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作者：王鵬（特變電工西科公司）
隨著光伏發電技術的越發成熟，電站建設成本的降低和補貼制度的日益健全，光伏電站的容量從最早的幾個千瓦發展到現在的幾十兆瓦甚至幾百兆瓦，為了順應光伏電站發展的潮流，功率更大的集中式并網逆變器被迅速推向市場，并得到了非常好的市場應用。
根據全球最權威的光伏逆變器行業研究機構調查截至2013年12月的統計，容量在5MW以上的光伏電站中，全球約2%的電站采用了組串式方案接入。這一比例在德國最高也僅僅達到12%，而在光伏發展迅速的中國僅不到1%。在美國5MW以上的地面電站達2.3GW，采用組串式方案接入的比例同樣不到1%，而在印度這一比例更低，印度作為新興的光伏市場，容量5MW以上的光伏地面電站達580MW，幾乎所有的5MW以上光伏地面能電站均采用集中式并網逆變器。綜上所述，集中式逆變器在大型地面電站中應用的認可度極高。SMA公司大客戶經理Mr Pradah先生也完全贊同在5MW以上的大型地面電站中使用集中式并網逆變器，他說:“在大型光伏電站中，尤其是容量大于5MW的光伏電站，最好的解決方案就是集中式逆變器，SMA一直在全球范圍內推廣并應用此方案，得到良好的客戶反響。”
隨著近年來也有組串式逆變器應用在5MW以上的大型地面電站中，引起了光伏業界對應用方案的爭論，那么組串式方案與集中式方案相比真的會有如此巨大的優勢嗎？
一、組串式并網逆變器的應用是否能帶來收益的提高？
光伏電站建設作為一種商業投資，投資收益率是各方關注的重點，無論采用何種方案，能夠讓客戶最大限度的提高投資收益率便是完美的解決方案。將組串式并網逆變器應用于大型地面電站真的能為客戶帶來更大的收益嗎？具體分析如下：
本次對比數據來源于某電站逆變器實際上傳數據，橙色標注部分為某品牌組串式逆變器，藍色標注部分為三個品牌的集中式逆變器。為了確保對比數據的公平性，本次對比將組串輸出功率、組件衰減程度、交直流側線損等因素綜合考慮后，得出的具有實際價值的數據。
a.組串輸出功率
組串式測試陣列輸入功率為1.02MW，集中式測試陣列輸入功率為1.04MW，為公平起見為組串式測試陣列增加2%的發電量。
b.組件衰減程度
集中式發電陣列組件為2011年投入運行，衰減嚴重，而組串式逆變器發電陣列組件為2013年投入運行，組件衰減程度遠低于集中式發電陣列。經過實際測量，集中式測試陣列組件2年間平均衰減達到3.13%，最終數據的得出必須將組件衰減考慮進去。
c.交直流線損
結合組串式方案和集中式方案的各自組網特點，組串式逆變器交流側線損較大，集中式逆變器直流側線損較大，而組串式逆變器上傳的發電量數據并未包含交流側線損。根據分析線纜損耗占比為1%，所以組串式測試陣列需扣除這部分發電量。
考慮到以上三個因素后最終得出的測試數據如下：
注：考慮到6月8日組串式測試陣列因停機或其他原因造成的發電量異常，故剔除該日數據。
通過以上數據對比可以得出，與A廠家相比組串式逆變器發電量平均低1.418%；與B廠家相比組串式逆變器發電量平均低2.174%；而與C廠家相比組串式逆變器發電量也僅高出1.0%。經過計算平均發電量后得出，組串式逆變器要比集中式逆變器發電量低0.864%。綜上所述，組串式逆變器在大型地面電站中的應用無法為客戶帶來收益的提高。
二、組串式逆變器是否滿足大型地面電站對設備功能的要求？
（1）零電壓穿越保護的問題
根據GB/T19964-2012中對低電壓穿越故障的要求，逆變器必須具備零電壓穿越能力，要求逆變器能夠在電網電壓跌至0時，保持0.15s并網運行，當電壓跌至曲線1以下，允許逆變器從電網中切出。
光伏發電站的零電壓穿越能力要求
首先，根據組串式逆變器組網方式可知，組串式方案中逆變器間無高頻載波同步，根本無法解決逆變器間的并聯環流問題。其次，在該方案中距離箱變遠端的逆變器線路阻抗較大。再有，因組串式方案交流側采用多機并聯模式，造成多臺逆變器在電網電壓跌落時無法統一輸出電壓及電流的相位。以上原因均會嚴重影響逆變器對零電壓穿越故障的判定和過程控制。
