一、組串式逆變器的定義

　　早期的光伏電池板價格很高，光伏電站的功率都不大，幾塊電池板組成一個組串，功率為幾百瓦到上千瓦，接入小功率單相逆變器，這種逆變器稱為組串式逆變器。

　　經過多年的發展，現在的組串型逆變器指的是能夠直接跟組串連接，用于室外掛式安裝的單相或者三相輸出逆變器，功率為幾千瓦到幾十千瓦。它形成了一些固定的特性：防護等級高，多為IP65，能夠直接在室外安裝；直流輸入為光伏專用的MC4防水端子，能夠直接與電池板相連，不需要經過直流匯流箱；輸出電壓范圍寬，輸出交流相電壓多為180~280V之間，能夠直接接入本地單相或者三相電網；MPPT路數通常為2個或者3個，MPPT控制更精細，效率高，設計靈活，能夠適應各種不同應用場景如地面電站，山地，樓面等環境的需求。

　　二、并網光伏逆變器的發展歷程

　　并網光伏逆變器的發展是和光伏電池板及光伏電站的發展緊密相連的，逆變器的功率完全是由光伏電站設計的需求決定的。德國的SMA是逆變器的代表公司，從它的產品發展歷史可以反映出光伏逆變器發展歷程：

　　1991年，推出第一臺光伏逆變器產品，室內安裝，有LCD顯示，能與計算機通信；

　　1995年，推出組串式逆變器Sunny Boy產品，室外安裝；

　　2002年，推出集中式逆變器Sunny Central產品，功率100kW；

　　2006年，推出組串式逆變器Sunny Mini Central系列產品，效率達到98%，廣泛用于歐洲的地面電站；

　　2009年，推出大功率集中式逆變器Sunny Central系列產品，功率達到500kW；

　　2010年，推出三相組串式逆變器Tripower系列產品，最大功率17Kw，

　　從SMA的產品發展歷史我們可以看到光伏逆變器發展的幾個階段：

　　1）組串式逆變器是最早出現的逆變器，幾乎是伴隨著光伏電站發展的歷史發展起來的。SMA的組串式產品從1995年開始面世，當時的光伏電站容量很小，多為1~2kW左右；

　　2）隨著光伏電池板的發展，光伏電站容量越來越大，2002年SMA推出了集中式逆變器，但功率并不大，僅為100kW左右；

　　3）2006年，電站容量進一步變大，SMA推出的SMC（Sunny Mini Central）系列產品由于效率高，室外防護，安裝方便，在屋頂電站及地面電站中都占據了相當大的市場份額。2008年隨著德國的并網法規越來越完善，歐洲各國的補貼政策陸續出臺，光伏電站在歐洲蓬勃發展，此時由于大功率的集中式逆變器不多，SMC系列產品用三臺單相機外加控制器組成的三相系統成為地面電站配置的主流，組串式逆變器開始廣泛應用于大型的地面電站；

　　4）由于組串式逆變器價格較高，SMA 2009年推出大功率的集中式逆變器產品，滿足大型的地面電站的要求。但同樣是2009年，Danfoss推出了10~15kW三相組串式系列產品，由于MPPT數量多，防護等級高，設計更加靈活，安裝維護方便，受到市場追捧，廣泛用于大型地面電站中。2010年SMA推出的三相組串式產品STP系列迅速成為其主力發貨產品，在歐洲廣受歡迎。此后在歐洲的大型地面電站中，集中式逆變器由于成本上占有優勢而應用較多，但組串式逆變器也占有一定的市場份額；

　　5）自2013年以來，組串式逆變器由于競爭激烈，價格下降很快，采用用組串式逆變器方案的地面電站系統成本正在逐步接近采用集中式逆變器方案的電站。國際咨詢公司IHS在2014年4月發布了一個重要的調查結果：通過對300家太陽能安裝商、經銷商及設計、采購和施工（EPC）公司調查的結果表明，在規模超過1MW的大型光伏發電站中，組串式逆變器

