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李相華 黃河勘測規劃設計有限公司
2014年的慕尼黑的intersolar論壇上，資深的光伏從業人士Manfred Bachler（曾是全球最大的EPC廠商Phoenix solar的首席技術官）提出了用組串式逆變器改造現存的集中式逆變器的方案，給出的結論是5～6年可以收回改造的成本，主要的原因是因為集中式逆變器維護麻煩，可用性差，僅僅在可用度方面就比組串式逆變器差6%。
近日，行業內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，輸變電鏈路設備少,直流線纜短，輸電主要以交流線纜為主；集中式方案主要設備有直流匯流箱、直流配電柜、逆變器以及升壓變，輸變電鏈路設備多，輸電線路直流線纜較多。筆者將從以下幾個方面分析系統方案可靠性原理差異。
1.1直流和交流線路對系統安全性能的影響
直流電特點是易產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，就會有電流產生，危害性大；交流電由于存在過零點，即使發生電弧故障，電弧也會在過零點處熄滅，危害性小。
1.2系統故障響應時間
交流側出現短路故障時，由于能量來自于電網，能量足夠大，電氣保護設備可及時跳脫，切斷短路路徑，保護用電設備；直流側短路時，由于故障電流小，且斷路器常有降額設計，斷路器不能快速保護，切斷短路路徑，其間可能出現絕緣老化、軟化，進而引發火災。
圖1-1 直流線纜間發生短路燒毀
圖1-2直流斷路器拉弧起火
1.3關鍵設備成熟度
由于交流電技術已經發展了100多年，發電技術穩定、成熟，應用范圍廣，與之相關的電器件也已發展成熟；而直流電是隨著光伏行業才逐步發展起來的，技術積累少，有很多亟待解決的技術難題；且直流電壓范圍廣，能量差異較大，相關應用器件發展還不成熟，如，用于高壓直流保護的器件，只有極少數廠家才能提供。
1.4系統關鍵器件選型
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的現象非常普遍，這樣會對系統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，則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生電弧，直流和交流特點不同，斷路器滅弧裝置設計也勢必不同，當交流斷路器應用在直流場景時，直流電弧不能有效熄滅，如果電弧持續太久（幾十毫秒），則會產生爆炸事故。
從以上系統角度分析可知，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。據統計，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，交流部分安全性經過一百多年驗證，全球范圍至今10G以上組串式電站，也未聽說發生過嚴重的起火事故。
2、逆變器失效率差異
集中式逆變器和組串式由于功率等級不同，其結構特點、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有差異。
2.1組串式逆變器失效率
業界一些知名的組串式逆變器廠家按照25年系統可靠運行設計，采用自然散熱方式，無外置風扇，實現內外部的環境隔離，防護等級達IP65，可以使內部器件保持在無塵和穩定的環境中運行，大大降低了溫度、風沙、濕氣、鹽霧等外部環境對器件壽命的影響，可靠性大大增強。同時系統無易損部件，無熔絲等需定期更換的器件，整機故障率小于1%，實現了系統免維護。
2.2集中式逆變器失效率
集中式逆變器方案一般采用常規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部電路器件容易暴露在惡劣的工作環境下，如灰塵在逆變器內電路板、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；濕塵在PCB或元器件間易形成漏電效應和腐蝕效應，造成信號的異常或高壓拉弧打火，還有可能造成電網對PE的短路，引起逆變器異常關機或炸毀；同時逆變器風扇是易損件，平均使用壽命約為5年左右。北方很多電站是在戈壁灘上建設，其實際是典型的鹽堿地，灰塵中含大量的鹽離子成分。在晝夜間歇工作模式下，發生腐蝕和漏電的概率比常規的電氣設備大很多；據統計，集中式逆變器失效率大于3%。
圖2-1 逆變器機房的灰塵
圖2-2 逆變房內直流柜內部的灰塵
圖2-3 某戶外電站逆變器風扇積塵腐蝕示意圖
