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组串式逆变器功率趋势探讨
2019-12-03

  光伏并网逆变器,从2009年开始,技术发展日新月异:首先,效率越来越高,最高效率从96%到99%以上;其次,价格越来越低,组串式逆变器从单瓦2元下降到2角,这其中的一个原因是逆变器功率越来越大,逆变器的成本将越来越低。

  2013年前,20kW的组串式逆变器已是大功率,2014年开始出现28kW,2015年达到40kW,以后每年以10kW的速度递增,2017年开始进入1500V系统,逆变器也突破100kW,到2019年,更是突破200kW,组串式逆变器最大输出功率到达225kW。光伏行业的人或许在想,组串式逆变器的功率会不会这样一直越做越大,有没有一个极限?

  光伏发电行业每一次成功的变革,都有一个清晰的主线逻辑,那就是成本下降效率提升,带动发电度电成本快速下降。从系统上考虑,逆变器单机功率越大,交流电缆和配电柜的成本就越低,所以逆变器的单机功率有上升的需求,但是逆变器的功率还是受到内因和外因的限制,内因是功率器件能否支持,逆变器的散热等技术问题能否解决,外因是逆变器单机功率越大,组件的分布范围就越大,直流电缆的距离越远,线损越大,所以单台逆变器覆盖的组件范围应该有限制,逆变器的单机最大功率也取决于单块组件的功率。组串式逆变器最大功率受到功率器件,线路布置,组件功率的限制。


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功率器件的限制


  功率器件是逆变器最核心的器件,工作时都在高电流电压状态下,容易失效。30kW以下的逆变器,一般都是用分立器件(单管)来设计,随着逆变器功率的增大,而功率器件受到散热的限制,电流不会一直增加下去,是有限的。因此大功率逆变器采用多个器件并联,以增加电流,采用多电平技术,降低单个器件的电压,减少损耗,这样可以让逆变器的功率增大,但同时也带来一个问题,那就是功率器件增多,加大了管理难度,所以大功率逆变器一般采用集成多个分立器件的功率模块来设计。

  目前主流的组串式逆变器大都采用TNPC、NPC、ANPC 3种典型的三电平中点钳位拓扑。各有其特点,NPC经典稳定,TNPC 实现低开关损耗,而 ANPC 则具备低寄生电感的优势。1500V的功率模块,普通采用含1200V和950V IGBT芯片。针对 DC-DC 升压模块,1个MPPT 通道可支持最大约 25A 光伏组串输入(2 个组串并联),各模块都有不同的 MPPT 数、IGBT 额定电流、SiC 二极管额定值,应根据应用所需的 MPPT 数和每路 MPPT 的功率选用适当的模块和模块数。

  按照目前的软件控制和工艺设计水平,前级的升压可以做到同时控制5个升压模块,这样最多可以有15路MPPT,光伏最多有30个组串输入。大型电站一般使用72片以上的大组件,1100V系统每路接18块,最多可以接入540块组件,如果是60片的小组件,1500V系统每路接28块,最多可以接入840块组件。



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组串数量的限制


  从操作可行性上讲,一台逆变器可以接很多组件。但是实际应用,要考虑光伏电缆的长度、直流电缆的损耗。目前光伏直流电缆标配是线径为4mm的光伏电缆,在环境温度40度时,内阻约为5欧姆/千米。光伏直流损耗一般要求小于2%,包括光伏连接器的损耗和电缆的损耗,在1100V系统中,如果组串电压是680V,要求直流电压损耗不超过13.5V,1500V系统;如果组串电压1080V,要求直流电压损耗不超过21.6V,如组串最大电流为9A,1100V系统直流内阻要求不超过1.5欧姆,1500V系统直流内阻要求不超过2.4欧姆。

  光伏连接器选择和压接很重要,目前质量可靠,压接工艺很好的一对接头,初始内阻约为0.005-0.01欧姆,运行时间越久,内阻越大,大部分接头会稳定在0.012欧姆左右,1100V系统如果接18块组件,有20对光伏连接器,60个接触点,总内阻约0.7欧,1000V系统如果接28块组件,有32对光伏接头,96个接触点总内阻约1.1欧姆。计算后,1100V系统电缆最大压降约为0.8欧姆,直流电缆的长度不能超过160米,算上正负两极,最远端的组件离逆变器的距离不超过80米,如果组件阵列组成一个正方形,逆变器放在正中间,组件数量最多可以达600块;1500V系统电缆最大压降约为1.3欧姆,直流电缆的长度不能超过300米,算上正负两极,最远端的组件离逆变器的距离不超过150米,如果组件阵列组成一个正方形,逆变器放在正中间,组件数量最多可以达1000块。


  总结


  综上所述, 1100V系统,最多可接入540块组件,如果接入主流400W组件,则光伏逆变器最大功率可以达到216kW;如果以后主流组件达到500W,则逆变器最大功率可以达到270kW。1500V系统,最多可接入的是840块组件,如果接入主流400W组件,则逆变器最大功率可以达到336kW,如果以后主流组件达到500W,则逆变器最大功率可以达到420kW。


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