上能集散式光伏发电解决方案.doc

目 录 前言3 集散式方案优势说明7 集散式逆变器技术优势一览表12 集散式产品及方案介绍19 集散式方案优势说明光伏逆变器是光伏发电系统的两大主要部件之一，光伏逆变器核心任务是跟踪光伏阵列的最大输出功率，并将其能量以最小的变换损耗、最佳的电能质量馈入电网，因此逆变器方案的选择将成为光伏电站实现更高收益、智能化的关键因素。集中式逆变方案是大型光伏地面电站普遍采用的技术方案，系统技术相对成熟，电站可靠性较高，投资性价比高。理论上讲，采用更高单机功率的逆变器可以进一步降低光伏发电系统造价，并进一步提升系统可靠性。但是集中式光伏电站应用中，存在单机功率过大与光伏组件MPPT失配造成的发电量损失的矛盾。因此在成熟的集中式光伏电站应用中，单机超过500kW的光伏逆变器应用较少。采用小功率的组串式光伏逆变器理论上可以很好地解决光伏组件MPPT的失配造成的发电量损失，但却存在轻载情况下转换效率变差，以及轻载情况下的并网电能质量劣化的问题，甚至出现其它一些并网及后期运维等问题，系统成本造价相比集中逆变系统也会提高。因此目前组串型光伏逆变器一般应用并网规模较小的光伏发电系统中。上能公司创新融合了组串式逆变器与集中式逆变器各自优点，推出了新型的集散式1MW逆变解决方案。该方案实现了1MW逆变器单元的48路MPPT优化功能，很好地解决了逆变器单机大功率化与光伏电池组件并联MPPT失配损失之间的矛盾。同时解决组串式逆变器系统投资成本高、轻载下电能质量裂化以及后期运维复杂、成本高的问题。同时新型1MW逆变器将直流输入电压、交流输出电压等级提升近40，相同电缆配置情况下，比组串式逆变系统和集中式逆变系统的线损大幅度降低，如果保持相同的线路损耗不变为原则，则可以大幅降低系统成本。集散式逆变系统采用多种节能降耗理念，加之完善的监测及保护功能，并与带有MPPT优化功能的智能汇流箱一起实现光伏电站的智能监控，可以很好的解决前述大型光伏电站面临的所有主要问题。上能集散式光伏发电解决方案采用分散优化控制、集中并网形式，与传统的集中式并网电站不同的是，直流汇流箱被替换成带MPPT优化功能的智能汇流箱，每1MW发电系统具备48路独立的MPPT优化单元，有效解决了因灰尘遮挡、阴影遮挡、组件劣化、倾角差异等组件失配带来的发电损失，同时新型1MW逆变器将直流输入电压、交流输出电压等级提升近40，并采用多种节能降耗理念，在提升发电效率的同时显著降低系统投资成本。上能新型集散式光伏逆变系统相比传统的集中式并网方案，不仅可以将系统发电量提升25以上，而且系统造价也可降低,相比组串式逆变器方案而言，系统造价降低0.10.15元/瓦（1015万/1MW），同时在输出电能质量和并网性能方面，不存在多机并联带来的谐波劣化，甚至与电网谐振的问题，显著优于组串式逆变器。每1MW光伏发电单元由12台智能MPPT汇流箱和1台1MW集散式逆变器组成，典型的组网结构图如下：²更高发电量集散式1MW逆变器输入MPPT路数将高达48路，最大限度地减少了因灰尘遮挡、阴影遮挡、组件劣化等不同特性而导致的组件失配带来的发电量损失，相比于传统的集中式解决方案，预计对发电量的贡献将有至少25以上的提升。²更低系统投资成本集散式解决方案具备明显的系统投资成本优势，可大幅降低输入/输出电缆、变压器、交流汇流箱成本。相比组串式方案，系统总投资成本降低约0.10.15元/瓦（1015万/1MW）。²更优的并网性能高压输电网对并网的光伏发电在调度响应、故障穿越、限发、超发、谐波限值、功率变化率、紧急启停等方面都有严格要求。集中型逆变器在电站中数量少，通讯控制简单，适应电网能力远优于组串型逆变器。多台组串型逆变器应用于大型光伏电站中，一旦电网出现故障，由于设备众多控制复杂，电网耦合、等效并网阻抗降低，导致与电网出现谐振的概率大大增加，多台组串型逆变器组成的大型逆变器系统容易出现大量脱网甚至设备自身损坏情况。