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作者：原中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院副總工程師 林利民（教授級(jí)高工）
1、引言
光伏系統(tǒng)由于組件功率的衰減、灰塵遮擋以及線路損耗的存在，再加上不同地區(qū)的光照條件差異，為了最優(yōu)化系統(tǒng)收益，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工程師會(huì)把光伏組件的總?cè)萘颗涞帽?a href="http://yiguxuan.cn/news/search.php?kw=逆變器" target="_blank">逆變器容量大一些，這種情況被稱為超配。適當(dāng)?shù)某淇梢蕴岣唠娬鞠到y(tǒng)整體收益。在超配設(shè)計(jì)中，集中式大型逆變器由于單機(jī)功率大，每路組串的功率相對(duì)單機(jī)額定功率非常小，在直流輸入配置時(shí)非常靈活，因此很容易進(jìn)行超配設(shè)計(jì)，這已為電站業(yè)主所接受并廣泛應(yīng)用。
在小型屋頂電站和小型山丘電站使用組串式逆變器有優(yōu)勢(shì)，這些組串逆變器能否滿足超配設(shè)計(jì)要求以及超配設(shè)計(jì)能力如何？筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外一些主流組串式逆變器廠家進(jìn)行了調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)絕大部分廠家組串式逆變器都可達(dá)到1.1倍、甚至更高的超配能力，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)個(gè)別組串式逆變器廠家的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上存在嚴(yán)重缺陷，不僅不具備超配能力，甚至無(wú)法用足逆變器的額定功率。逆變器實(shí)際可用功率大打折扣,直接導(dǎo)致用戶初始投資的增加。
2、組串式逆變器超配設(shè)計(jì)要求
組串式逆變器由于單機(jī)功率小，具有多路MPPT的特點(diǎn)，適用于小型屋頂、小型山丘等復(fù)雜分布式電站，可以有效解決組件布局不規(guī)則、不同朝向、局部遮擋等問(wèn)題。隨著國(guó)內(nèi)分布式應(yīng)用發(fā)展，組串式逆變器的應(yīng)用也不斷增加。
在超配設(shè)計(jì)中，除了考慮系統(tǒng)損耗以外，最優(yōu)容配比（組件容量：逆變器容量）主要是由電站所處位置的光照條件決定的。國(guó)內(nèi)分布式電站大多數(shù)分布在我國(guó)東南部地區(qū)，根據(jù)國(guó)家氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能評(píng)估中心的資源區(qū)域分類，多數(shù)處于II，III, IV類光照資源區(qū)，光照條件相對(duì)較差。在此類地區(qū)，容配比至少需要在1.1倍以上，才能達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)度電成本，投資者的收益才能最大化。在超配設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)組串式逆變器有哪些具體要求呢？
2.1 需要評(píng)估逆變器實(shí)際可用交流側(cè)功率