　　從逆變器發展的歷史中可以看到，組串式逆變器在歐洲用于大型地面電站的歷史比集中式逆變器更久，技術也非常成熟。國內的華為，陽光等逆變器廠商的組串式產品也已廣泛用于國內外的地面電站中。在2014年的慕尼黑的intersolar論壇上，資深的光伏從業人士Manfred Bachler（曾是全球最大的EPC廠商Phoenix solar的首席技術官）就提出了用組串式逆變器改造現存的集中式逆變器的方案，給出的結論是5~6年可以收回改造的成本，主要的原因是因為集中式逆變器維護麻煩，可用性差，僅僅在可用度方面就比組串式逆變器差6%。

　　三、關于組串式逆變器的認識誤區

　　在我國，光伏電站從2010年開始批量建設，此時國內組串式逆變器供應商少且技術不成熟，而國外的產品價格很高，在大型地面電站中使用組串式逆變器方案系統成本遠高于使用集中式逆變器的方案，這就使得集中式逆變器成為地面電站的首選，從而造成了集中式逆變器在我國的地面電站中占據了絕對的統治地位。廣大的光伏從業者由于對組串式逆變器不熟悉，還存在著認識上的誤區，主要有以下幾點：

　　1）誤區一，地面電站中組串式逆變器機器數量多，維護比集中式更復雜更難

　　這種觀點其實是對集中式和組串式維護方式不了解導致。組串式逆變器的維護一般是由電站運維人員直接整機更換，對技能要求低；而集中式的維護則是必須由廠家技術人員到現場，對技能要求非常高。組串式的這種維護方式優勢非常明顯，特別是在偏遠的地區或者海外。一個明顯的事實可以證明：負責任的逆變器的廠商，很少敢把集中式逆變器賣到國外，但幾乎所有廠商，都敢把組串式逆變器賣到國外。原因很清楚，國外的維護成本太高，維護人員出去費用昂貴。備件也是一個問題，放在當地不好保管，隨身攜帶也不可行，到了現場發現備件不合適還得從國內重新發，不僅耽誤時間，還可能引發電站業主的索賠，這都將成為逆變器廠商的噩夢。如果客戶要跟逆變器廠商簽20年的維保合同，那對逆變器廠商而言恐怕不是什么好事：長達20年維保周期里集中式逆變器出問題的概率是100%，出了問題維護幾次就把賣設備掙的錢給賠進去了。這也解釋了為什么各國集中式逆變器的供應商幾乎全是本土廠商的原因，一方面是本土廠商更熟悉本國的市場，另一方面就是國外廠商服務難以保證。

　　從故障對電站的影響看，組串式逆變器也占有明顯優勢：假設組串式逆變器和集中式逆變器的年故障率都是1%，1MW電站有2臺集中式逆變器，40臺組串式逆變器，按照組串式逆變器平均修復時間為2小時，集中式為12小時計算（考慮到各廠家響應時間不一樣，集中式的實際修復時間可能還要長很多），組串式逆變器故障造成的發電量損失只有集中式的1/6，如下表所示，這其中的根本原因還是維護方式的差異。

　　2）誤區二，組串式逆變器機器數量多，電站諧波將會變大

　　諧波是指電中中所含有的頻率為基波的整數倍的電壓或者電流分量，一般是指對周期性的非正弦電流進行傅立葉分解，扣除基波以外其他頻率點的電流分量。諧波電流會在電網短路阻抗上產生諧波電壓降，影響電壓輸出波形（用戶端電壓=電網穩定電壓-諧波電壓降）。

　　電網諧波的主要來源于三個方面：一是發電源質量不高產生諧波；二是輸配電系統產生諧波；三是用電設備產生的諧波，其中用電設備產生的諧波最多。在用電設備中，由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

　　逆變器屬于發電設備，它本身對輸出電壓是不控的，依托于電網電壓，只是把電流灌入電網，這種工作方式對電網電壓諧波的影響較小（但如果逆變器引發了電網的諧振除外），所以在衡量光伏電站并網點電能質量時，在電網電壓諧波能夠達到5%要求的情況下，重點關注的是逆變器輸出的電流諧波。逆變器的電流諧波主要和以下幾個因素有關：

　　（1）輸出電壓波形質量：逆變器的控制算法中輸出電壓為正弦波，當經過逆變器調制輸出PWM波有畸變時，將影響逆變器的輸出諧波與控制效果。 提高開關頻率與輸出PWM電平數有助于降低PWM波形的畸變率，高開關頻率三電平的組串式逆變器比低開關頻率兩電平的集中式逆變器更有優勢。

