智能电网中的FA32微型逆变器应用

1.概述

智能电网就是电网的智能化（智电电力），也被称为“电网2.0”。它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

随着光伏产业的迅猛发展，光伏并网发电在电网中所占份额也在日益提高，不论是集中式的太阳能电站，还是分布式的小型光伏并网发电系统，都成为了电网的重要组成部分。同时，随着智能电网的兴起与发展，对光伏发电系统也提出了更高的智能化要求。

在光伏发电系统中，逆变器是将直流电转化为交流电，传输至电网的核心部件，对于系统的智能化监控，基本上也是在逆变器环节完成的。传统逆变器（见图1）有集中式和组串式两种，两者的共同特点是同时接入多块组件，对多块组件同时做监控和操作，存在高压风险，和发电短板效应。

得益于近几年半导体、通信，甚至移动互联网等行业的迅速发展，光伏发电领域也诞生了一款更强大、更安全、更智能的新产品——微型逆变器（见图2）。相比于传统集中式或组串式逆变器，微型逆变器实现了对单块组件的交直流转换和最大功率点独立跟踪，低压接入，组件独立监控等特点都使得微型逆变器相比于传统逆变器更加高效、安全和智能化。

图1 传统逆变器

图2 微型逆变器

基于微型逆变器的上述特点，有微型逆变器组件的光伏发电系统也更加符合智能电网的发展要求和趋势。

下面将对微型逆变器的性能特点及其在智能电网中的应用做进一步阐述。

2.微型逆变器优点

相比于传统逆变器，微型逆变器存在如下优点：

（1）安全-无直流侧高电压

传统逆变器无论是集中式逆变器还是组串式逆变器都是直流侧多块组件串并联后给逆变器供电，这样在直流侧必然存在一个高电压，一般都会在数百伏以上。这样一个高电压的存在给整幢建筑，尤其是民用建筑带来了极大的安全隐患。经过长时间的户外运行后，很容易发生意外事件（见图3）。

图3 光伏系统建筑发生火灾

也正因如此，各国也相继出台了新政策避免意外的发生，如澳洲新安规要求如果直流侧线缆长度超过1.5m，必须使用护线管。美国NEC 2014标准规定，如果直流侧电压高于80V，直流侧必须增加快速切断器件。

微型逆变器由于是单组件输入，直流侧电压基本低于60V，因此不存在上述高电压风险，在系统安装时也不受相应的限制。这不仅给用户增加了安全保证，同时也简化了系统安装和成本。

（2）智能-监控每一块组件

相比于传统逆变器多块组件作为一个监控对象，微型逆变器能够监控到每一块组件和每一台逆变器，能够及时反馈每一块组件的当前工作状态，同时也能对每台逆变器做各种控制和操作。这大大提升了整个系统的信息量和操控的灵活性（见图4）。

图4 APS系统监控页面

（3）可靠-无单点失效现象

传统逆变器如组串式逆变器，当其中一块组件或该逆变器发生故障时，整串系统将处于瘫痪状态，即一个单点失效，将造成系统的不工作；而微型逆变器系统由于每一块组件都是一个独立的发电单元，因此不存在这一单点失效现象，如某一组件或逆变器发生故障而停止工作，不会影响系统中其他组件和逆变器的正常工作，这就大大提升了整个系统的可靠性及使用寿命（见图5）。

图5 可靠性对比

（4）强大-组件级最大功率点跟踪

传统组串式逆变器组件的发电效率取决于效率最低的组件，即存在短板效应。这样如果系统中某块组件发生覆盖或遮挡时，所有组件的发电效率都会急剧下降，严重影响发电量。微型逆变器系统由于具有组件级的最大功率点跟踪能力，因此每一块组件都是独立工作于最大功率点，互不影响，即使个别组件发生遮挡也不影响整个系统的发电量（见图6）。

（5）简化-无需直流侧装置

图6 发电效率对比

传统逆变器往往需要再直流侧增加额外的装置或配件，比如直流线缆，直流断开装置，直流汇流箱等，这就带来了额外的材料成本和人工成本，也使得系统复杂化。微型逆变器可以直接安装在组件或对应的支架上，组件和逆变器接头直接对插即可，无需任何额外设备，更加简单可靠（见图7）。

3.智能分布式小型屋顶（微小）系统

图8所示为分布式小型屋顶应用系统架构图，系统由逆变器、ECU、EMA组成，针对目前小型屋顶的应用中，屋顶组件布局较大，所以组件的数量和单个组件之间发电功率变化较快，而微型逆变器单个逆变器对应1～2个组件的设计对系统大小具有很强的伸缩能力，且独立的MPPT对屋顶组件复杂的功率变化具有较好的适应能力。而组串型逆变器在小型屋顶系统扩展，发电能力等方面都没有微型逆变器强。