集散式逆变器继承了传统集中式逆变器低谐波，电网适应能力强等优点，结合独特的双模组工作模式，具有更加优良的并网电能质量。电流谐波指标显著优于组串型，且不存在组串型多机并联带来的轻载谐波“串扰”问题²更高逆变效率上能集散式逆变器采用动态母线电压调整技术，充分结合电缆损耗及逆变器不同电压等级下效率，直流输入电压750-850V动态调整，系统效率更高，同时相比固定母线电压工作方式，IGBT承受电压应力更低，可靠性更高。上能集散式逆变器中国效率高达98.32%，明显领先业内同类产品。² 更低的后期维护成本相比于组串式逆变器整机维护方式，上能集散式逆变器器件级的维护方式具备更低的维护成本。同时，在占地几百甚至数千亩的大规模电站中，对完全分散的组串式逆变器进行更换，尤其是山地或丘陵电站，维护人员花费路途上的时间及维修难度也是组串型的大规模电站不利因素之一。集散式和组串式运维费用对比（100MW电站，假设1%逆变器故障率）年维修费用 （质保期外）集散式组串式100MW*0.36元/w*1%*25%(25%为估算单台平均维修成本比例)100MW*0.45元/W*1%*50%(50%为估算单台平均维修成本比例)年设备维护费：9万元年设备维护费：22.5万年发电量损失100MW *1%*6h*0.9元/度（单台损失满载发电时间6h）100M*1%*2h*0.9元/度（单台损失满载发电时间2h）年发电量损失收入：0.54万元年发电量损失收入：0.18万元年维护成本9+0.54=9.54万元22.5+0.18=22.68万元²更高系统可靠性l智能MPPT汇流箱功率模块采用大规模市场应用的IGBT半导体器件并结合更为成熟高效软开关技术，提高电能利用的效率，来实现电能损失的减少，相对于硅器件IGBT，碳化硅MOSFET虽然在降低导通电阻和减小开关损耗等方面具有性能优势，但是规模量产时间不足两年，规模应用时间不足一年，器件可靠性有待市场检验。l智能MPPT汇流箱每个组串搭载专利的智能电子开关，并具备直流侧主动断开保护，发生异常时可靠分断，可靠性显著高于熔断器保护方案，真正实现光伏阵列的组串级保护。l每个输入支路具备支路智能防反功能，检测到支路反向电流倒灌时，通过智能电子开关可靠分断；每个MPPT优化单元模块之间具备防逆流二极管，避免模块故障后其它模块的电流倒灌带来的故障扩大化。l逆变器具备专利直流电容及交流电容的寿命预测功能，电容损坏前可提前给出预警；l专利的多级交流风机故障检测技术，实现对机器内部每一个交流风机的实时监测，出现故障，可立即发出告警，l专利的多级交流风机调速技术，实现发热量与出风量的最优匹配，进一步降低控制系统损耗，显著提高风机运行寿命；散热风机的冗余设计：任何一只风机出现故障后，均不影响逆变器的正常工作；l双DSP 控制系统，主控DSP“失控”后仍可实现系统安全关机；²更智能化监控及诊断方案l智能MPPT汇流箱每个输入支路配有瑞士LEM品牌高精度霍尔传感器，检测精度<0.5%。l 智能MPPT汇流箱自带组串PV特性曲线扫描的全方位智能型监控及诊断方案，性能媲美专业仪器，组串特性一目了然，组串智能分析功能远超传统型解决方案。同时可以记录每个组串的日发电曲线，细致分析组串差异。 集散式产品及方案介绍1.1 系统方案特点介绍集中式逆变方案是大型光伏地面电站普遍采用的技术方案，系统技术相对成熟，电站可靠性较高，投资性价比高。理论上讲，采用更高单机功率的逆变器可以进一步降低光伏发电系统造价，并进一步提升系统可靠性。但是集中式光伏电站应用中，存在单机功率过大与光伏组件MPPT失配造成的发电量损失的矛盾。因此在成熟的集中式光伏电站应用中，单机超过500KW的光伏逆变器应用少之又少。采用小功率的组串式光伏逆变器理论上可以很好地解决光伏组件MPPT的失配造成的发电量损失，但却存在轻载情况下转换效率变差，以及轻载情况下的并网电能质量劣化的问题，甚至出现其它一些并网及后期运维等问题，系统成本造价相比集中逆变系统也会提高。