在GB/Z 19964-2005標準執行階段，集中式并網逆變器不但通過實驗室低電壓穿越測試，同時也通過了現場低電壓穿越測試，可見實驗室中的測試僅表明單個設備能夠實現穿越功能，但現場測試則說明逆變器在實際工況下應對電網故障的能力。為了證明逆變器能夠應對現場實際工況下的電網故障，未來零電壓穿越測試必然會增加現場測試環節，但是組串式逆變器能否通過現場測試的考驗這是一個問題。
（2）防孤島保護的問題
所謂孤島效應是指當電網的部分線路因故障或維修而停電時，停電線路由所連的并網發電裝置繼續供電，并連同周圍負載構成一個自給供電的孤島的現象。
雖然在大型地面電站中對逆變器防孤島保護的要求較低，但GB/T19964-2012標準仍然要求電站具有防孤島保護設備，通常情況下逆變器采用主動+被動雙重防孤島保護，以保障在任何情況下逆變器能夠可靠斷開與電網連接。主動保護通常采用向電網注入很小的干擾信號，通過檢測反饋信號判斷是否失電，而被動保護通常采用檢測輸出電壓、頻率和相位的方式來判定孤島狀態的發生。
組串式逆變器在大型地面電站中交流側直接并聯在一起，因主動保護采用注入失真信號的方式無法應用在多機并聯系統中，故無法執行孤島保護中的主動保護，存在應用風險，如產生諧振孤島將會對線路檢修人員造成安全威脅，對用電設備造成損害，嚴重影響電站的運行安全。集中式逆變器交流輸出側無需匯流，而是直接接入雙分裂繞組變壓器，完全能夠同時執行主動和被動孤島保護，可靠性更高。
（3）支持電網調度問題
對于大型地面電站來說支持電網調度是普遍需求，通過調度控制逆變器發出無功或有功的具體數值。無論組串式逆變器還是集中式逆變器均采用RS485作為通訊接口，響應速度相對較慢，而集中式方案每兆瓦僅2臺逆變器，調度方便，但對于組串式逆變器來說每兆瓦需要對多達40臺逆變器進行調度，十分復雜，不利于電站的遠程調度管理。
100MW光伏電站調度對比
（4）PID效應抑制策略問題
逆變器負極接地是目前公認的最為可靠抑制PID效應的解決方法。對于組串式逆變器來說，通常采用虛擬負極接地電路的方式來抑制PID效應，如虛擬電路發生故障組串式逆變器則無法保障對PID效應抑制，遠比實體負極接地可靠性差。集中式逆變器采用絕緣阻抗監測+GFDI（PV Ground-Fault Detector Interrupter）方案，即逆變器實時監測PV+對地阻抗，如PV+對地阻抗低于閾值，逆變器立刻報警停機，切除安全隱患。而GFDI由分斷器件和傳感器組成，保障負極接地的可靠性和運行的安全性。
集中式逆變器負極接地方案
（5）分斷器件保護問題
在大型地面電站中故障保護對電站非常重要，無論是采用軟件保護還是硬件保護，都要求逆變器能夠在故障發生時可靠動作，保護電站運行安全。但是對于直流側采用直流開關(Switch)而非斷路器（Breaker）的組串式逆變器來說，如果直流側發生接地故障，直流開關不具備分斷能力，無法將直流側故障切斷，從而造成硬件保護功能的缺失。
三、組串式逆變器是否能提高電站的維護效率？
（1）備用逆變器的問題
按照100MW電站計算，共需組串式逆變器4000臺，廠家需提供的備用逆變器數量10臺，比例僅為0.25%，但因組串式逆變器元器件數量眾多、逆變拓撲復雜等原因故障率遠高于0.25%。其次，大型地面電站地處沙漠、戈壁，物流欠發達，縱然組串式廠商承諾在質保期內由廠商派人上門回收故障逆變器，但在質保期外則需客戶自行將逆變器通過物流運輸至指定地址，對客戶來說需要將單臺55kg的并網逆變器搬運至物流收件點，無疑增加了客戶的工作量。
（2）現場更換的問題
大型地面電站占地面積通常較大，部分電站現場道路條件較差，地形特殊，造成現場維護的諸多不便。特別是山地、丘陵電站，現場道路條件較差，運維人員無法將組串式逆變器直接運輸至故障點進行更換，費時費力，影響電站的維護效率。
集中式并網逆變器多采用器件模塊化設計，主要器件均可通過插拔的方式快速更換，在故障定位后，維護時間不會超過20分鐘，整個維護過程由專業售后服務人員到場維護，無需業主參與。另外，集中式逆變廠商在電站附近的城市均建立有售后服務中心及備件管理中心，保障項目現場的售后服務及備件供給。