图7 两种逆变器系统对比

图8 分布式小型屋顶系统架构图

4.智能分布式商业屋顶（大）系统

图9所示为分布式商业屋顶应用系统架构图。系统由逆变器、多个ECU、EMA组成，基本架构是小型屋顶架构上的扩展，在系统搭建和系统成本上都有优势。跟组串式逆变器的商业屋顶应用相比也有较大的优势。

图9 分布式商业屋顶系统架构图

相比组串型逆变器，微型逆变器的优点如下：

1）直流电压低没有PID问题；

2）使用寿命长；(www.xing528.com)

3）安全可靠；

4）每个微型逆变器独立MPPT，可以跟踪到组件级的水平；

5）发电数据可以跟踪到组件级别，系统运维容易；

6）较好的成本和收益。

关于系统成本收益方面，可以用业界普遍用的平准化能源成本（Levelized cost of elec-tricity，LCOE）的计算公式来分析微型逆变器系统方案：

（1）初期投资成本分析

以下是1MW系统逆变器成本对比（见表1）。

表1 1MW系统逆变器成本对比

系统安装类成本微型逆变器跟组串型逆变器相当，不过集中型逆变器在线缆上成本相对较高，逆变器成本低很多。

（2）25年发电量

理论计算微型逆变器比组串型逆变器发电量提高25%，系统目前实测10%，所以这部分提升空间很大，目前增加收益计算如图10所示。

图10 收益计算

1）发电量提升10%，1MW电站25年多收益360万元，每年收益14.4万元。

2）初装成本增加：200万元-75万元=125万元，需要8年左右收回多加成本。

（3）运维成本

微型逆变器在初期投资成本相对较高时，不过运维成本会降低很多，传统逆变器和组串型逆变器在维护的时候定位困难，而且要定期清扫否则会影响组件发电等因素，智能微型逆变器可以定位到每个逆变器，且微型逆变器质保周期内都是以更换逆变器的方式使得系统维护技术门槛低，维护成本低。

（4）衰减率

目前PID效应是影响组件发电效率的重要因素。对于组串型和传统型逆变器不可避免地出现直流侧的高压问题，使得PID效应更容易发生。而微型逆变器没有这个问题。同时，目前国内外组件性能参差不齐，好的20年就衰减6%，差的20%多，对于出厂性能相同，而经过多年不同程度衰减的组件，具有独立的MPPT微型逆变器起到了更大地发挥组件性能的一个至关重要的技术，使组件维持长期较高的发电量。

综上所述，考虑到逆变器投入成本和后期增加收益的关系，微型逆变器的LCOE值相对偏小，具有较好的性价比，优势明显。

5.微型逆变器光伏系统的智能化监控

由微型逆变器组成的光伏系统主要特点就是智能化的监控，这也是光伏系统满足智能电网要求的一个主要方面。下面以昱能科技公司的微型逆变器系统为例，介绍微型逆变器光伏系统的智能化优势。

图11所示为一个典型的微型逆变器光伏系统示意图，通过一个专用监控单元接入配电柜可以采集系统每个组件和逆变器的详细信息，包括组件的电压、电流、功率，逆变器的并网电压、频率、温度和发电量等（见图12）。

对于数据的监控，即可以通过将监控单元直接接入终端设备，实现本地监控，也可以将监控单元通过有线或无线方式接到路由器，通过Internet实现不受时间和地域限制的远程实时监控（见图13）。

为方便用户操控，昱能科技提供了多种终端设备的接收方式，比如计算机或智能手机等，同时对各种系统和浏览器也做了兼容（见图14）。

尤其是2014年昱能科技新推出针对智能手机的两款操控软件ArrayApp和Powerwatch（见图15），给用户的安装和监控带来了极大的便捷。

图11 微型逆变器组件的光伏发电系统

图12 数据监控页面

图13 数据传送

图14 可选浏览设备

ArrayApp是一款基于智能手机的微型逆变器系统安装软件，通过红外扫描能够快速地记录系统中微型逆变器的序列号和对应的位置，并上传网络。这就省去了安装人员逐台手动记录微型逆变器信息和对应位置的繁琐工作，同时也确保了信息的准确性。

Powerwatch是一款基于智能手机的系统监控软件（见图16），通过这款软件，用户可以摆脱计算机等传统终端设备，直接应用手机和移动互联网络随时随地查看系统的详细工作状态。

6.结束语

本文首先介绍了微型逆变器作为光伏发电领域一款新产品的基本概念，同时用微型逆变器和传统型逆变器做对比，介绍了微型逆变器安全、智能、可靠、强大和精简这些主要优点。本文也详细介绍了基于微型逆变器的智能分布式光伏系统的构架，并从成本、发电量和可靠性等方面对比了微型逆变器系统的优势。最后文章以昱能科技的微型逆变器系统为例，阐述了微型逆变器系统的在电网中的智能化应用技术。纵观本文，微型逆变器满足了未来智能电网的各方面要求，相比于传统逆变器光伏系统，有着显著优势。

图15 昱能微逆系统安装APP软件ArrayApp

图16 昱能微逆监控APP软件Powerwatch

（作者：昱能光伏科技集成有限公司 罗宇浩）