超配是光伏電站的組件容量相對(duì)交流側(cè)容量而言的。對(duì)于一個(gè)光伏電站，其容量應(yīng)該以交流功率側(cè)容量來(lái)標(biāo)定。例如一個(gè)20MW電站，是指其交流側(cè)輸出功率可以達(dá)到20MW，而非直流側(cè)組件功率是20MW。對(duì)于逆變器來(lái)講，也是同樣的，首先要關(guān)注其交流額定功率參數(shù)，然后分析其“實(shí)際可用交流側(cè)功率”。借用那句“別看廣告，看療效”的經(jīng)典臺(tái)詞，組串式逆變器“實(shí)際可用交流側(cè)功率”才是對(duì)超配真正有意義的。如某個(gè)組串式逆變器，其交流側(cè)額定功率參數(shù)是36kW，但按照其直流側(cè)真實(shí)最大可配置到的功率只有34KWp，考慮逆變器自身?yè)p耗，其“實(shí)際可用交流側(cè)額定功率”一定是小于34KW，從超配系數(shù)1.1的角度看，現(xiàn)實(shí)版“實(shí)際可用交流側(cè)額定功率”可能僅僅是30KW。因此，“實(shí)際可用交流側(cè)功率”是系統(tǒng)進(jìn)行超配設(shè)計(jì)的前提。
2.2 逆變器必須具備良好的散熱能力
逆變器需要有良好的散熱能力。由于組串逆變器主要應(yīng)用于小型屋頂及小型山丘等復(fù)雜分布式電站，環(huán)境溫度高，散熱條件相對(duì)較差，如在天氣較為炎熱的夏天，由于屋頂彩鋼瓦或水泥屋頂受光照后熱輻射導(dǎo)致屋頂環(huán)境溫度比地面電站至少要高10℃以上。在這樣的場(chǎng)景下，系統(tǒng)超配后，逆變器滿載及過(guò)載的運(yùn)行時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)，對(duì)于逆變器的散熱能力提出了挑戰(zhàn)。因此高效的散熱能力是逆變器穩(wěn)定、不降額運(yùn)行的保障。在選擇逆變器時(shí)，散熱方式的選取上也需要慎重，實(shí)際測(cè)試表明，對(duì)于幾十KW的電力電子設(shè)備，長(zhǎng)期工作在滿載狀態(tài)下，智能風(fēng)扇散熱效果更優(yōu)。
2.3直流輸入端子數(shù)量必須足夠多
為了實(shí)現(xiàn)超配設(shè)計(jì)，組串式逆變器需要足夠的端子數(shù)量。目前國(guó)內(nèi)常使用組件功率分別是255W、260W、270W，通常每個(gè)組串由22塊組件串聯(lián)組成，以當(dāng)前常見(jiàn)的交流額定功率為40KW的組串式逆變器為例，可以計(jì)算出不同的端子數(shù)量所對(duì)應(yīng)的超配系數(shù)如表1所示。
表1 不同端子數(shù)量對(duì)應(yīng)的功率及相應(yīng)的超配系數(shù)情況
從表1可見(jiàn)，對(duì)于交流額定功率為40KW組串式逆變器，針對(duì)常見(jiàn)的270W及以下的組件，40KW組串式逆變器至少需要配置8串才能滿足1.1以上的超配設(shè)計(jì)要求。不同于集中式逆變器方案，組串式逆變器是直接連接組件，中間沒(méi)有直流匯流環(huán)節(jié)，所能連接的組件串?dāng)?shù)受限于自身的輸入端子數(shù)，因此，足夠的輸入端子數(shù)量實(shí)現(xiàn)超配設(shè)計(jì)的必要保證。
2.4逆變器過(guò)載能力需要盡量大
逆變器需要有較強(qiáng)的過(guò)載能力，一方面，當(dāng)組件可輸出能量在扣除直流側(cè)線損之后，仍然大于逆變器的額定功率，具備過(guò)載能力的逆變器，可以盡可能的減少限發(fā)時(shí)間，減少發(fā)電量損失。另一方面，隨著越來(lái)越多的用戶使用逆變器替代電站的SVG功能，具備過(guò)載能力的逆變器可以在響應(yīng)無(wú)功調(diào)度的同時(shí)，輸出超過(guò)額定容量的有功功率。
3、主流廠家組串式逆變器超配能力調(diào)研
主流廠家組串式逆變器超配能力的真實(shí)情況如何呢？實(shí)際可用交流側(cè)功率是否與參數(shù)表相吻合？散熱能力是否足夠？直流側(cè)端子數(shù)量是否足夠多？逆變器過(guò)載能力到底如何？帶著這些問(wèn)題，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外主流廠家如SMA，Delta，陽(yáng)光電源，古瑞瓦特，山億等進(jìn)行了調(diào)研。各家逆變器的主要相關(guān)參數(shù)匯總在表2.根據(jù)表中數(shù)據(jù)并結(jié)合調(diào)研可以得出：
