太陽能光伏項目所使用的無變壓器逆變器構造

　　本文介紹了現今商業和公用光伏安裝項目所使用的無變壓器逆變器的構造。它分析了電力集成商和公用電力事業機構如何通過將多個逆變器直接整合到電網中或僅配備一個中壓變壓器來發揮新的能力。最后，本文還詳細列出了系統復雜性降低和發電效率最大化所帶來的諸多好處。

新一代無變壓器技術降低了電力集成商(integrators)和公用電力事業機構的系統復雜性，針對兩種最常見的大型光伏安裝項目——大樓逆變器直接連接項目和用于并網發電輸電的公用安裝項目，該技術最大限度地提高了其電力傳輸能力。

　　盡管太陽能光伏電源的價格正在變得越來越有競爭力，但對整個行業來說，繼續增強性能、提高效率以及降低成本才是至關重要的。提高大型投資設備的質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組同樣重要。在大型光伏系統設計方面，電力集成商和公用電力事業機構正拋開傳統的逆變器設備，轉而開始選擇最先進的無變壓器逆變器技術，以便降低系統的復雜性并最大限度地提高電力傳輸。確實有必要仔細看看無變壓器逆變器技術是如何通過影響系統設計、效率和系統平衡(BoS)成本來幫助改變競爭格局的。

　　過采用可分離的兩極 +600 和 -600 VDC 電池組數組實現直接轉換這項新技術，無需在低壓三相電網上配備變壓器。這種配置不僅提高了發電效率，而且不需要傳統上所要求使用的逆變器變壓器，降低了相關的系統平衡 (BoS) 成本，還避免了與單極配置有關的不必要的線路衰減。這項技術還為電力集成商和公用電力事業機構的大型商業或公用安裝項目帶來了更多好處。例如，通常規模在1到2兆瓦的商業項目，在連接點位于大樓入口變壓器低壓側要求配有一至八個逆變器，并且每個逆變器都要配有單獨的、定制的隔離變壓器——即使變壓器已與逆變器集成。而真正的無變壓器設計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備和定制修改，而且也不會產生系統平衡成本。對于那些中壓變壓器連接點在5到12.7千伏之間的公用安裝項目，可將多個無變壓器逆變器整合成一個大小適當的標準中壓變壓器。變壓器可以放在電場的任何位置，以靠近逆變器是最合適的。

　　無變壓器逆變器技術和兩極數組配置

　　采用了無變壓器逆變器技術的太陽能光伏系統在發電時，光伏模塊和負載之間不需要任何變壓器——通常為高壓交流電 (HVAC) 設備和商業熒光照明。盡管一些制造商聲稱具備了無變壓器技術，但實際上，他們的產品仍需要在逆變器和負載之間配備一個隔離變壓器。他們僅僅是將逆變器整合到一個逆變器箱中或對它們進行單獨銷售。真正的無變壓器逆變器可將電力從逆變器直接轉換并傳輸到所附負載中。這要歸功于采用雙極 ±600 VDC 數組配置。電力集成商和公用電力事業機構可獲得系統性能改善和系統平衡成本降低的好處：

　　更高的效率
　　縮小設備和導線規模及數量
　　降低材料和安裝施工成本

　　為了說明這些優勢，讓我們看看這兩種最常見的大型光伏安裝項目的構架，它們分別是美國本地電網的逆變器直接連接項目和并網發電輸電的公用安裝項目。

　　商用屋頂安裝項目中使用的直接并網光伏逆變器

　　一個在設施入口處低壓一端擁有連接點的1兆瓦的商用屋頂系統需要1至4個并網光伏逆變器。采用傳統的逆變器時，每一個都必須與一個單獨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，電力供應立即被減弱了，因為隔離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，傳統逆變器會限制光伏逆變器系統的設計。采用2個500千瓦逆變器的系統設計需要在地面上安裝逆變器，因為這種逆變器/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致昂貴的導線成本，每一個逆變器所需要的較低的輸出電壓和多繞組也會限制相互分離的距離。

　　整合逆變器時的穩定性問題也是需要關注的。傳統逆變器設計通常采用無阻尼大三角形過濾器，當很多設備并行放置或逆變器設置在長傳輸在線的時候，這些過濾器可能會導致系統運行的不穩定。而且，如果逆變器被并行放置在同一個箱子里，每一個500千瓦

　　逆變器由4個較小的125千瓦單元驅動，那么這種系統就容易受到電氣干擾，而且會為整個光伏系統帶來多個故障點。

　　相比之下，真正的無變壓器逆變器直接固定在建筑物的入口處，甚至是固定在一個尺寸足夠大的配電安裝板上。由于沒有隔離變壓器，從光伏模塊電源獲得的額外的1%到2%能源效率直接進入負載，在功率為500千瓦的時候，這意味著最低免費額外提供了5千瓦的輸出。此外，直接轉變成可用的電壓，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。