集中式逆變器模塊化維護設計
（3）維護成本的問題
組串式逆變器整機更換的維護方式注定其維護成本要遠高于集中式逆變器，特別是在質保期過后，組串式逆變器的維護費用將在電站運行費用中占比不小。從元器件壽命角度分析，逆變器中的開關電源、鋁電解電容壽命最短，多在5年~8年之間，對組串式逆變器來說需要整機更換，而集中式逆變器采用更換故障模塊的方式維護，僅需更換開關電源（集中式逆變器采用金屬薄膜電容運行壽命內無需更換），維護成本低。另外，專業的售后人員能夠為客戶提供更加周到的服務，更加適合大型地面電站的維護方式。
另外，中國制造的集中式逆變器應用在國外項目中同樣不少，以陽光電源和特變電工這樣的一類逆變器制造商為例。陽光電源集中式逆變器成功應用于意大利Puglia 120MW光伏并網電站項目、意大利撒丁島12MW項目、西班牙特納里夫島5MW項目等；特變電工集中式并網逆變器成功中標巴基斯坦100MW光伏電站項目、阿爾及利亞90MW光伏電站項目等。而國外品牌SMA、邦飛利同樣將集中式逆變器應用在本土以外的項目中，例如SMA Kalkbult, South Africa 75MW項目、Kagoshima, Japan 70MW項目、Adelanto Solar Power Plant 10.4MW項目等；邦飛利美國Thornton 2.3MW項目、中國格爾木200MW項目、保加利亞Karadzhalovo 60MW項目、印度泰米爾納德邦錫沃根加項目等。由此可見有能力的逆變器廠商能夠保障并網逆變器在全球各地穩定運行，為全球客戶提供可靠的光伏并網發電設備。
四、總結
集中式逆變器經歷了12年的發展，目前已經占據了全球絕大部分的光伏市場，成為大型地面電站最主流的解決方案,而組串式逆變器多數仍然應用在分布式電站及小型地面電站中。根據權威機構統計，預計到2018年全球大功率逆變器仍將占據系統出貨量的80%，光伏發電設備仍然會持續保持合理應用的發展態勢。
隨著光伏發電技術的越發成熟，電站建設成本的降低和補貼制度的日益健全，光伏電站的容量從最早的幾個千瓦發展到現在的幾十兆瓦甚至幾百兆瓦，為了順應光伏電站發展的潮流，功率更大的集中式并網逆變器被迅速推向市場，并得到了非常好的市場應用。
根據全球最權威的光伏逆變器行業研究機構調查截至2013年12月的統計，容量在5MW以上的光伏電站中，全球約2%的電站采用了組串式方案接入。這一比例在德國最高也僅僅達到12%，而在光伏發展迅速的中國僅不到1%。在美國5MW以上的地面電站達2.3GW，采用組串式方案接入的比例同樣不到1%，而在印度這一比例更低，印度作為新興的光伏市場，容量5MW以上的光伏地面電站達580MW，幾乎所有的5MW以上光伏地面能電站均采用集中式并網逆變器。綜上所述，集中式逆變器在大型地面電站中應用的認可度極高。SMA公司大客戶經理Mr Pradah先生也完全贊同在5MW以上的大型地面電站中使用集中式并網逆變器，他說:“在大型光伏電站中，尤其是容量大于5MW的光伏電站，最好的解決方案就是集中式逆變器，SMA一直在全球范圍內推廣并應用此方案，得到良好的客戶反響。”
IHS統計數據：5MW以上的光伏電站逆變器應用占比
隨著近年來也有組串式逆變器應用在5MW以上的大型地面電站中，引起了光伏業界對應用方案的爭論，那么組串式方案與集中式方案相比真的會有如此巨大的優勢嗎？
一、組串式并網逆變器的應用是否能帶來收益的提高？
光伏電站建設作為一種商業投資，投資收益率是各方關注的重點，無論采用何種方案，能夠讓客戶最大限度的提高投資收益率便是完美的解決方案。將組串式并網逆變器應用于大型地面電站真的能為客戶帶來更大的收益嗎？具體分析如下：
本次對比數據來源于某電站逆變器實際上傳數據，橙色標注部分為某品牌組串式逆變器，藍色標注部分為三個品牌的集中式逆變器。為了確保對比數據的公平性，本次對比將組串輸出功率、組件衰減程度、交直流側線損等因素綜合考慮后，得出的具有實際價值的數據。
a.組串輸出功率