通過以上幾方面對比分析知，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，系統穩定性更好。
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熱程度也會有很大差異，逆變器散熱方式，決定著產品整機可靠性。
3.1熱產生機理差異
組串式逆變器單個功耗數百瓦，可以實現自然散熱設計，且可滿足60℃環境溫度下可靠運行；集中式逆變器，尤其是10尺集裝箱方案，1MW的損耗高達30千瓦，相當于有30個1千瓦的電爐絲在10尺集裝箱內部烘烤，單靠幾個風扇是很難實現可靠散熱的，極大地增加了燒機的風險。
3.2應用環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，由于西北地區風沙嚴重，集中式逆變器機房中積灰導致防塵網堵塞、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，更嚴重會導致內部IGBT器件損壞，設備不斷重啟，甚至燒壞。表3-1為西北地面電站逆變器溫度測試結果，從表格可知，由于集中式逆變器安裝于機房內，溫升比組串式高，在炎熱夏天，機房內溫度超過50度是經常的事情，集中式逆變器柜體內溫度更高更惡劣，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，幾乎每個月都有因為散熱問題，集中式逆變器出現炸機等嚴重事故。
表3-1 西北地面電站逆變器溫度測試表格
4、逆變器可用度和可維護性
逆變器作為光伏發電系統的核心部件，期可用度和可維護性對光伏系統可靠性、發電量、發電收益產生決定性作用。以下從兩方面對比分析集中式逆變器和組串式逆變器對系統可靠性的影響。
4.1可用度
歐洲應用的頂級組串式逆變器，其MTBF可以做到35萬小時，年失效率均在1%以下，部份廠家可以做到低于0.5%，而集中式常規的MTBF一般只能做到5萬到10萬小時。
4.2可維護性
故障發生時，集中式一般需要廠家的專業人員到場定位及維修，處理時間長，發電量損失大；而組串式逆變器，可直接由現場運維人員進行更換處理，簡單快捷，先保證發電，然后再對故障機器進行分析、維修。表4-1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的影響程度。
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，免費替換，質保期外的故障機器，可以借助現代物流平臺，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不存在了，也可以重新更換一臺其他品牌的組串式逆變器，更換成本較低，對系統整體發電量的影響甚微。因此組串式逆變器維護成本遠低于集中式逆變器。圖4-1顯示了集中式逆變器和組串式逆變器故障修復時對發電量的影響。
表4-1 故障發生時，集中式和組串式逆變器影響對比
圖4-1 集中式和組串式逆變器故障修復時發電量影響對比
5、結論
綜上所述，組串式逆變器相比集中式，無論是在故障率、系統安全性還是運維成本方面都更占優勢，系統可靠性更好，能保證電站長期安全、可靠運營。
在過去十多年逆變器的發展過程中，歐洲的技術領先全球市場2-3年，是技術和市場的風向標，中國、美國和日本等市場，基本上是跟隨歐洲的路線，同時吸收歐洲的經驗和教訓。現在以SMA為代表的技術廠家在美國和歐洲正在力推組串式方案。國內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的主流方案。圖5-1為2014年IHS調研組串式逆變器使用情況調查結果。
圖5-1 IHS 2014年調查結果
IHS資深光伏市場分析師吉利根（CormaGilligan）表示：“經調查證實，過去一年大型系統對組串式逆變器的接受不斷增加，反映出IHS預期的這些產品將在幾個關鍵市場獲得份額，大型系統中太陽能買家越來越偏愛組串式逆變器而非集中式逆變器常見的原因是，組串式逆變器的系統設計更靈活、故障發生時的損失較低且生命周期維護成本更低。”
參考文獻
【1】馮垛生，張淼，趙慧.太陽能發電技術與應用[M].北京.人民郵電出版社.2009
【2】組串式逆變器用于兆瓦級光伏項目的比例愈來愈高 IHS 2014
【3】Roger A Messenger,Jerry Ventre.Photovoltaic Systems Engineering[M],2nd ed.GRC Press LLC,2004.
