淺析組串式和集中式逆變器安全可靠性

1、淺析組串式和集中式逆變器安全可靠性2014年的慕尼黑的intersolar論壇上，資深的光伏從業(yè)人士Manfred Bachler（曾是全球最大的EPC廠商Phoenix solar的首席技術(shù)官）提出了用組串式逆變器改造現(xiàn)存的集中式逆變器的方案，給出的結(jié)論是56年可以收回改造的成本，主要的原因是因?yàn)榧惺侥孀兤骶S護(hù)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(yè)內(nèi)對(duì)于組串式與集中式逆變器的故障率、可靠性眾說(shuō)紛紜。本文將從以下幾個(gè)角度詳細(xì)分析，拋磚引玉。1、系統(tǒng)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(guò)升壓變接入電網(wǎng)，輸變電鏈路設(shè)備少，直流線纜短，輸電主要

2、以交流線纜為主；集中式方案主要設(shè)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(shè)備多，輸電線路直流線纜較多。筆者將從以下幾個(gè)方面分析系統(tǒng)方案可靠性原理差異。1.1直流和交流線路對(duì)系統(tǒng)安全性能的影響直流電特點(diǎn)是易產(chǎn)生拉弧故障且不易熄滅，存在無(wú)法撲滅的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橹灰泄庹眨蜁?huì)有電流產(chǎn)生，危害性大；交流電由于存在過(guò)零點(diǎn)，即使發(fā)生電弧故障，電弧也會(huì)在過(guò)零點(diǎn)處熄滅，危害性小。1.2系統(tǒng)故障響應(yīng)時(shí)間交流側(cè)出現(xiàn)短路故障時(shí)，由于能量來(lái)自于電網(wǎng)，能量足夠大，電氣保護(hù)設(shè)備可及時(shí)跳脫，切斷短路路徑，保護(hù)用電設(shè)備；直流側(cè)短路時(shí)，由于故障電流小，且斷路器常有降額設(shè)計(jì)，斷路器不能快速保護(hù)，切斷短路路徑，其間可

3、能出現(xiàn)絕緣老化、軟化，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。1.3關(guān)鍵設(shè)備成熟度由于交流電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了100多年，發(fā)電技術(shù)穩(wěn)定、成熟，應(yīng)用范圍廣，與之相關(guān)的電器件也已發(fā)展成熟；而直流電是隨著光伏行業(yè)才逐步發(fā)展起來(lái)的，技術(shù)積累少，有很多亟待解決的技術(shù)難題；且直流電壓范圍廣，能量差異較大，相關(guān)應(yīng)用器件發(fā)展還不成熟，如，用于高壓直流保護(hù)的器件，只有極少數(shù)廠家才能提供。1.4系統(tǒng)關(guān)鍵器件選型當(dāng)前，逆變器器件選型時(shí)，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(cè)的現(xiàn)象非常普遍，這樣會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)極大的安全隱患；首先，由于交流電和直流電電壓等級(jí)不同，交流斷路器用于直流場(chǎng)景，則工作電壓超出器件額定電壓，長(zhǎng)期使用會(huì)造成斷路器

4、功能失效，安全隱患大；其次，由于直流電壓等級(jí)高，工作電流大，斷路器切斷過(guò)程易產(chǎn)生電弧，直流和交流特點(diǎn)不同，斷路器滅弧裝置設(shè)計(jì)也勢(shì)必不同，當(dāng)交流斷路器應(yīng)用在直流場(chǎng)景時(shí)，直流電弧不能有效熄滅，如果電弧持續(xù)太久（幾十毫秒），則會(huì)產(chǎn)生爆炸事故。從以上系統(tǒng)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(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jīng)過(guò)一百多年驗(yàn)證，全球范圍至今10G以上組串式電站，也未聽(tīng)說(shuō)發(fā)生過(guò)嚴(yán)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(jí)不同，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、散熱方式、以及防護(hù)等級(jí)等

5、都會(huì)有所不同，從而整機(jī)失效率也會(huì)有差異。2.1組串式逆變器失效率業(yè)界一些知名的組串式逆變器廠家按照25年系統(tǒng)可靠運(yùn)行設(shè)計(jì)，采用自然散熱方式，無(wú)外置風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部的環(huán)境隔離，防護(hù)等級(jí)達(dá)IP65，可以使內(nèi)部器件保持在無(wú)塵和穩(wěn)定的環(huán)境中運(yùn)行，大大降低了溫度、風(fēng)沙、濕氣、鹽霧等外部環(huán)境對(duì)器件壽命的影響，可靠性大大增強(qiáng)。同時(shí)系統(tǒng)無(wú)易損部件，無(wú)熔絲等需定期更換的器件，整機(jī)故障率小于1%，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)免維護(hù)。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(guī)的土建房或集裝箱式機(jī)房，防護(hù)等級(jí)IP54，但因機(jī)房普遍采用直通風(fēng)式散熱方案，實(shí)際只能達(dá)到IP44或者更低，無(wú)法阻擋風(fēng)沙、灰塵和腐蝕性氣體進(jìn)入逆變器，因

