太陽能光伏的無變壓器逆變器構(gòu)造

　　本文介紹了現(xiàn)今商業(yè)和公用光伏安裝項(xiàng)目所使用的無變壓器逆變器的構(gòu)造。它分析了電力集成商和公用電力事業(yè)機(jī)構(gòu)如何通過將多個逆變器直接整合到電網(wǎng)中或僅配備一個中壓變壓器來發(fā)揮新的能力。最后，本文還詳細(xì)列出了系統(tǒng)復(fù)雜性降低和發(fā)電效率最大化所帶來的諸多好處。

　　新一代無變壓器技術(shù)降低了電力集成商(integrators)和公用電力事業(yè)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)復(fù)雜性，針對兩種最常見的大型光伏安裝項(xiàng)目——大樓逆變器直接連接項(xiàng)目和用于并網(wǎng)發(fā)電輸電的公用安裝項(xiàng)目，該技術(shù)最大限度地提高了其電力傳輸能力。

　　盡管太陽能光伏電源的價(jià)格正在變得越來越有競爭力，但對整個行業(yè)來說，繼續(xù)增強(qiáng)性能、提高效率以及降低成本才是至關(guān)重要的。提高大型投資設(shè)備的質(zhì)量和性能是不斷增加收益的一種途徑，此外，逆變器的性能和效率與光伏模塊和數(shù)組同樣重要。在大型光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，電力集成商和公用電力事業(yè)機(jī)構(gòu)正拋開傳統(tǒng)的逆變器設(shè)備，轉(zhuǎn)而開始選擇最先進(jìn)的無變壓器逆變器技術(shù)，以便降低系統(tǒng)的復(fù)雜性并最大限度地提高電力傳輸。確實(shí)有必要仔細(xì)看看無變壓器逆變器技術(shù)是如何通過影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)、效率和系統(tǒng)平衡(BoS)成本來幫助改變競爭格局的。

　　過采用可分離的兩極 +600 和 -600 VDC 電池組數(shù)組實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)換這項(xiàng)新技術(shù)，無需在低壓三相電網(wǎng)上配備變壓器。這種配置不僅提高了發(fā)電效率，而且不需要傳統(tǒng)上所要求使用的逆變器變壓器，降低了相關(guān)的系統(tǒng)平衡 (BoS) 成本，還避免了與單極配置有關(guān)的不必要的線路衰減。這項(xiàng)技術(shù)還為電力集成商和公用電力事業(yè)機(jī)構(gòu)的大型商業(yè)或公用安裝項(xiàng)目帶來了更多好處。例如，通常規(guī)模在1到2兆瓦的商業(yè)項(xiàng)目，在連接點(diǎn)位于大樓入口變壓器低壓側(cè)要求配有一至八個逆變器，并且每個逆變器都要配有單獨(dú)的、定制的隔離變壓器——即使變壓器已與逆變器集成。而真正的無變壓器設(shè)計(jì)的逆變器才能支持直接的連接，不需要任何其它的變壓器設(shè)備和定制修改，而且也不會產(chǎn)生系統(tǒng)平衡成本。對于那些中壓變壓器連接點(diǎn)在5到12.7千伏之間的公用安裝項(xiàng)目，可將多個無變壓器逆變器整合成一個大小適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)中壓變壓器。變壓器可以放在電場的任何位置，以靠近逆變器是最合適的。

　　無變壓器逆變器技術(shù)和兩極數(shù)組配置

　　采用了無變壓器逆變器技術(shù)的太陽能光伏系統(tǒng)在發(fā)電時，光伏模塊和負(fù)載之間不需要任何變壓器——通常為高壓交流電 (HVAC) 設(shè)備和商業(yè)熒光照明。盡管一些制造商聲稱具備了無變壓器技術(shù)，但實(shí)際上，他們的產(chǎn)品仍需要在逆變器和負(fù)載之間配備一個隔離變壓器。他們僅僅是將逆變器整合到一個逆變器箱中或?qū)λ鼈冞M(jìn)行單獨(dú)銷售。真正的無變壓器逆變器可將電力從逆變器直接轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)剿截?fù)載中。這要?dú)w功于采用雙極 ±600 VDC 數(shù)組配置。電力集成商和公用電力事業(yè)機(jī)構(gòu)可獲得系統(tǒng)性能改善和系統(tǒng)平衡成本降低的好處：