因此目前组串型光伏逆变器一般应用并网规模较小的光伏发电系统中。上能公司创新融合了组串式逆变器与集中式逆变器各自优点，推出了一款新型的集散式1MW逆变解决方案。该方案实现了1MW逆变器单元的48路MPPT优化功能，很好地解决了逆变器单机大功率化与光伏电池组件并联MPPT失配损失之间的矛盾。由于新型1MW逆变器将直流输入电压、交流输出电压等级提升近40，同时采用多种节能降耗理念，加之完善的监测及保护功能，并与带有MPPT优化功能的智能汇流箱一起实现光伏电站的智能监控，可以很好的解决前述的我国目前大型光伏电站面临的所有主要问题。 上能新型集散式MW光伏逆变系统相比传统的集中式并网方案，不仅可以将系统发电量提升25以上，而且系统造价也可降低,相比组串式逆变器方案而言，系统造价降低0.030.05元/瓦（35万/1MW）。1）MPPT汇流箱原理简介户外型智能MPPT汇流箱和1MW集中式逆变器协同工作，整个系统的原理图如下图所示。1MW集散式逆变系统由1214个汇流箱组成，每一个MPPT汇流箱连接16个光伏电池板组串，每4个光伏电池板组串连接一个MPPT模块。MPPT模块采用Boost电路，将输入变化的光伏电池板电压升高额定电压800V，同时实现输入电池组件的最大功率寻优。1214个汇流箱输出的800V直流母线电压汇总后送至1MW逆变器，逆变成480V交流电压，再通过升压变压器上送到10KV/35KV电网。集散式光伏逆变系统框图下图为MPPT汇流箱内部电气示意图。每个汇流箱内部包含4个Boost功率变换模块，一个功率模块连接4个光伏电池板输入支路。光伏支路输入后先通过专利的电子开关，再进入功率变换模块。4个功率模块输出端连接在一起，通过输出断路器送至集中逆变器。控制器采用美国TI公司28335 DSP高速处理器。MPPT汇流箱可采集每个支路的输入电流值、模块输入电流值、模块输入电压、模块输出电压、总输出电压、总输出电流、功率单元以及环境温度等参数。上能集散式MPPT汇流箱集成智能优化及智能监控功能于一身，不仅可以有效提升光伏电站系统发电量，而且通过智能数据采集分析，实现对光伏组串级别的监测，可以支持每块光伏电池板的数据分析和管理功能、每个串联组串支路的数据分析和PV特性参数扫描功能、支路组件故障检测及故障断开等一系列智能功能，为后续的智能电站提供了充分的数据接口和充足的数据支持，提供智能光伏电站的全面解决方案。2）MPPT汇流箱优势介绍Ø 采用高效软开关DC/DC拓扑变换电路Ø MPPT优化器最大效率：99.6。Ø 1MW逆变器MPPT优化器整体综合效率：系统中国效率：98.34%，逆变器最大效率：99.08%Ø 内置专利的直流“电子熔断器”技术，实现系统各种故障情况下的安全隔离。（参见上能专利一种用于汇流箱的电子开关）MPPT汇流箱内采用专利的电子熔断器保护技术，可在检测到光伏电池阵列发生过流、倒灌电流、拉弧等严重故障时自动断开每个支路的连接，实现最高安全级别的保护。另外，当逆变器侧发生严重故障时，逆变器自动断开其输入/输出断路器，可实现与电池阵列的自动隔离Ø 实现了将传统的智能汇流箱、多路MPPT优化等功能集成一体，具备支路电流监测及电池板寿命分析功能、支路功率优化，以及专利的组串曲线扫描功能，以及专利的单块电池板性能分析等多种测量及保护功能。（参见上能专利一种在线检测光伏电池板组件运行状态的方法、一种光伏电池板在线检测系统）智能组串数据扫描分析功能Ø 统一的智能监控系统，维护更加方便。集散式逆变系统将MPPT汇流箱的所有数据统一接入到逆变器系统中；MPPT汇流箱接受逆变器的控制；直流配电柜的所有数据统一接入到逆变器系统中；直流配电柜接受逆变器的控制；可选的无线/有线组网方案。