6、此集中式逆變器內(nèi)部電路器件容易暴露在惡劣的工作環(huán)境下，如灰塵在逆變器內(nèi)電路板、端子排等的累積會(huì)造成爬電距離減小，最終造成放電、起火等安全風(fēng)險(xiǎn)；濕塵在PCB或元器件間易形成漏電效應(yīng)和腐蝕效應(yīng)，造成信號(hào)的異?；蚋邏豪〈蚧穑€有可能造成電網(wǎng)對(duì)PE的短路，引起逆變器異常關(guān)機(jī)或炸毀；同時(shí)逆變器風(fēng)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(shè)，其實(shí)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(fā)生腐蝕和漏電的概率比常規(guī)的電氣設(shè)備大很多；據(jù)統(tǒng)計(jì)，集中式逆變器失效率大于3%。通過(guò)以上幾方面對(duì)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

7、變器，可靠性更高，系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。3、逆變器散熱原理差異由于功率等級(jí)不同，組串式逆變器和集中式逆變器發(fā)熱程度也會(huì)有很大差異，逆變器散熱方式，決定著產(chǎn)品整機(jī)可靠性。3.1熱產(chǎn)生機(jī)理差異組串式逆變器單個(gè)功耗數(shù)百瓦，可以實(shí)現(xiàn)自然散熱設(shè)計(jì)，且可滿足60環(huán)境溫度下可靠運(yùn)行；集中式逆變器，尤其是10尺集裝箱方案，1MW的損耗高達(dá)30千瓦，相當(dāng)于有30個(gè)1千瓦的電爐絲在10尺集裝箱內(nèi)部烘烤，單靠幾個(gè)風(fēng)扇是很難實(shí)現(xiàn)可靠散熱的，極大地增加了燒機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。3.2應(yīng)用環(huán)境對(duì)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(huán)境開(kāi)曠、通風(fēng)好，逆變器散熱良好；集中式逆變器安裝在機(jī)房中，由于西北地區(qū)風(fēng)沙嚴(yán)重，集中式逆變

8、器機(jī)房中積灰導(dǎo)致防塵網(wǎng)堵塞、整機(jī)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(yán)重會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部IGBT器件損壞，設(shè)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(cè)試結(jié)果，從表格可知，由于集中式逆變器安裝于機(jī)房?jī)?nèi)，溫升比組串式高，在炎熱夏天，機(jī)房?jī)?nèi)溫度超過(guò)50度是經(jīng)常的事情，集中式逆變器柜體內(nèi)溫度更高更惡劣，而高溫帶來(lái)的是器件壽命降低、整機(jī)降額運(yùn)行，甚至炸機(jī)隱患。今年上半年以來(lái)，幾乎每個(gè)月都有因?yàn)樯釂?wèn)題，集中式逆變器出現(xiàn)炸機(jī)等嚴(yán)重事故。4、逆變器可用度和可維護(hù)性逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，期可用度和可維護(hù)性對(duì)光伏系統(tǒng)可靠性、發(fā)電量、發(fā)電收益產(chǎn)生決定性作用。以下從兩方面對(duì)比分

9、析集中式逆變器和組串式逆變器對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。4.1可用度歐洲應(yīng)用的頂級(jí)組串式逆變器，其MTBF可以做到35萬(wàn)小時(shí)，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(guī)的MTBF一般只能做到5萬(wàn)到10萬(wàn)小時(shí)。4.2可維護(hù)性故障發(fā)生時(shí)，集中式一般需要廠家的專業(yè)人員到場(chǎng)定位及維修，處理時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)電量損失大；而組串式逆變器，可直接由現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員進(jìn)行更換處理，簡(jiǎn)單快捷，先保證發(fā)電，然后再對(duì)故障機(jī)器進(jìn)行分析、維修。表4-1說(shuō)明了集中式逆變器和組串式逆變器故障維護(hù)差異及對(duì)系統(tǒng)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(lái)維護(hù)將會(huì)被迫中斷；而

10、組串式逆變器 5年維保期內(nèi)，免費(fèi)替換，質(zhì)保期外的故障機(jī)器，可以借助現(xiàn)代物流平臺(tái)，返廠維修，僅需收取少量維修費(fèi)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(tái)其他品牌的組串式逆變器，更換成本較低，對(duì)系統(tǒng)整體發(fā)電量的影響甚微。因此組串式逆變器維護(hù)成本遠(yuǎn)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(fù)時(shí)對(duì)發(fā)電量的影響。5、結(jié)論綜上所述，組串式逆變器相比集中式，無(wú)論是在故障率、系統(tǒng)安全性還是運(yùn)維成本方面都更占優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)可靠性更好，能保證電站長(zhǎng)期安全、可靠運(yùn)營(yíng)。在過(guò)去十多年逆變器的發(fā)展過(guò)程中，歐洲的技術(shù)領(lǐng)先全球市場(chǎng)2-3年，是技術(shù)和市場(chǎng)的風(fēng)向標(biāo)，中國(guó)、美國(guó)和日本等市場(chǎng)，基本上是跟隨歐洲的路線，同時(shí)吸收歐洲的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)?，F(xiàn)在以SMA為代表的技術(shù)廠家在美國(guó)和歐洲正在力推組串式方案。國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的光伏電站也正在采用組串式方案?？梢?jiàn)，組串式正在成為光伏電站建設(shè)的主流方案。圖5-1為2014年IHS調(diào)研組串式逆變器使用情況調(diào)查結(jié)果。IHS資深光伏市場(chǎng)分析師吉利根（Cor