（1）大部分組串式逆變器是以交流側(cè)額定功率進(jìn)行標(biāo)定，并且實(shí)際可用交流側(cè)功率是足夠的，但也有一家逆變器的實(shí)際可用功率偏小，不僅不能配置到滿載，更談不上超配。結(jié)合表1和表2分析可知，6路輸入的直流側(cè)最大可接入容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到其產(chǎn)品型號(hào)所宣稱的40KW功率值，甚至無(wú)法達(dá)到其標(biāo)稱的額定輸出功率36KW，逆變器真實(shí)可用容量大大縮水，超配設(shè)計(jì)就更談不上了。大大增加了系統(tǒng)的度電成本，嚴(yán)重影響投資者的收益。
（2）大部分組串式逆變器是使用風(fēng)扇散熱的，能保證在超配時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載穩(wěn)定運(yùn)行，但也有一家逆變器是無(wú)外置風(fēng)扇，即使在正常功率下，逆變器本身壽命受到挑戰(zhàn)，超配更是無(wú)從談起。 從表2調(diào)查結(jié)果看，主流廠家均以風(fēng)扇散熱為主流散熱解決方案。為了對(duì)比風(fēng)扇散熱與自然散熱的性能的差異，筆者調(diào)查不同廠家的40KW組串式逆變器散熱效果，結(jié)果表明同樣的45℃環(huán)境溫度下滿載運(yùn)行，自然散熱的A廠家40KW逆變器內(nèi)部IGBT、電容等關(guān)鍵部件的溫升至少比智能風(fēng)扇散熱的B廠家40KW逆變器高10℃，根據(jù)電子元器件壽命十度法則，即意味著同樣的條件下，自然冷卻方式的產(chǎn)品壽命會(huì)降低一半，而這種對(duì)壽命的影響，由于短期內(nèi)無(wú)法顯現(xiàn)，往往被用戶所忽視。
（3）大部分組串式逆變器的直流端子數(shù)量在應(yīng)對(duì)超配設(shè)計(jì)時(shí)是足夠多的，只有一家逆變器的直流端子數(shù)量不夠。這家逆變器廠家的40KW組串式逆變器直流側(cè)設(shè)計(jì)有三路MPPT，但每路MPPT最大只能接2路組串，即逆變器直流側(cè)端子數(shù)量只有6路。根據(jù)表1，6路端子最大接入的直流功率只有34320W，最大超配系數(shù)只有0.95，不具備超配能力。
表2.國(guó)際主流逆變器廠家組串式逆變器可接受的超配比匯總
注：最大可輸入組串?dāng)?shù)量及額定功率數(shù)據(jù)來(lái)源于各廠家官方網(wǎng)站，超配系數(shù)以目前通用的260W組件，每個(gè)組串22塊串聯(lián)為例計(jì)算。
4、小結(jié)
光伏系統(tǒng)超配設(shè)計(jì)已受到用戶的廣泛關(guān)注，通過(guò)適當(dāng)?shù)某洌梢蕴岣咄顿Y者的整體收益。對(duì)于國(guó)內(nèi)正大力推廣的分布式項(xiàng)目，需要至少1.1倍以上的超配系數(shù)。
通過(guò)分析比較，不是所有的組串式逆變器都可以進(jìn)行超配設(shè)計(jì)的。在當(dāng)前常見(jiàn)的40KW逆變器中，只有直流輸入端子8路以上的組串式逆變器，才能實(shí)現(xiàn)1.1倍以上的超配方案。且逆變器需要有足夠的功率余量、良好的散熱性能和一定的過(guò)載能力。國(guó)際上主流廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)均以客戶收益最大化為導(dǎo)向，充分考慮到直流側(cè)超配對(duì)系統(tǒng)收益的重要性，逆變器產(chǎn)品的實(shí)際功率標(biāo)定、散熱、直流輸入端子數(shù)量及過(guò)載能力，均進(jìn)行了充分的考慮，以滿足系統(tǒng)超配設(shè)計(jì)的需求。