　　（2）軟件控制帶寬：逆變器的開關頻率越高，控制帶寬越寬，對于寬范圍的電流諧波抑制更充分，為保證穩定性，逆變器的控制帶寬通常取開關頻率的1/10左右；組串式逆變器的開關頻率（16kHz左右）遠高于集中式逆變器（兩電平逆變器為3kHz，三電平可以做到8k左右），控制帶寬更寬，對于低次諧波的控制能力更強。控制頻率高，可以在控制環路中對電網諧波進行檢測，加入對低頻諧波的抑制程序，使得逆變器的輸出電流諧波比電網的電壓諧波做的更好。

　　（3）并網濾波器性能：控制帶寬以外輸出電流高頻成分，需要依賴濾波器來濾除，組串式逆變器一般采用LCL型濾波器，具有高頻諧波衰減能力強、受并網阻抗影響小的優點。

　　（4）并機諧波抵消能力：1個方陣多臺組串式逆變器距離升壓變壓器距離不一樣，線路阻抗會有差異。線路阻抗會等效改變并網LCL濾波器中L2的電感，不同的濾波器參數會改變諧波的相位。當多臺組串式逆變器并聯工作時，諧波成分將會由于相位的差異而部分相互低消，降低系統整體的諧波值。

　　從以上四點可以看出，組串式逆變器的輸出電流諧波原理上并不會比集中式的差，由于其工作頻率更高，完全可以在算法中加入諧波抑制的算法，保證輸出電流諧波不受電網諧波的干擾，這是比集中式更有優勢的地方。

　　3）誤區三，組串式逆變器的并聯的數量多，更容易引起諧振，導致系統不穩定

　　逆變器多機并聯系統由光伏電池陣列、多臺逆變器、輸配電設備與電網組成。逆變器和輸配電設備都具有很強的非線性，功率輸入端的光伏電池陣列與輸出電網也可能出現大幅度的擾動，整個系統非常復雜。設計不合理有可能出現多臺逆變器之間，逆變器與電網之間的振蕩，導致逆變器保護脫網，甚至造成人身與財產損失。諧振的產生原因是多方面的，跟設備的數量多少并沒有直接的關系。舉個例子，從配電網的情況看，配電網中居民用戶有大量的用電設備，功率大小不等，但諧振的情況并不明顯，反而是工廠里面的數量少的大功率設備，更加容易引起諧振。

　　并網逆變器中常見的并聯諧振分為兩種情況：

　　第一種情況是逆變器多機并聯工作時，其輸出并網端有公共阻抗引發了并聯逆變器之間的多機諧振。在并聯系統中，當其中一臺逆變器的輸出電流含有諧波時，該諧波分量將在回路上產生諧波壓降，并影響并聯的其他逆變器的并網端電壓，當該電壓諧波與逆變器的控制頻率接近時，就有可能導致多機并聯諧振。這種諧振多見于工作頻率較低的逆變器并聯系統，集中式逆變器工作頻率為3~8kHz，而組串式逆變器工作頻率高于16kHz，因此，并聯的集中式逆變器更容易出現這種諧振。

　　第二種情況是，逆變器端口有濾波電容，該電容與變壓器的漏感組成LC網絡，逆變器的輸出電流中含有的高次諧波正好與該LC網絡諧振頻率相同時，就會產生諧振。此時如果電網中正好也含有相同頻率的高次諧波，震蕩就會加劇，從而導致了電網電壓的震蕩。這種諧振在電網較干凈的大型地面電站的場合較難碰到，而分布式的低壓并網場合由于本地負載情況復雜，電網中含有高次諧波含量較大時就可能出現。

　　這兩種諧振從本質上看都是逆變器自身輸出含有高次諧波導致。抑制諧振的根本方法是改善逆變器的控制和LC濾波器的設計，保證逆變器輸出側不含高頻諧波。對于采用組串式逆變器的大型電站來說，設計上一般1～2MW組成一個并網單元，通過隔離變壓器并網。隔離變壓器將在MW單元之間起到良好的解耦作用，確保MW單元之間不會相會影響。在MW單元內部，多機并聯時，由于組串式逆變器開關頻率較高，一般達到16KHz以上，控制帶寬也相應較寬，一般達到2kHz左右，而電網中的諧波分量一般不超過2kHz，在組串式逆變器的控制帶寬之內，組串式逆變器可以在控制環路中加入這些諧波的抑制算法，使得逆變器對這些頻率的諧波不響應，就能有效防止諧振的發生，從而保證系統的穩定。