　　更高的效率

　　縮小設(shè)備和導(dǎo)線規(guī)模及數(shù)量

　　降低材料和安裝施工成本

　　為了說明這些優(yōu)勢，讓我們看看這兩種最常見的大型光伏安裝項(xiàng)目的構(gòu)架，它們分別是美國本地電網(wǎng)的逆變器直接連接項(xiàng)目和并網(wǎng)發(fā)電輸電的公用安裝項(xiàng)目。

　　商用屋頂安裝項(xiàng)目中使用的直接并網(wǎng)光伏逆變器

　　一個在設(shè)施入口處低壓一端擁有連接點(diǎn)的1兆瓦的商用屋頂系統(tǒng)需要1至4個并網(wǎng)光伏逆變器。采用傳統(tǒng)的逆變器時，每一個都必須與一個單獨(dú)的或定制的隔離變壓器相搭配——不論變壓器與逆變器是否集成，情況都是如此。因此，電力供應(yīng)立即被減弱了，因?yàn)楦綦x變壓器的效率通常只有98%到99%，它們最多可以讓效能下降2%。

　　由于體積龐大而且沉重，傳統(tǒng)逆變器會限制光伏逆變器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用2個500千瓦逆變器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在地面上安裝逆變器，因?yàn)檫@種逆變器/變壓器搭配的尺寸和重量較大。即使隔離變壓器可以與逆變器相互分離，由于較低的電壓與較高的電流這種安裝所導(dǎo)致昂貴的導(dǎo)線成本，每一個逆變器所需要的較低的輸出電壓和多繞組也會限制相互分離的距離。

　　整合逆變器時的穩(wěn)定性問題也是需要關(guān)注的。傳統(tǒng)逆變器設(shè)計(jì)通常采用無阻尼大三角形過濾器，當(dāng)很多設(shè)備并行放置或逆變器設(shè)置在長傳輸在線的時候，這些過濾器可能會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定。而且，如果逆變器被并行放置在同一個箱子里，每一個500千瓦

　　逆變器由4個較小的125千瓦單元驅(qū)動，那么這種系統(tǒng)就容易受到電氣干擾，而且會為整個光伏系統(tǒng)帶來多個故障點(diǎn)。

　　相比之下，真正的無變壓器逆變器直接固定在建筑物的入口處，甚至是固定在一個尺寸足夠大的配電安裝板上。由于沒有隔離變壓器，從光伏模塊電源獲得的額外的1%到2%能源效率直接進(jìn)入負(fù)載，在功率為500千瓦的時候，這意味著最低免費(fèi)額外提供了5千瓦的輸出。此外，直接轉(zhuǎn)變成可用的電壓，而不是較低的單極逆變器交流電壓，而交流電電流降低一半以上，從而降低了交流電一端的電線成本。

　　如果沒有一個變壓器，逆變器的尺寸更小，重量更輕，為電力集成商在安裝和整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面提供了更大的自由。由于重量的限制和必須的加固措施，在五層樓的建筑物屋頂安裝一個傳統(tǒng)的逆變器從成本上來說可能會讓人望而卻步，但是設(shè)計(jì)人員卻可以讓無變壓器逆變器安裝在商業(yè)建筑的屋頂上(而不是安裝在地下室)，使其直接與五樓的安裝板連接。這樣的設(shè)計(jì)不僅可以免除昂貴的高達(dá)五層樓的直流電布線，而且還能縮短交流電電線的長度并降低相關(guān)成本。

　　最后一點(diǎn)，多個逆變器可以在不用變壓器的情況下并聯(lián)，而電源則可以直接使用，以便實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的表現(xiàn)。無變壓器逆變器技術(shù)采用大得多的電源優(yōu)化器 (Line Reactor) 和較小的三角形濾波電容。這些較小的三角形濾波電容器也通過一種串聯(lián)電阻器進(jìn)行緩沖，從而提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且減少并聯(lián)逆變器之間的相互作用。帶有一種單一引擎設(shè)計(jì)的500千瓦逆變器也能減少零部件數(shù)量，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性。

　　圖1.商業(yè)安裝。a)新的雙極系統(tǒng)連接;b)傳統(tǒng)的單極系統(tǒng)連接

　　公用安裝項(xiàng)目中使用的并聯(lián)逆變器

　　同樣的原則也適用于公用規(guī)模的安裝項(xiàng)目。然而，大多數(shù)公用規(guī)模的安裝項(xiàng)目涉及大型接地光伏數(shù)組，并配備了許多逆變器，可迅速升壓至中壓(4160至13.8千伏)。此外，傳統(tǒng)逆變器需要一個單獨(dú)的隔離變壓器與各個逆變器進(jìn)行配對，而這就占到不必要損耗中的多達(dá)兩個效率點(diǎn)。

