挑战。因此高效的散热能力是逆变器稳定、不降额运行的保障。在选择逆变器时，散热方式的选取上也需要慎重，实际测试表明，对于几十 KW 的电力电子设备，长期工作在满载状态下，智能风扇散热效果更优。2.3 直流输入端子数量必须足够多为了实现超配设计， 组串式逆变器需要足够的端子数量。 目前国内常使用组件功率分别是 255W 、 260W 、 270W ，通常每个组串由 22 块组件串联组成，以当前常见的交流额定功率为 40KW 的组串式逆变器为例，可以计算出不同的端子数量所对应的超配系数如表 1所示。表 1 不同端子数量对应的功率及相应的超配系数情况端子数量 6 串 7 串 8 串 9 串组件功率 直流侧组串 功 率（ KWp ）超配系数直流侧组串功 率（ KWp ）超配系数直流侧组串功 率（ KWp ）超配系数直流侧组串功 率（ KWp ）超配系数255W 33660W 0.841 39270 W 0.981 44880 W 1.122 50490 W 1.262 260W 34320W 0.858 40040 W 1.001 45760 W 1.144 51480 W 1.287 270W 35640W 0.891 41580 W 1.039 47520 W 1.188 53460 W 1.336 从表 1 可见， 对于交流额定功率为 40KW 组串式逆变器， 针对常见的 270W 及以下的组件，40KW 组串式逆变器至少需要配置 8 串才能满足 1.1 以上的超配设计要求。 不同于集中式逆变器方案， 组串式逆变器是直接连接组件， 中间没有直流汇流环节， 所能连接的组件串数受限于自身的输入端子数，因此，足够的输入端子数量实现超配设计的必要保证。2.4 逆变器过载能力需要尽量大逆变器需要有较强的过载能力， 一方面， 当组件可输出能量在扣除直流侧线损之后， 仍然大于逆变器的额定功率， 具备过载能力的逆变器， 可以尽可能的减少限发时间， 减少发电量损失。另一方面，随着越来越多的用户使用逆变器替代电站的 SVG 功能，具备过载能力的逆变器可以在响应无功调度的同时，输出超过额定容量的有功功率。3、主流厂家组串式逆变器超配能力调研主流厂家组串式逆变器超配能力的真实情况如何呢？实际可用交流侧功率是否与参数表相吻合？散热能力是否足够？直流侧端子数量是否足够多？逆变器过载能力到底如何？带着这些问题，笔者对国内外主流厂家如 SMA ， Delta ，阳光电源，古瑞瓦特，山亿等进行了调研。各家逆变器的主要相关参数汇总在表 2.根据表中数据并结合调研可以得出：（ 1）大部分组串式逆变器是以交流侧额定功率进行标定，并且实际可用交流侧功率是足够的，但也有一家逆变器的实际可用功率偏小，不仅不能配置到满载，更谈不上超配。结合表 1 和表 2 分析可知， 6 路输入的直流侧最大可接入容量远远达不到其产品型号所宣称的40KW 功率值，甚至无法达到其标称的额定输出功率 36KW ，逆变器真实可用容量大大缩水，超配设计就更谈不上了。大大增加了系统的度电成本，严重影响投资者的收益。（ 2）大部分组串式逆变器是使用风扇散热的，能保证在超配时，长时间的过载稳定运行，但也有一家逆变器是无外置风扇，即使在正常功率下，逆变器本身寿命受到挑战，超配更是无从谈起。 从表 2 调查结果看，主流厂家均以风扇散热为主流散热解决方案。为了对比风扇散热与自然散热的性能的差异， 笔者调查不同厂家的 40KW 组串式逆变器散热效果，结果表明同样的 45 ℃环境温度下满载运行，自然散热的 A 厂家 40KW 逆变器内部 IGBT、电容等关键部件的温升至少比智能风扇散热的 B 厂家 40KW 逆变器高 10 ℃， 根据电子元器件寿命十度法则， 即意味着同样的条件下， 自然冷却方式的产品寿命会降低一半， 而这种对寿命的影响，由于短期内无法显现，往往被用户所忽视。（ 3）大部分组串式逆变器的直流端子数量在应对超配设计时是足够多的，只有一家逆变器的直流端子数量不够。这家逆变器厂家的 40KW 组串式逆变器直流侧设计有三路 MPPT ，但每路 MPPT 最大只能接 2 路组串，即逆变器直流侧端子数量只有 6 路。根据表 1， 6 路端子最大接入的直流功率只有 34320W ，最大超配系数只有 0.95 ，不具备超配能力。表 2. 国际主流逆变器厂家组串式逆变器可接受的超配比汇总厂家 产品型号 MPPT 路数* 每 路MPPT 组串数 = 端子数最大直流侧功 率（ KWp ）交 流 侧 额 定功率 / 最大输出功率散热方式 最 大 超配系数SMA STP25000TL-30 2*3=6 34320W 25000W/ 25000W 风扇散热 1.37 阳 光 电源SG40KTL-M 3*3=9 51480W 40000W/ 44000W 风扇散热 1.287 DELTA RPI M50A 2*5=10 57200W 50000W/ 50000W 风扇散热 1.144 古 瑞 瓦特Growatt 40000TL32*4=8 45760W 40000W/ 40000W 风扇散热 1.144 山亿 SolarLake 40000TL-PM 2*4=8 45760W 40000W/ 40000W 风扇散热 1.144 华为 SUN2000-40KTL 3*2=6 34320W 36000W/ 40000W 无外置风扇0.953 注： 最大可输入组串数量及额定功率数据来源于各厂家官方网站， 超配系数以目前通用的 260W 组件，每个组串 22 块串联为例计算。4、小结光伏系统超配设计已受到用户的广泛关注，通过适当的超配，可以提高投资者的整体收益。对于国内正大力推广的分布式项目，需要至少 1.1 倍以上的超配系数。通过分析比较，不是所有的组串式逆变器都可以进行超配设计的。在当前常见的 40KW逆变器中，只有直流输入端子 8 路以上的组串式逆变器，才能实现 1.1 倍以上的超配方案。且逆变器需要有足够的功率余量、 良好的散热性能和一定的过载能力。 国际上主流厂家在产品设计时均以客户收益最大化为导向， 充分考虑到直流侧超配对系统收益的重要性， 逆变器产品的实际功率标定、散热、直流输入端子数量及过载能力，均进行了充分的考虑，以满足系统超配设计的需求。