　　4）誤區四，組串式逆變器的低壓穿越性能比集中式差

　　所謂低穿/零穿是逆變器檢測到電網電壓跌落后，短時間內保持不脫網，并對電網輸出無功支持電網盡快恢復。零穿的時候電網電壓并不是完全跌到零，標準上認為電網電壓跌倒5%以下就是零穿，因為零穿時逆變器還需要檢測到電網的相位，才能發出無功對電網進行支撐。逆變器對低穿產生響應的關鍵點在于逆變器能夠及時檢測到電網電壓的跌落，然后再根據內部的算法做出相應的反應。在一個并網單元內，交流線纜的阻抗不大，逆變器都能夠及時檢測到電網跌落并作出反應。因此，低穿完全是逆變器自主的行為，不需要逆變器之間有任何的聯動，電站的低穿特性跟逆變器的數量沒有必然的聯系。德國中壓并網標準BDEW在業界第一次提出了低壓穿越的要求，該標準對逆變器低穿的評估主要是進行單機的測試，然后根據單機測試結果進行建模仿真。多機并聯的低穿特性通過軟件仿真得到，在并聯仿真的過程中多臺逆變器之間也不會出現相互干擾導致低穿性能變差。

　　5）誤區五，多臺組串式逆變器相互干擾會導致孤島無法保護

　　孤島是指當電網因當電網因故障、事故、自然因素或停電維修等原因而跳脫中斷供電時，光伏并網逆變器未能即時檢測出停電狀態而將自身切離市電網絡，仍繼續向電網輸送一定比例的電能，由太陽能并網發電系統和周圍的負載形成的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島。從定義中可以看出，并網光伏逆變器形成孤島的條件有以下2個：逆變器系統與電網脫離；逆變器輸出功率與本地負載匹配，導致輸出電壓持續維持輸出，從而形成供電孤島運行。

　　逆變器的防孤島保護方案分為主動式防孤島保護方案和被動式防孤島保護方案。被動式方案通過檢測逆變器交流輸出端電壓或頻率的異常來檢測孤島效應，這種方案中，各臺逆變器對電網進行檢測，多臺逆變器之間是不會產生相互干擾的。主動式方案通過有意地引入擾動信號來監控系統中電壓、頻率以及阻抗的相應變化，以確定電網的存在與否。主動式防孤島效應保護方案主要有頻率偏移、電流脈沖注入引起的阻抗變動、電力線載波通訊等。在主動式孤島的方案中，如果一個并網單元中存在不同廠家的逆變器，是可能存在擾動信號方向不一致導致主動孤島方案受到影響的現象。

　　標準認證的過程中，反孤島的測試非常嚴格，測試機構專門構造了諧振頻率為50Hz的LC諧振網絡對孤島進行測試，確保逆變器的在這些極端的情況下都能夠進行孤島保護，逆變器為了滿足標準的要求，光靠被動式反孤島還不夠，必須增加主動式的反孤島方案。而在現實的并網中，諧振頻率正好50Hz的LC諧振網絡幾乎不可能碰到，逆變器通過電壓和頻率檢測等被動反孤島手段就可以達到保護的目的。荷蘭有研究機構發布報告表明，雖然歐洲有大量的電站都采用組串式逆變器，并且不同廠家的逆變器之間的主動孤島方案可能都不一致，但僅靠被動孤島方案就能夠實現保護，而被動孤島方案是不會相互干擾的，所以實際電站中沒有因為孤島而出現問題的案例。

　　四、總結

　　隨著我國光伏電站的裝機容量越來越大，發電量和可維護性將成為電站設計的考慮重要因素。組串式逆變器技術成熟，設計靈活，維護方便，適應性強，不僅能夠用于分布式的屋頂電站，而且在大型地面電站中也將得到廣泛的應用。可以預見，在未來的一段時間內，組串式逆變器我國的光伏電站中將占據越來越重要的地位。(山西電力勘測設計院  王艷國)