　　如果沒有一個變壓器，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設計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傳統的逆變器從成本上來說可能會讓人望而卻步，但是設計人員卻可以讓無變壓器逆變器安裝在商業建筑的屋頂上（而不是安裝在地下室），使其直接與五樓的安裝板連接。這樣的設計不僅可以免除昂貴的高達五層樓的直流電布線，而且還能縮短交流電電線的長度并降低相關成本。

　　最后一點，多個逆變器可以在不用變壓器的情況下并聯，而電源則可以直接使用，以便實現穩定的表現。無變壓器逆變器技術采用大得多的電源優化器 (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一種串聯電阻器進行緩沖，從而提高控制系統的穩定性，并且減少并聯逆變器之間的相互作用。帶有一種單一引擎設計的500千瓦逆變器也能減少零部件數量，從而提高整個系統的可靠性。

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　　圖1.商業安裝。a)新的雙極系統連接；b)傳統的單極系統連接

　　公用安裝項目中使用的并聯逆變器

　　同樣的原則也適用于公用規模的安裝項目。然而，大多數公用規模的安裝項目涉及大型接地光伏數組，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，傳統逆變器需要一個單獨的隔離變壓器與各個逆變器進行配對，而這就占到不必要損耗中的多達兩個效率點。

　　在一個1兆瓦的模塊中，可將1至4個傳統逆變器安置在一個單獨的墊板上，并且每個逆變器都帶有中壓連接。中壓連接成本很高，執行這項工作的電工人員需要接受更高等級的培訓和認證。需要使用更大的設備墊板或公用機箱。如果電場有一個追蹤器參與運行，那么就需要單獨的變壓器為這些追蹤器供電。這樣，系統平衡設備、材料和安裝成本便會迅速增加。

　　傳統逆變器還通過公用線路自干擾（如各種 VAR 發電）來檢測孤島情況。當與許多逆變器并聯時，這種干擾就會在所有逆變器之間產生 VAR拍差頻率，所產生的假脫扣將使電場關閉。多個傳統逆變器及它們的大型三角電容器也會產生不穩定性并吸收大量諧波電流。

　　這些問題都可以通過無變壓器逆變器技術來避免。無變壓器逆變器可以被并聯到一個中壓變壓器的單獨繞組上。每組逆變器僅需要一個獨立、標準的1000、1500、2000或2500 kVAR 規格的中壓變壓器。這就為站點配置提供了眾多可能性。由于其電流低于傳統逆變器的電流，因此安置逆變器和變壓器的方式還有更多靈活選擇。

　　無變壓器逆變器的尺寸約為傳統逆變器的一半，可直接轉換成更高的電壓，這就減少了所需占地面積、運輸和起重設備成本（加上遞增的設備墊板或公用機箱建造成本）以及連接繞組的大小和數量。此外，一個連接到無變壓器逆變器的標準配電板可以在無需單獨變壓器的情況下向追蹤器供電。由于變壓器減少，系統中的電抗組件隨之減少，從而實現最穩定的運行狀態。此外，每個逆變器均通過以太網進行自動和獨立尋址，從而消除了一切干擾問題。

　　此外，完全被動的反孤島技術(anti-islanding technique)不會干擾帶 VAR偏差的公用電壓，也不會在路線上設置其它瞬態，因此能夠實現高效、順暢、穩定的電源，這一起都為了相對削減安裝成本。

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圖2.公用電場連通逆變器。a)全新雙極連接，變壓器數量減少；b)傳統單極連接，每個逆變器配備一個變壓器

　　在商業和公用安裝項目中發揮新的能力

　　電力集成商和公用電力事業機構可以通過將多個無變壓器逆變器直接整合到電網或中壓的方式發揮出新的能力。由此產生的最大發電量和高功效收益將繼續推動太陽能光伏發電和替代性能源成為主流。同時，新型光伏系統設計實現了前所未有的靈活性和成本節省，對電力集成商和公用電力事業機構產生了意義深遠的廣泛影響。目前，許多機構都紛紛采用了無變壓器的逆變器技術，這種新的配置正在改變著行業面貌。

　　結語

　　通過利用無變壓器的逆變器技術，電力集成商和公用電力事業機構能夠降低光伏系統的復雜性并最大限度地提高電力傳輸，無論是在商業安裝項目中直接接入電網，還是在公用安裝項目中接入中壓。此外，無變壓器逆變器技術可縮小光伏系統安裝規模，并降低系統平衡成本，從而扭轉了發展趨勢。新趨勢強調平準化發電成本 (LCOE)，本文討論的新一代無變壓器逆變器能夠大幅降低 LCOE，而這些只需提供直接的轉換即可實現——這是一個值得在未來探討的議題。