組串式測試陣列輸入功率為1.02MW，集中式測試陣列輸入功率為1.04MW，為公平起見為組串式測試陣列增加2%的發電量。
b.組件衰減程度
集中式發電陣列組件為2011年投入運行，衰減嚴重，而組串式逆變器發電陣列組件為2013年投入運行，組件衰減程度遠低于集中式發電陣列。經過實際測量，集中式測試陣列組件2年間平均衰減達到3.13%，最終數據的得出必須將組件衰減考慮進去。
c.交直流線損
結合組串式方案和集中式方案的各自組網特點，組串式逆變器交流側線損較大，集中式逆變器直流側線損較大，而組串式逆變器上傳的發電量數據并未包含交流側線損。根據分析線纜損耗占比為1%，所以組串式測試陣列需扣除這部分發電量。
考慮到以上三個因素后最終得出的測試數據如下：
通過以上數據對比可以得出，與A廠家相比組串式逆變器發電量平均低1.418%；與B廠家相比組串式逆變器發電量平均低2.174%；而與C廠家相比組串式逆變器發電量也僅高出1.0%。經過計算平均發電量后得出，組串式逆變器要比集中式逆變器發電量低0.864%。綜上所述，組串式逆變器在大型地面電站中的應用無法為客戶帶來收益的提高。
二、組串式逆變器是否滿足大型地面電站對設備功能的要求？
（1）零電壓穿越保護的問題
根據GB/T19964-2012中對低電壓穿越故障的要求，逆變器必須具備零電壓穿越能力，要求逆變器能夠在電網電壓跌至0時，保持0.15s并網運行，當電壓跌至曲線1以下，允許逆變器從電網中切出。
光伏發電站的零電壓穿越能力要求
首先，根據組串式逆變器組網方式可知，組串式方案中逆變器間無高頻載波同步，根本無法解決逆變器間的并聯環流問題。其次，在該方案中距離箱變遠端的逆變器線路阻抗較大。再有，因組串式方案交流側采用多機并聯模式，造成多臺逆變器在電網電壓跌落時無法統一輸出電壓及電流的相位。以上原因均會嚴重影響逆變器對零電壓穿越故障的判定和過程控制。
在GB/Z 19964-2005標準執行階段，集中式并網逆變器不但通過實驗室低電壓穿越測試，同時也通過了現場低電壓穿越測試，可見實驗室中的測試僅表明單個設備能夠實現穿越功能，但現場測試則說明逆變器在實際工況下應對電網故障的能力。為了證明逆變器能夠應對現場實際工況下的電網故障，未來零電壓穿越測試必然會增加現場測試環節，但是組串式逆變器能否通過現場測試的考驗這是一個問題。
（2）防孤島保護的問題
所謂孤島效應是指當電網的部分線路因故障或維修而停電時，停電線路由所連的并網發電裝置繼續供電，并連同周圍負載構成一個自給供電的孤島的現象。
雖然在大型地面電站中對逆變器防孤島保護的要求較低，但GB/T19964-2012標準仍然要求電站具有防孤島保護設備，通常情況下逆變器采用主動+被動雙重防孤島保護，以保障在任何情況下逆變器能夠可靠斷開與電網連接。主動保護通常采用向電網注入很小的干擾信號，通過檢測反饋信號判斷是否失電，而被動保護通常采用檢測輸出電壓、頻率和相位的方式來判定孤島狀態的發生。
組串式逆變器在大型地面電站中交流側直接并聯在一起，因主動保護采用注入失真信號的方式無法應用在多機并聯系統中，故無法執行孤島保護中的主動保護，存在應用風險，如產生諧振孤島將會對線路檢修人員造成安全威脅，對用電設備造成損害，嚴重影響電站的運行安全。集中式逆變器交流輸出側無需匯流，而是直接接入雙分裂繞組變壓器，完全能夠同時執行主動和被動孤島保護，可靠性更高。
（3）支持電網調度問題
對于大型地面電站來說支持電網調度是普遍需求，通過調度控制逆變器發出無功或有功的具體數值。無論組串式逆變器還是集中式逆變器均采用RS485作為通訊接口，響應速度相對較慢，而集中式方案每兆瓦僅2臺逆變器，調度方便，但對于組串式逆變器來說每兆瓦需要對多達40臺逆變器進行調度，十分復雜，不利于電站的遠程調度管理。
100MW光伏電站調度對比
（4）PID效應抑制策略問題