1、引言
光伏系統(tǒng)由于組件功率的衰減、灰塵遮擋以及線路損耗的存在，再加上不同地區(qū)的光照條件差異，為了最優(yōu)化系統(tǒng)收益，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工程師會(huì)把光伏組件的總?cè)萘颗涞帽?a href="http://yiguxuan.cn/news/search.php?kw=逆變器" target="_blank">逆變器容量大一些，這種情況被稱為超配。適當(dāng)?shù)某淇梢蕴岣唠娬鞠到y(tǒng)整體收益。在超配設(shè)計(jì)中，集中式大型逆變器由于單機(jī)功率大，每路組串的功率相對(duì)單機(jī)額定功率非常小，在直流輸入配置時(shí)非常靈活，因此很容易進(jìn)行超配設(shè)計(jì)，這已為電站業(yè)主所接受并廣泛應(yīng)用。
在小型屋頂電站和小型山丘電站使用組串式逆變器有優(yōu)勢(shì)，這些組串逆變器能否滿足超配設(shè)計(jì)要求以及超配設(shè)計(jì)能力如何？筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外一些主流組串式逆變器廠家進(jìn)行了調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)絕大部分廠家組串式逆變器都可達(dá)到1.1倍、甚至更高的超配能力，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)個(gè)別組串式逆變器廠家的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上存在嚴(yán)重缺陷，不僅不具備超配能力，甚至無(wú)法用足逆變器的額定功率。逆變器實(shí)際可用功率大打折扣,直接導(dǎo)致用戶初始投資的增加。
2、組串式逆變器超配設(shè)計(jì)要求
組串式逆變器由于單機(jī)功率小，具有多路MPPT的特點(diǎn)，適用于小型屋頂、小型山丘等復(fù)雜分布式電站，可以有效解決組件布局不規(guī)則、不同朝向、局部遮擋等問(wèn)題。隨著國(guó)內(nèi)分布式應(yīng)用發(fā)展，組串式逆變器的應(yīng)用也不斷增加。
在超配設(shè)計(jì)中，除了考慮系統(tǒng)損耗以外，最優(yōu)容配比（組件容量：逆變器容量）主要是由電站所處位置的光照條件決定的。國(guó)內(nèi)分布式電站大多數(shù)分布在我國(guó)東南部地區(qū)，根據(jù)國(guó)家氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能評(píng)估中心的資源區(qū)域分類，多數(shù)處于II，III, IV類光照資源區(qū)，光照條件相對(duì)較差。在此類地區(qū)，容配比至少需要在1.1倍以上，才能達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)度電成本，投資者的收益才能最大化。在超配設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)組串式逆變器有哪些具體要求呢？
2.1 需要評(píng)估逆變器實(shí)際可用交流側(cè)功率