分级处理的智能组网方案Ø 模块化并联单元设计，每MPPT优化器模块额定输出功率为22kW, 每路方阵MPPT优化器最大输出直流功率达88kW，方便安装和维护； Ø 无外置散热风扇自然冷散热设计，配合IP65高防护等级设计，具备防水、防尘、防腐蚀等性能，系统环境适应能力极强，户外壁挂（抱杆）式安装；Ø 拥有多项专利技术，全面提升光伏电站技术性能； 3） 集散式逆变系统优势说明（1）集散式1MW逆变器输入MPPT路数将高达48路，有效地解决了因为组件并联失配带来的发电损失。上图为传统的集中式MPPT优化方案。通常的技术方案中，每500KW逆变器仅对应13路MPPT优化单元，因此将如灰尘遮挡、阴影遮挡、组件劣化等不同特性的组件直接并联在一起，将无法保证每个组件的最大出力，也就是说将存在非常明显的组件匹配损失。这种现象在非平原地区，当无法保证倾角一致时，发电量的损失将会更加明显。采用集散式MPPT优化方案，每22kW对应一路MPPT优化单元，1MW具备48路独立的MPPT优化单元，因此最大限度地减少了因灰尘遮挡、阴影遮挡、组件劣化等不同特性而导致的组件失配带来的发电量损失，预计对发电量的贡献将有至少25以上的提升。新型集散式MPPT优化方案（1） 输入电压范围更宽，可最大限度的利用光能，工作电压范围将从传统逆变器的450VDC820VDC，拓宽到280VDC820VDC光伏电池板通过分支方阵MPPT优化器后，电压被调节成稳定的高压，从而使得其工作电压范围被显著提升，高于280VDC的电压都将可以被有效利用,从而有效的利用了早晚以及弱光下的能量。集散式电能利用区间明显拓宽，总体发电量提升25以上（3）集散式1MW逆变器面向工业级高可靠性设计，最大转换效率>99%由于该逆变器方案中输入/输出电压都进行了相应的提升，因此减少了逆变器内部的“铜损”，同时配合采用最新一代的半导体功率器件及控制技术，实测新型的1MW光伏逆变器最大转换效率达到99.08%，从而进一步减少发电系统的损耗，提升发电收益。1、 输入/输出电压等级相应提升近40%,内部导通损耗，即“铜损”相应降低；2、 采用德国英飞凌最新一代低损耗IGBT半导体器件(EconoDUAL 3)，配合自主研发的经最优调校过的光伏专用驱动系统，实现IGBT损耗的最小化。同比业界其它逆变器品牌所采用的IGBT而言,IGBT半导体器件的损耗可降低约7%以上3、 采用高效、低损耗的分布式多段气隙技术及有取向矽钢片磁性元件设计技术，实现磁性元件损耗的最小化；4、 优化SVPWM 控制发波技术，进一步降低IGBT功率器件开关损耗；5、 集多个先进的节能控制理念于一身：（4）可配置的双模组工作模式: 轻载情况下一组功率单元关闭, 减小”固有”损耗所占比例, 可有效提升轻载情况下系统效率.经实际测量,启用双模组工作模式,欧洲效率可提高约0.2%.（5）专利交流风扇智能调速功能: 通过分布在机器内部的25个独立温度检测探头,监控逆变器每个关键部件的温度状况,进而通过交流风扇调速电路,控制风扇的转速,实现发热量与通风量的最优匹配,实现最大限度的节能;（6）无电站环境风扇整体散热设计:通过整体的逆变器散热风道设计，配合逆变器内部配置的德国EBM高风压大功率交流散热风机，上能MW光伏逆变系统无需配置逆变器室内的环境散热风机，从而进一步降低系统成本，及系统运行自耗电;（7）无损直流母线放电技术:实现直流母线电容安全放电电路的可控制,进一步降低系统能耗。4）集散式1MW逆变方案可进一步降低系统成本。采用双绕组升压变压器替代双分裂变压器，降低系统成本约2分钱/瓦：集散式1MW逆变方案，输出可以直接接入通用的1MW双绕组升压变压器，1MW双绕组升压变压器不仅技术更加成熟，而且成本也会较1MW双绕组升压变压器降低10左右，约2分钱/瓦。