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浅析组串式和集中式逆变器安全可靠性
2015-05-15 15:13:36   来源:黄河勘测   作者:张龙采编  点击:

  摘要:光伏电站产品的长期可靠性直接影响投资人收益,在长达25年的投资回报期内,降低产品故障、提高发电收益,是永恒不变的主题。目前国内光伏电站质量长期可靠性隐患重重,逆变器作为光伏电站的核心发电单元,其安全可靠性更成为了大家关注的热点。文章从系统可靠性原理、逆变器失效率、可用度及可维护性几方面对比分析了集中式逆变器和组串式逆变器的安全可靠性。

 

  2014年的慕尼黑的intersolar论坛上,资深的光伏从业人士Manfred Bachler(曾是全球最大的EPC厂商Phoenix solar的首席技术官)提出了用组串式逆变器改造现存的集中式逆变器的方案,给出的结论是5~6年可以收回改造的成本,主要的原因是因为集中式逆变器维护麻烦,可用性差,仅仅在可用度方面就比组串式逆变器差6%。

 

  近日,行业内对于组串式与集中式逆变器的故障率、可靠性众说纷纭。本文将从以下几个角度详细分析,抛砖引玉。

 

  1、系统可靠性基本原理差异

 

  组串式方案组件和逆变器直接相连,逆变器输出通过升压变接入电网,输变电链路设备少,直流线缆短,输电主要以交流线缆为主;集中式方案主要设备有直流汇流箱、直流配电柜、逆变器以及升压变,输变电链路设备多,输电线路直流线缆较多。笔者将从以下几个方面分析系统方案可靠性原理差异。

 

  1.1直流和交流线路对系统安全性能的影响

 

  直流电特点是易产生拉弧故障且不易熄灭,存在无法扑灭的风险,因为只要有光照,就会有电流产生,危害性大;交流电由于存在过零点,即使发生电弧故障,电弧也会在过零点处熄灭,危害性小。

 

  1.2系统故障响应时间

 

  交流侧出现短路故障时,由于能量来自于电网,能量足够大,电气保护设备可及时跳脱,切断短路路径,保护用电设备;直流侧短路时,由于故障电流小,且断路器常有降额设计,断路器不能快速保护,切断短路路径,其间可能出现绝缘老化、软化,进而引发火灾。

  图1-1直流线缆间发生短路烧毁

  图1-2直流断路器拉弧起火

 

  1.3关键设备成熟度

 

  由于交流电技术已经发展了100多年,发电技术稳定、成熟,应用范围广,与之相关的电器件也已发展成熟;而直流电是随着光伏行业才逐步发展起来的,技术积累少,有很多亟待解决的技术难题;且直流电压范围广,能量差异较大,相关应用器件发展还不成熟,如,用于高压直流保护的器件,只有极少数厂家才能提供。

 

  1.4系统关键器件选型

 

  当前,逆变器器件选型时,部分厂家为追求低成本,交流断路器用在集中式逆变器直流侧的现象非常普遍,这样会对系统带来极大的安全隐患;首先,由于交流电和直流电电压等级不同,交流断路器用于直流场景,则工作电压超出器件额定电压,长期使用会造成断路器功能失效,安全隐患大;其次,由于直流电压等级高,工作电流大,断路器切断过程易产生电弧,直流和交流特点不同,断路器灭弧装置设计也势必不同,当交流断路器应用在直流场景时,直流电弧不能有效熄灭,如果电弧持续太久(几十毫秒),则会产生爆炸事故。

 

  从以上系统角度分析可知,组串式逆变器比集中式逆变器可靠性更好,组串式方案比集中式方案更安全,更可靠。据统计,集中式逆变器几乎每月都有起火烧毁的重大事故,而组串式直流线缆很短,交流部分安全性经过一百多年验证,全球范围至今10G以上组串式电站,也未听说发生过严重的起火事故。

 

  2、逆变器失效率差异

 

  集中式逆变器和组串式由于功率等级不同,其结构特点、散热方式、以及防护等级等都会有所不同,从而整机失效率也会有差异。

 

  2.1组串式逆变器失效率

 

  业界一些知名的组串式逆变器厂家按照25年系统可靠运行设计,采用自然散热方式,无外置风扇,实现内外部的环境隔离,防护等级达IP65,可以使内部器件保持在无尘和稳定的环境中运行,大大降低了温度、风沙、湿气、盐雾等外部环境对器件寿命的影响,可靠性大大增强。同时系统无易损部件,无熔丝等需定期更换的器件,整机故障率小于1%,实现了系统免维护。

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