逆變器負極接地是目前公認的最為可靠抑制PID效應的解決方法。對于組串式逆變器來說，通常采用虛擬負極接地電路的方式來抑制PID效應，如虛擬電路發生故障組串式逆變器則無法保障對PID效應抑制，遠比實體負極接地可靠性差。集中式逆變器采用絕緣阻抗監測+GFDI（PV Ground-Fault Detector Interrupter）方案，即逆變器實時監測PV+對地阻抗，如PV+對地阻抗低于閾值，逆變器立刻報警停機，切除安全隱患。而GFDI由分斷器件和傳感器組成，保障負極接地的可靠性和運行的安全性。
集中式逆變器負極接地方案
（5）分斷器件保護問題
在大型地面電站中故障保護對電站非常重要，無論是采用軟件保護還是硬件保護，都要求逆變器能夠在故障發生時可靠動作，保護電站運行安全。但是對于直流側采用直流開關(Switch)而非斷路器（Breaker）的組串式逆變器來說，如果直流側發生接地故障，直流開關不具備分斷能力，無法將直流側故障切斷，從而造成硬件保護功能的缺失。
三、組串式逆變器是否能提高電站的維護效率？
（1）備用逆變器的問題
按照100MW電站計算，共需組串式逆變器4000臺，廠家需提供的備用逆變器數量10臺，比例僅為0.25%，但因組串式逆變器元器件數量眾多、逆變拓撲復雜等原因故障率遠高于0.25%。其次，大型地面電站地處沙漠、戈壁，物流欠發達，縱然組串式廠商承諾在質保期內由廠商派人上門回收故障逆變器，但在質保期外則需客戶自行將逆變器通過物流運輸至指定地址，對客戶來說需要將單臺55kg的并網逆變器搬運至物流收件點，無疑增加了客戶的工作量。
（2）現場更換的問題
大型地面電站占地面積通常較大，部分電站現場道路條件較差，地形特殊，造成現場維護的諸多不便。特別是山地、丘陵電站，現場道路條件較差，運維人員無法將組串式逆變器直接運輸至故障點進行更換，費時費力，影響電站的維護效率。
集中式并網逆變器多采用器件模塊化設計，主要器件均可通過插拔的方式快速更換，在故障定位后，維護時間不會超過20分鐘，整個維護過程由專業售后服務人員到場維護，無需業主參與。另外，集中式逆變廠商在電站附近的城市均建立有售后服務中心及備件管理中心，保障項目現場的售后服務及備件供給。
集中式逆變器模塊化維護設計
（3）維護成本的問題
組串式逆變器整機更換的維護方式注定其維護成本要遠高于集中式逆變器，特別是在質保期過后，組串式逆變器的維護費用將在電站運行費用中占比不小。從元器件壽命角度分析，逆變器中的開關電源、鋁電解電容壽命最短，多在5年~8年之間，對組串式逆變器來說需要整機更換，而集中式逆變器采用更換故障模塊的方式維護，僅需更換開關電源（集中式逆變器采用金屬薄膜電容運行壽命內無需更換），維護成本低。另外，專業的售后人員能夠為客戶提供更加周到的服務，更加適合大型地面電站的維護方式。
另外，中國制造的集中式逆變器應用在國外項目中同樣不少，以陽光電源和特變電工這樣的一類逆變器制造商為例。陽光電源集中式逆變器成功應用于意大利Puglia 120MW光伏并網電站項目、意大利撒丁島12MW項目、西班牙特納里夫島5MW項目等；特變電工集中式并網逆變器成功中標巴基斯坦100MW光伏電站項目、阿爾及利亞90MW光伏電站項目等。而國外品牌SMA、邦飛利同樣將集中式逆變器應用在本土以外的項目中，例如SMA Kalkbult, South Africa 75MW項目、Kagoshima, Japan 70MW項目、Adelanto Solar Power Plant 10.4MW項目等；邦飛利美國Thornton 2.3MW項目、中國格爾木200MW項目、保加利亞Karadzhalovo 60MW項目、印度泰米爾納德邦錫沃根加項目等。由此可見有能力的逆變器廠商能夠保障并網逆變器在全球各地穩定運行，為全球客戶提供可靠的光伏并網發電設備。
四、總結
集中式逆變器經歷了12年的發展，目前已經占據了全球絕大部分的光伏市場，成為大型地面電站最主流的解決方案,而組串式逆變器多數仍然應用在分布式電站及小型地面電站中。根據權威機構統計，預計到2018年全球大功率逆變器仍將占據系統出貨量的80%，光伏發電設備仍然會持續保持合理應用的發展態勢。
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