双分裂变压器系统方案与双绕组变压器系统方案集散式1MW逆变方案可以大幅节省输入/输出电缆成本：集散式逆变方案将输入直流电压由传统的500VDC左右的直流电压提升到稳定的800VDC的高压，同等功率下电流下降37以上，因此对于同样电缆损耗的电站设计而言，则输入直流电缆的成本可以节省约37。同样对于交流输出而言，集散式逆变方案的交流输出电压也由传统的315VAC电压，提升到500VAC, 同等功率下电流下降33以上，因此对于同样电缆损耗的电站设计，则输出交流电缆的成本可以节省约33。综上所述，采用集散式逆变方案，电站电缆成本将有大幅降低，考虑同等线缆损耗的设计，电缆成本可以降低约5分钱。更小体积，节约占地面积，降低建设成本：Ø 集成直流输入配电柜功能； Ø 可选集成智能通讯管理机功能Ø 1MW逆变器系统体积为2400×800×2060mm，较行业平均水平总体积降低近50，将进一步节省电站的建设成本； Ø 采用预装式电站方式，箱体体积大大降低，降低运输、安装成本； Ø 由于逆变器系统体积减少，电站建设成本将有14分钱左右的节省。集散式1MW逆变方案，电站建设成本将下降35分/瓦：其中采用智能MPPT汇流箱，成本略有增加，但在升压变压器、交直流电缆、土建房、直流配电柜上成本都会降低。从而系统成本相应降低。1.2 产品设计原理1、智能MPPT汇流箱EJB-16-M4型智能汇流箱具备4路MPPT寻优功能；内部采用软开关Boost电路提升PV输出电压， 此设计方案相对于传统的汇流箱+逆变器，基本设计思想为：p 采用Boost电路作MPPT寻优，1MW系统多达48路MPPT，更高的电池板利用率 p Boost电路采用软开关技术，变换效率高p 汇流箱到逆变器直流电压提升到750820V，减小线缆损耗，减少线缆成本p 电池板电压工作范围从传统方案的450V820V拓宽到250V850V，从而更为有效的利用各种气象条件下的电量收集 p 每个组串搭载专利的智能电子开关，并具备直流侧主动断开保护，发生异常时可靠分断p 输出断路器搭载专利的主动断路保护技术，检测到异常后由控制系统发出指令实现输出断路器快速断开p 每个输入支路具备支路智能防反功能，检测到支路反向电流倒灌时，一方面通过智能电子开关可靠分断对应电池组串支路，同时通过每个功率单元配置的防反二极管，可以有效避免模块故障后其它模块的电流倒灌带来的故障扩大化。p 每个输入支路具备都支路防雷模块，避免雷电过电压冲击而设备损坏。p 自然冷散热技术，电抗器采用铸铝型材包裹立体散热方式，无裸露电缆，可靠性更高p 在具备传统汇流箱监控功能基础上，基于强大的28335浮点运算处理器，实现附加功能：组串性能，寿命分析，异常工况的检测，保护等如下图所示， EJB-16-M4型智能汇流箱包含16路PV支路输入，经升压汇流后输出750V-820V直流电到逆变器。 2、1MW集散式逆变器CP-1000型大功率并网型逆变器采用最新一代半导体功率变换器件，功能强大全数字控制平台，使得该款太阳能逆变器无论在产品性能上，还是产品功能上都达到业界领先的水平。该系列产品主要特点如下：l具备完全自主知识产权，适合中国市场应用；l采用工业化设计理念，适应恶劣运行环境要求；l基于双DSP数字化平台，具备冗余控制功能；l先进的控制算法，系统工作具备宽适应性与高稳定性；l高电能质量与高系统效率，对电网绿色无“污染”；l具备完善的通讯接口并支持丰富的通讯协议，可与上级监控系统无缝连接；l采用全正面维护设计，系统可维护性极佳，降低系统空间的要求；l直流母线电容采用长寿命金属膜电容；l具备智能风扇调速功能，节约逆变器耗能，提高风扇工作寿命；l具备智能电容容量检测功能预测电容寿命，风扇等易损件的故障监测功能等自动诊断功能，实现故障的快速定位；l具有三路冗余辅助供电电源，且辅助电源供电具备切换功能，提高逆变器系统可用性。CP-1000型逆变器主电路示意图：主电路示意图6）集散式逆变器及智能MPPT汇流箱外观图片集散式逆变器外观图智能MPPT汇流箱外观图