基于无变压器逆变器的光伏系统优化设计分析

中心议题：

• 无变压器逆变器技术和两极数组配置介绍
• 商用或公用安装项目中使用的并联逆变器分析
• 光伏系统在商业和公用安装项目中发挥新的能力

解决方案：

• 利用无变压器的逆变器技术设计方案

新一代无变压器技术降低了电力集成商（integrators）和公用电力事业机构的系统复杂性，针对两种最常见的大型光伏安装项目——大楼逆变器直接连接项目和用于并网发电输电的公用安装项目，该技术最大限度地提高了其电力传输能力。　　

尽管太阳能光伏电源的价格正在变得越来越有竞争力，但对整个行业来说，继续增强性能、提高效率以及降低成本才是至关重要的。提高大型投资设备的质量和性能是不断增加收益的一种途径，此外，逆变器的性能和效率与光伏模块和数组同样重要。在大型光伏系统设计方面，电力集成商和公用电力事业机构正抛开传统的逆变器设备，转而开始选择最先进的无变压器逆变器技术，以便降低系统的复杂性并最大限度地提高电力传输。确实有必要仔细看看无变压器逆变器技术是如何通过影响系统设计、效率和系统平衡（BoS）成本来帮助改变竞争格局的。　　

通过采用可分离的两极 +600 和 -600 VDC 电池组数组实现直接转换这项新技术，无需在低压三相电网上配备变压器。这种配置不仅提高了发电效率，而且不需要传统上所要求使用的逆变器变压器，降低了相关的系统平衡 （BoS） 成本，还避免了与单极配置有关的不必要的线路衰减。这项技术还为电力集成商和公用电力事业机构的大型商业或公用安装项目带来了更多好处。例如，通常规模在1到2兆瓦的商业项目，在连接点位于大楼入口变压器低压侧要求配有一至八个逆变器，并且每个逆变器都要配有单独的、定制的隔离变压器——即使变压器已与逆变器集成。而真正的无变压器设计的逆变器才能支持直接的连接，不需要任何其它的变压器设备和定制修改，而且也不会产生系统平衡成本。对于那些中压变压器连接点在5到12.7千伏之间的公用安装项目，可将多个无变压器逆变器整合成一个大小适当的标准中压变压器。变压器可以放在电场的任何位置，以靠近逆变器是最合适的。　　

无变压器逆变器技术和两极数组配置　　

采用了无变压器逆变器技术的太阳能光伏系统在发电时，光伏模块和负载之间不需要任何变压器——通常为高压交流电 （HVAC） 设备和商业荧光照明。尽管一些制造商声称具备了无变压器技术，但实际上，他们的产品仍需要在逆变器和负载之间配备一个隔离变压器。他们仅仅是将逆变器整合到一个逆变器箱中或对它们进行单独销售。真正的无变压器逆变器可将电力从逆变器直接转换并传输到所附负载中。这要归功于采用双极 ±600 VDC 数组配置。电力集成商和公用电力事业机构可获得系统性能改善和系统平衡成本降低的好处：　　

•更高的效率　　
•缩小设备和导线规模及数量　　
•降低材料和安装施工成本　　

为了说明这些优势，让我们看看这两种最常见的大型光伏安装项目的构架，它们分别是美国本地电网的逆变器直接连接项目和并网发电输电的公用安装项目。
　
商用屋顶安装项目中使用的直接并网光伏逆变器　　

一个在设施入口处低压一端拥有连接点的1兆瓦的商用屋顶系统需要1至4个并网光伏逆变器。采用传统的逆变器时，每一个都必须与一个单独的或定制的隔离变压器相搭配——不论变压器与逆变器是否集成，情况都是如此。因此，电力供应立即被减弱了，因为隔离变压器的效率通常只有98%到99%，它们最多可以让效能下降2%。　　

由于体积庞大而且沉重，传统逆变器会限制光伏逆变器系统的设计。采用2个500千瓦逆变器的系统设计需要在地面上安装逆变器，因为这种逆变器/变压器搭配的尺寸和重量较大。即使隔离变压器可以与逆变器相互分离，由于较低的电压与较高的电流这种安装所导致昂贵的导线成本，每一个逆变器所需要的较低的输出电压和多绕组也会限制相互分离的距离。　　

整合逆变器时的稳定性问题也是需要关注的。传统逆变器设计通常采用无阻尼大三角形过滤器，当很多设备并行放置或逆变器设置在长传输在线的时候，这些过滤器可能会导致系统运行的不稳定。而且，如果逆变器被并行放置在同一个箱子里，每一个500千瓦逆变器由4个较小的125千瓦单元驱动，那么这种系统就容易受到电气干扰，而且会为整个光伏系统带来多个故障点。　　