超配是光伏電站的組件容量相對(duì)交流側(cè)容量而言的。對(duì)于一個(gè)光伏電站，其容量應(yīng)該以交流功率側(cè)容量來(lái)標(biāo)定。例如一個(gè)20MW電站，是指其交流側(cè)輸出功率可以達(dá)到20MW，而非直流側(cè)組件功率是20MW。對(duì)于逆變器來(lái)講，也是同樣的，首先要關(guān)注其交流額定功率參數(shù)，然后分析其“實(shí)際可用交流側(cè)功率”。借用那句“別看廣告，看療效”的經(jīng)典臺(tái)詞，組串式逆變器“實(shí)際可用交流側(cè)功率”才是對(duì)超配真正有意義的。如某個(gè)組串式逆變器，其交流側(cè)額定功率參數(shù)是36kW，但按照其直流側(cè)真實(shí)最大可配置到的功率只有34KWp，考慮逆變器自身?yè)p耗，其“實(shí)際可用交流側(cè)額定功率”一定是小于34KW，從超配系數(shù)1.1的角度看，現(xiàn)實(shí)版“實(shí)際可用交流側(cè)額定功率”可能僅僅是30KW。因此，“實(shí)際可用交流側(cè)功率”是系統(tǒng)進(jìn)行超配設(shè)計(jì)的前提。
2.2 逆變器必須具備良好的散熱能力
逆變器需要有良好的散熱能力。由于組串逆變器主要應(yīng)用于小型屋頂及小型山丘等復(fù)雜分布式電站，環(huán)境溫度高，散熱條件相對(duì)較差，如在天氣較為炎熱的夏天，由于屋頂彩鋼瓦或水泥屋頂受光照后熱輻射導(dǎo)致屋頂環(huán)境溫度比地面電站至少要高10℃以上。在這樣的場(chǎng)景下，系統(tǒng)超配后，逆變器滿載及過(guò)載的運(yùn)行時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)，對(duì)于逆變器的散熱能力提出了挑戰(zhàn)。因此高效的散熱能力是逆變器穩(wěn)定、不降額運(yùn)行的保障。在選擇逆變器時(shí)，散熱方式的選取上也需要慎重，實(shí)際測(cè)試表明，對(duì)于幾十KW的電力電子設(shè)備，長(zhǎng)期工作在滿載狀態(tài)下，智能風(fēng)扇散熱效果更優(yōu)。
2.3直流輸入端子數(shù)量必須足夠多
為了實(shí)現(xiàn)超配設(shè)計(jì)，組串式逆變器需要足夠的端子數(shù)量。目前國(guó)內(nèi)常使用組件功率分別是255W、260W、270W，通常每個(gè)組串由22塊組件串聯(lián)組成，以當(dāng)前常見(jiàn)的交流額定功率為40KW的組串式逆變器為例，可以計(jì)算出不同的端子數(shù)量所對(duì)應(yīng)的超配系數(shù)如表1所示。
表1 不同端子數(shù)量對(duì)應(yīng)的功率及相應(yīng)的超配系數(shù)情況
從表1可見(jiàn)，對(duì)于交流額定功率為40KW組串式逆變器，針對(duì)常見(jiàn)的270W及以下的組件，40KW組串式逆變器至少需要配置8串才能滿足1.1以上的超配設(shè)計(jì)要求。不同于集中式逆變器方案，組串式逆變器是直接連接組件，中間沒(méi)有直流匯流環(huán)節(jié)，所能連接的組件串?dāng)?shù)受限于自身的輸入端子數(shù)，因此，足夠的輸入端子數(shù)量實(shí)現(xiàn)超配設(shè)計(jì)的必要保證。
2.4逆變器過(guò)載能力需要盡量大
逆變器需要有較強(qiáng)的過(guò)載能力，一方面，當(dāng)組件可輸出能量在扣除直流側(cè)線損之后，仍然大于逆變器的額定功率，具備過(guò)載能力的逆變器，可以盡可能的減少限發(fā)時(shí)間，減少發(fā)電量損失。另一方面，隨著越來(lái)越多的用戶使用逆變器替代電站的SVG功能，具備過(guò)載能力的逆變器可以在響應(yīng)無(wú)功調(diào)度的同時(shí)，輸出超過(guò)額定容量的有功功率。
3、主流廠家組串式逆變器超配能力調(diào)研
主流廠家組串式逆變器超配能力的真實(shí)情況如何呢？實(shí)際可用交流側(cè)功率是否與參數(shù)表相吻合？散熱能力是否足夠？直流側(cè)端子數(shù)量是否足夠多？逆變器過(guò)載能力到底如何？帶著這些問(wèn)題，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外主流廠家如SMA，Delta，陽(yáng)光電源，古瑞瓦特，山億等進(jìn)行了調(diào)研。各家逆變器的主要相關(guān)參數(shù)匯總在表2.根據(jù)表中數(shù)據(jù)并結(jié)合調(diào)研可以得出：