2014年的慕尼黑的intersolar論壇上，資深的光伏從業人士Manfred Bachler（曾是全球最大的EPC廠商Phoenix solar的首席技術官）提出了用組串式逆變器改造現存的集中式逆變器的方案，給出的結論是5～6年可以收回改造的成本，主要的原因是因為集中式逆變器維護麻煩，可用性差，僅僅在可用度方面就比組串式逆變器差6%。
近日，行業內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，輸變電鏈路設備少,直流線纜短，輸電主要以交流線纜為主；集中式方案主要設備有直流匯流箱、直流配電柜、逆變器以及升壓變，輸變電鏈路設備多，輸電線路直流線纜較多。筆者將從以下幾個方面分析系統方案可靠性原理差異。
1.1直流和交流線路對系統安全性能的影響
直流電特點是易產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，就會有電流產生，危害性大；交流電由于存在過零點，即使發生電弧故障，電弧也會在過零點處熄滅，危害性小。
1.2系統故障響應時間
交流側出現短路故障時，由于能量來自于電網，能量足夠大，電氣保護設備可及時跳脫，切斷短路路徑，保護用電設備；直流側短路時，由于故障電流小，且斷路器常有降額設計，斷路器不能快速保護，切斷短路路徑，其間可能出現絕緣老化、軟化，進而引發火災。
圖1-1 直流線纜間發生短路燒毀
圖1-2直流斷路器拉弧起火
1.3關鍵設備成熟度
由于交流電技術已經發展了100多年，發電技術穩定、成熟，應用范圍廣，與之相關的電器件也已發展成熟；而直流電是隨著光伏行業才逐步發展起來的，技術積累少，有很多亟待解決的技術難題；且直流電壓范圍廣，能量差異較大，相關應用器件發展還不成熟，如，用于高壓直流保護的器件，只有極少數廠家才能提供。
1.4系統關鍵器件選型
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的現象非常普遍，這樣會對系統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，則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生電弧，直流和交流特點不同，斷路器滅弧裝置設計也勢必不同，當交流斷路器應用在直流場景時，直流電弧不能有效熄滅，如果電弧持續太久（幾十毫秒），則會產生爆炸事故。
從以上系統角度分析可知，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。據統計，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，交流部分安全性經過一百多年驗證，全球范圍至今10G以上組串式電站，也未聽說發生過嚴重的起火事故。
2、逆變器失效率差異
集中式逆變器和組串式由于功率等級不同，其結構特點、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有差異。
2.1組串式逆變器失效率
業界一些知名的組串式逆變器廠家按照25年系統可靠運行設計，采用自然散熱方式，無外置風扇，實現內外部的環境隔離，防護等級達IP65，可以使內部器件保持在無塵和穩定的環境中運行，大大降低了溫度、風沙、濕氣、鹽霧等外部環境對器件壽命的影響，可靠性大大增強。同時系統無易損部件，無熔絲等需定期更換的器件，整機故障率小于1%，實現了系統免維護。
2.2集中式逆變器失效率
集中式逆變器方案一般采用常規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部電路器件容易暴露在惡劣的工作環境下，如灰塵在逆變器內電路板、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；濕塵在PCB或元器件間易形成漏電效應和腐蝕效應，造成信號的異常或高壓拉弧打火，還有可能造成電網對PE的短路，引起逆變器異常關機或炸毀；同時逆變器風扇是易損件，平均使用壽命約為5年左右。北方很多電站是在戈壁灘上建設，其實際是典型的鹽堿地，灰塵中含大量的鹽離子成分。在晝夜間歇工作模式下，發生腐蝕和漏電的概率比常規的電氣設備大很多；據統計，集中式逆變器失效率大于3%。
圖2-1 逆變器機房的灰塵
圖2-2 逆變房內直流柜內部的灰塵
圖2-3 某戶外電站逆變器風扇積塵腐蝕示意圖
通過以上幾方面對比分析知，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，系統穩定性更好。