相比之下，真正的无变压器逆变器直接固定在建筑物的入口处，甚至是固定在一个尺寸足够大的配电安装板上。由于没有隔离变压器，从光伏模块电源获得的额外的1%到2%能源效率直接进入负载，在功率为500千瓦的时候，这意味着最低免费额外提供了5千瓦的输出。此外，直接转变成可用的电压，而不是较低的单极逆变器交流电压，而交流电电流降低一半以上，从而降低了交流电一端的电线成本。　

如果没有一个变压器，逆变器的尺寸更小，重量更轻，为电力集成商在安装和整体系统设计方面提供了更大的自由。由于重量的限制和必须的加固措施，在五层楼的建筑物屋顶安装一个传统的逆变器从成本上来说可能会让人望而却步，但是设计人员却可以让无变压器逆变器安装在商业建筑的屋顶上（而不是安装在地下室），使其直接与五楼的安装板连接。这样的设计不仅可以免除昂贵的高达五层楼的直流电布线，而且还能缩短交流电电线的长度并降低相关成本。　　
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最后一点，多个逆变器可以在不用变压器的情况下并联，而电源则可以直接使用，以便实现稳定的表现。无变压器逆变器技术采用大得多的电源优化器 （Line Reactor） 和较小的三角形滤波电容。这些较小的三角形滤波电容器也通过一种串联电阻器进行缓冲，从而提高控制系统的稳定性，并且减少并联逆变器之间的相互作用。带有一种单一引擎设计的500千瓦逆变器也能减少零部件数量，从而提高整个系统的可靠性。　　

公用安装项目中使用的并联逆变器　　

同样的原则也适用于公用规模的安装项目。然而，大多数公用规模的安装项目涉及大型接地光伏数组，并配备了许多逆变器，可迅速升压至中压（4160至13.8千伏）。此外，传统逆变器需要一个单独的隔离变压器与各个逆变器进行配对，而这就占到不必要损耗中的多达两个效率点。　　

在一个1兆瓦的模块中，可将1至4个传统逆变器安置在一个单独的垫板上，并且每个逆变器都带有中压连接。中压连接成本很高，执行这项工作的电工人员需要接受更高等级的培训和认证。需要使用更大的设备垫板或公用机箱。如果电场有一个追踪器参与运行，那么就需要单独的变压器为这些追踪器供电。这样，系统平衡设备、材料和安装成本便会迅速增加。　　

传统逆变器还通过公用线路自干扰（如各种 VAR 发电）来检测孤岛情况。当与许多逆变器并联时，这种干扰就会在所有逆变器之间产生 VAR拍差频率，所产生的假脱扣将使电场关闭。多个传统逆变器及它们的大型三角电容器也会产生不稳定性并吸收大量谐波电流。　　

这些问题都可以通过无变压器逆变器技术来避免。无变压器逆变器可以被并联到一个中压变压器的单独绕组上。每组逆变器仅需要一个独立、标准的1000、1500、2000或2500 kVAR 规格的中压变压器。这就为站点配置提供了众多可能性。由于其电流低于传统逆变器的电流，因此安置逆变器和变压器的方式还有更多灵活选择。　　

无变压器逆变器的尺寸约为传统逆变器的一半，可直接转换成更高的电压，这就减少了所需占地面积、运输和起重设备成本（加上递增的设备垫板或公用机箱建造成本）以及连接绕组的大小和数量。此外，一个连接到无变压器逆变器的标准配电板可以在无需单独变压器的情况下向追踪器供电。由于变压器减少，系统中的电抗组件随之减少，从而实现最稳定的运行状态。此外，每个逆变器均通过以太网进行自动和独立寻址，从而消除了一切干扰问题。　　

此外，完全被动的反孤岛技术（anti-islanding technique）不会干扰带 VAR偏差的公用电压，也不会在路线上设置其它瞬态，因此能够实现高效、顺畅、稳定的电源，这一起都为了相对削减安装成本。　　

在商业和公用安装项目中发挥新的能力　　

电力集成商和公用电力事业机构可以通过将多个无变压器逆变器直接整合到电网或中压的方式发挥出新的能力。由此产生的最大发电量和高功效收益将继续推动太阳能光伏发电和替代性能源成为主流。同时，新型光伏系统设计实现了前所未有的灵活性和成本节省，对电力集成商和公用电力事业机构产生了意义深远的广泛影响。目前，许多机构都纷纷采用了无变压器的逆变器技术，这种新的配置正在改变着行业面貌。　　

结语　　

通过利用无变压器的逆变器技术，电力集成商和公用电力事业机构能够降低光伏系统的复杂性并最大限度地提高电力传输，无论是在商业安装项目中直接接入电网，还是在公用安装项目中接入中压。此外，无变压器逆变器技术可缩小光伏系统安装规模，并降低系统平衡成本，从而扭转了发展趋势。新趋势强调平准化发电成本 （LCOE），本文讨论的新一代无变压器逆变器能够大幅降低 LCOE，而这些只需提供直接的转换即可实现——这是一个值得在未来探讨的议题。