（1）大部分組串式逆變器是以交流側(cè)額定功率進(jìn)行標(biāo)定，并且實(shí)際可用交流側(cè)功率是足夠的，但也有一家逆變器的實(shí)際可用功率偏小，不僅不能配置到滿載，更談不上超配。結(jié)合表1和表2分析可知，6路輸入的直流側(cè)最大可接入容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到其產(chǎn)品型號(hào)所宣稱的40KW功率值，甚至無(wú)法達(dá)到其標(biāo)稱的額定輸出功率36KW，逆變器真實(shí)可用容量大大縮水，超配設(shè)計(jì)就更談不上了。大大增加了系統(tǒng)的度電成本，嚴(yán)重影響投資者的收益。
（2）大部分組串式逆變器是使用風(fēng)扇散熱的，能保證在超配時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載穩(wěn)定運(yùn)行，但也有一家逆變器是無(wú)外置風(fēng)扇，即使在正常功率下，逆變器本身壽命受到挑戰(zhàn)，超配更是無(wú)從談起。 從表2調(diào)查結(jié)果看，主流廠家均以風(fēng)扇散熱為主流散熱解決方案。為了對(duì)比風(fēng)扇散熱與自然散熱的性能的差異，筆者調(diào)查不同廠家的40KW組串式逆變器散熱效果，結(jié)果表明同樣的45℃環(huán)境溫度下滿載運(yùn)行，自然散熱的A廠家40KW逆變器內(nèi)部IGBT、電容等關(guān)鍵部件的溫升至少比智能風(fēng)扇散熱的B廠家40KW逆變器高10℃，根據(jù)電子元器件壽命十度法則，即意味著同樣的條件下，自然冷卻方式的產(chǎn)品壽命會(huì)降低一半，而這種對(duì)壽命的影響，由于短期內(nèi)無(wú)法顯現(xiàn)，往往被用戶所忽視。
（3）大部分組串式逆變器的直流端子數(shù)量在應(yīng)對(duì)超配設(shè)計(jì)時(shí)是足夠多的，只有一家逆變器的直流端子數(shù)量不夠。這家逆變器廠家的40KW組串式逆變器直流側(cè)設(shè)計(jì)有三路MPPT，但每路MPPT最大只能接2路組串，即逆變器直流側(cè)端子數(shù)量只有6路。根據(jù)表1，6路端子最大接入的直流功率只有34320W，最大超配系數(shù)只有0.95，不具備超配能力。
表2.國(guó)際主流逆變器廠家組串式逆變器可接受的超配比匯總
注：最大可輸入組串?dāng)?shù)量及額定功率數(shù)據(jù)來(lái)源于各廠家官方網(wǎng)站，超配系數(shù)以目前通用的260W組件，每個(gè)組串22塊串聯(lián)為例計(jì)算。
4、小結(jié)
光伏系統(tǒng)超配設(shè)計(jì)已受到用戶的廣泛關(guān)注，通過(guò)適當(dāng)?shù)某洌梢蕴岣咄顿Y者的整體收益。對(duì)于國(guó)內(nèi)正大力推廣的分布式項(xiàng)目，需要至少1.1倍以上的超配系數(shù)。
通過(guò)分析比較，不是所有的組串式逆變器都可以進(jìn)行超配設(shè)計(jì)的。在當(dāng)前常見(jiàn)的40KW逆變器中，只有直流輸入端子8路以上的組串式逆變器，才能實(shí)現(xiàn)1.1倍以上的超配方案。且逆變器需要有足夠的功率余量、良好的散熱性能和一定的過(guò)載能力。國(guó)際上主流廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)均以客戶收益最大化為導(dǎo)向，充分考慮到直流側(cè)超配對(duì)系統(tǒng)收益的重要性，逆變器產(chǎn)品的實(shí)際功率標(biāo)定、散熱、直流輸入端子數(shù)量及過(guò)載能力，均進(jìn)行了充分的考慮，以滿足系統(tǒng)超配設(shè)計(jì)的需求。
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