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熱程度也會有很大差異，逆變器散熱方式，決定著產品整機可靠性。
3.1熱產生機理差異
組串式逆變器單個功耗數百瓦，可以實現自然散熱設計，且可滿足60℃環境溫度下可靠運行；集中式逆變器，尤其是10尺集裝箱方案，1MW的損耗高達30千瓦，相當于有30個1千瓦的電爐絲在10尺集裝箱內部烘烤，單靠幾個風扇是很難實現可靠散熱的，極大地增加了燒機的風險。
3.2應用環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，由于西北地區風沙嚴重，集中式逆變器機房中積灰導致防塵網堵塞、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，更嚴重會導致內部IGBT器件損壞，設備不斷重啟，甚至燒壞。表3-1為西北地面電站逆變器溫度測試結果，從表格可知，由于集中式逆變器安裝于機房內，溫升比組串式高，在炎熱夏天，機房內溫度超過50度是經常的事情，集中式逆變器柜體內溫度更高更惡劣，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，幾乎每個月都有因為散熱問題，集中式逆變器出現炸機等嚴重事故。
表3-1 西北地面電站逆變器溫度測試表格
4、逆變器可用度和可維護性
逆變器作為光伏發電系統的核心部件，期可用度和可維護性對光伏系統可靠性、發電量、發電收益產生決定性作用。以下從兩方面對比分析集中式逆變器和組串式逆變器對系統可靠性的影響。
4.1可用度
歐洲應用的頂級組串式逆變器，其MTBF可以做到35萬小時，年失效率均在1%以下，部份廠家可以做到低于0.5%，而集中式常規的MTBF一般只能做到5萬到10萬小時。
4.2可維護性
故障發生時，集中式一般需要廠家的專業人員到場定位及維修，處理時間長，發電量損失大；而組串式逆變器，可直接由現場運維人員進行更換處理，簡單快捷，先保證發電，然后再對故障機器進行分析、維修。表4-1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的影響程度。
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，免費替換，質保期外的故障機器，可以借助現代物流平臺，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不存在了，也可以重新更換一臺其他品牌的組串式逆變器，更換成本較低，對系統整體發電量的影響甚微。因此組串式逆變器維護成本遠低于集中式逆變器。圖4-1顯示了集中式逆變器和組串式逆變器故障修復時對發電量的影響。
表4-1 故障發生時，集中式和組串式逆變器影響對比
圖4-1 集中式和組串式逆變器故障修復時發電量影響對比
5、結論
綜上所述，組串式逆變器相比集中式，無論是在故障率、系統安全性還是運維成本方面都更占優勢，系統可靠性更好，能保證電站長期安全、可靠運營。
在過去十多年逆變器的發展過程中，歐洲的技術領先全球市場2-3年，是技術和市場的風向標，中國、美國和日本等市場，基本上是跟隨歐洲的路線，同時吸收歐洲的經驗和教訓。現在以SMA為代表的技術廠家在美國和歐洲正在力推組串式方案。國內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的主流方案。圖5-1為2014年IHS調研組串式逆變器使用情況調查結果。
圖5-1 IHS 2014年調查結果
IHS資深光伏市場分析師吉利根（CormaGilligan）表示：“經調查證實，過去一年大型系統對組串式逆變器的接受不斷增加，反映出IHS預期的這些產品將在幾個關鍵市場獲得份額，大型系統中太陽能買家越來越偏愛組串式逆變器而非集中式逆變器常見的原因是，組串式逆變器的系統設計更靈活、故障發生時的損失較低且生命周期維護成本更低。”
參考文獻
【1】馮垛生，張淼，趙慧.太陽能發電技術與應用[M].北京.人民郵電出版社.2009
【2】組串式逆變器用于兆瓦級光伏項目的比例愈來愈高 IHS 2014
【3】Roger A Messenger,Jerry Ventre.Photovoltaic Systems Engineering[M],2nd ed.GRC Press LLC,2004.
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