　　在一個1兆瓦的模塊中，可將1至4個傳統(tǒng)逆變器安置在一個單獨(dú)的墊板上，并且每個逆變器都帶有中壓連接。中壓連接成本很高，執(zhí)行這項(xiàng)工作的電工人員需要接受更高等級的培訓(xùn)和認(rèn)證。需要使用更大的設(shè)備墊板或公用機(jī)箱。如果電場有一個追蹤器參與運(yùn)行，那么就需要單獨(dú)的變壓器為這些追蹤器供電。這樣，系統(tǒng)平衡設(shè)備、材料和安裝成本便會迅速增加。

　　傳統(tǒng)逆變器還通過公用線路自干擾(如各種 VAR 發(fā)電)來檢測孤島情況。當(dāng)與許多逆變器并聯(lián)時，這種干擾就會在所有逆變器之間產(chǎn)生 VAR拍差頻率，所產(chǎn)生的假脫扣將使電場關(guān)閉。多個傳統(tǒng)逆變器及它們的大型三角電容器也會產(chǎn)生不穩(wěn)定性并吸收大量諧波電流。

　　這些問題都可以通過無變壓器逆變器技術(shù)來避免。無變壓器逆變器可以被并聯(lián)到一個中壓變壓器的單獨(dú)繞組上。每組逆變器僅需要一個獨(dú)立、標(biāo)準(zhǔn)的1000、1500、2000或2500 kVAR 規(guī)格的中壓變壓器。這就為站點(diǎn)配置提供了眾多可能性。由于其電流低于傳統(tǒng)逆變器的電流，因此安置逆變器和變壓器的方式還有更多靈活選擇。

　　無變壓器逆變器的尺寸約為傳統(tǒng)逆變器的一半，可直接轉(zhuǎn)換成更高的電壓，這就減少了所需占地面積、運(yùn)輸和起重設(shè)備成本(加上遞增的設(shè)備墊板或公用機(jī)箱建造成本)以及連接繞組的大小和數(shù)量。此外，一個連接到無變壓器逆變器的標(biāo)準(zhǔn)配電板可以在無需單獨(dú)變壓器的情況下向追蹤器供電。由于變壓器減少，系統(tǒng)中的電抗組件隨之減少，從而實(shí)現(xiàn)最穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。此外，每個逆變器均通過以太網(wǎng)進(jìn)行自動和獨(dú)立尋址，從而消除了一切干擾問題。

　　此外，完全被動的反孤島技術(shù)(anti-islanding technique)不會干擾帶 VAR偏差的公用電壓，也不會在路線上設(shè)置其它瞬態(tài)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高效、順暢、穩(wěn)定的電源，這一起都為了相對削減安裝成本。

　　圖2.公用電場連通逆變器。a)全新雙極連接，變壓器數(shù)量減少;b)傳統(tǒng)單極連接，每個逆變器配備一個變壓器

　　在商業(yè)和公用安裝項(xiàng)目中發(fā)揮新的能力

　　電力集成商和公用電力事業(yè)機(jī)構(gòu)可以通過將多個無變壓器逆變器直接整合到電網(wǎng)或中壓的方式發(fā)揮出新的能力。由此產(chǎn)生的最大發(fā)電量和高功效收益將繼續(xù)推動太陽能光伏發(fā)電和替代性能源成為主流。同時，新型光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了前所未有的靈活性和成本節(jié)省，對電力集成商和公用電力事業(yè)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了意義深遠(yuǎn)的廣泛影響。目前，許多機(jī)構(gòu)都紛紛采用了無變壓器的逆變器技術(shù)，這種新的配置正在改變著行業(yè)面貌。

　　結(jié)語

　　通過利用無變壓器的逆變器技術(shù)，電力集成商和公用電力事業(yè)機(jī)構(gòu)能夠降低光伏系統(tǒng)的復(fù)雜性并最大限度地提高電力傳輸，無論是在商業(yè)安裝項(xiàng)目中直接接入電網(wǎng)，還是在公用安裝項(xiàng)目中接入中壓。此外，無變壓器逆變器技術(shù)可縮小光伏系統(tǒng)安裝規(guī)模，并降低系統(tǒng)平衡成本，從而扭轉(zhuǎn)了發(fā)展趨勢。新趨勢強(qiáng)調(diào)平準(zhǔn)化發(fā)電成本 (LCOE)，本文討論的新一代無變壓器逆變器能夠大幅降低 LCOE，而這些只需提供直接的轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)——這是一個值得在未來探討的議題。