太陽(yáng)能光伏的無(wú)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(wú)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(guò)將多個(gè)逆變器直接整合到電網(wǎng)中或僅配備一個(gè)中壓變壓器來(lái)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(lái)的諸多好處。

　　新一代無(wú)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(duì)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(yáng)能光伏電源的價(jià)格正在變得越來(lái)越有競(jìng)爭(zhēng)力，但對(duì)整個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)，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(wú)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(wú)變壓器逆變器技術(shù)是如何通過(guò)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)、效率和系統(tǒng)平衡(BoS)成本來(lái)幫助改變競(jìng)爭(zhēng)格局的。

　　過(guò)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(wú)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(lái)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(gè)逆變器，并且每個(gè)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(wú)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(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)平衡成本。對(duì)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(gè)無(wú)變壓器逆變器整合成一個(gè)大小適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)中壓變壓器。變壓器可以放在電場(chǎng)的任何位置，以靠近逆變器是最合適的。

　　無(wú)變壓器逆變器技術(shù)和兩極數(shù)組配置

　　采用了無(wú)變壓器逆變器技術(shù)的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在發(fā)電時(shí)，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(wú)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(gè)隔離變壓器。他們僅僅是將逆變器整合到一個(gè)逆變器箱中或?qū)λ鼈冞M(jìn)行單獨(dú)銷售。真正的無(wú)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(shuō)明這些優(yōu)勢(shì)，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(guó)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(gè)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(gè)并網(wǎng)光伏逆變器。采用傳統(tǒng)的逆變器時(shí)，每一個(gè)都必須與一個(gè)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(huì)限制光伏逆變器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用2個(gè)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(gè)逆變器所需要的較低的輸出電壓和多繞組也會(huì)限制相互分離的距離。

　　整合逆變器時(shí)的穩(wěn)定性問(wèn)題也是需要關(guān)注的。傳統(tǒng)逆變器設(shè)計(jì)通常采用無(wú)阻尼大三角形過(guò)濾器，當(dāng)很多設(shè)備并行放置或逆變器設(shè)置在長(zhǎng)傳輸在線的時(shí)候，這些過(guò)濾器可能會(huì)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(gè)箱子里，每一個(gè)500千瓦

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

　　相比之下，真正的無(wú)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(gè)尺寸足夠大的配電安裝板上。由于沒(méi)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(shí)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(méi)有一個(gè)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(gè)傳統(tǒng)的逆變器從成本上來(lái)說(shuō)可能會(huì)讓人望而卻步，但是設(shè)計(jì)人員卻可以讓無(wú)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(zhǎng)度并降低相關(guān)成本。

　　最后一點(diǎn)，多個(gè)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(wú)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(guò)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(gè)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(gè)單獨(dú)的隔離變壓器與各個(gè)逆變器進(jìn)行配對(duì)，而這就占到不必要損耗中的多達(dá)兩個(gè)效率點(diǎn)。

　　在一個(gè)1兆瓦的模塊中，可將1至4個(gè)傳統(tǒng)逆變器安置在一個(gè)單獨(dú)的墊板上，并且每個(gè)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(jí)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(chǎng)有一個(gè)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(huì)迅速增加。

　　傳統(tǒng)逆變器還通過(guò)公用線路自干擾(如各種 VAR 發(fā)電)來(lái)檢測(cè)孤島情況。當(dāng)與許多逆變器并聯(lián)時(shí)，這種干擾就會(huì)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(chǎng)關(guān)閉。多個(gè)傳統(tǒng)逆變器及它們的大型三角電容器也會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性并吸收大量諧波電流。

　　這些問(wèn)題都可以通過(guò)無(wú)變壓器逆變器技術(shù)來(lái)避免。無(wú)變壓器逆變器可以被并聯(lián)到一個(gè)中壓變壓器的單獨(dú)繞組上。每組逆變器僅需要一個(gè)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(wú)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(gè)連接到無(wú)變壓器逆變器的標(biāo)準(zhǔn)配電板可以在無(wú)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(gè)逆變器均通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)和獨(dú)立尋址，從而消除了一切干擾問(wèn)題。

　　此外，完全被動(dòng)的反孤島技術(shù)(anti-islanding technique)不會(huì)干擾帶 VAR偏差的公用電壓，也不會(huì)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(duì)削減安裝成本。

　　圖2.公用電場(chǎng)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(gè)逆變器配備一個(gè)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(guò)將多個(gè)無(wú)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(dòng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電和替代性能源成為主流。同時(shí)，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(duì)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(wú)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(yǔ)

　　通過(guò)利用無(wú)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(wú)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(wú)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(shì)。新趨勢(shì)強(qiáng)調(diào)平準(zhǔn)化發(fā)電成本 (LCOE)，本文討論的新一代無(wú)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(gè)值得在未來(lái)探討的議題。