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1 引言

光伏行業(yè)發(fā)展迅速，電站類型日趨多樣化，越來(lái)越多的山丘電站陸續(xù)并網(wǎng)發(fā)電。山丘電站地形復(fù)雜、存在朝向不一致和局部遮擋等問(wèn)題，并且山丘雜草叢生，火災(zāi)隱患大，安全要求高，因此設(shè)計(jì)上存在很大的挑戰(zhàn)。

如何進(jìn)行合理的組件布局？如何正確地選擇合適的逆變器一直是大家較為困惑的問(wèn)題。

如果設(shè)計(jì)不合理，不僅造成土地的浪費(fèi)，系統(tǒng)成本的提高，同時(shí)還會(huì)給前期安裝和后期運(yùn)維帶來(lái)諸多不便，安全上也存在威脅。因此，筆者將結(jié)合具體的項(xiàng)目案例，帶您撥開迷霧看真相。

2 山丘光伏電站設(shè)計(jì)主要挑戰(zhàn)

挑戰(zhàn)1：地勢(shì)復(fù)雜，交、直流側(cè)需求之間存在矛盾

山丘電站存在朝向不一致和局部遮擋的現(xiàn)象，帶來(lái)組件失配問(wèn)題，且不同的山丘遮擋特性不一樣，如何合理的進(jìn)行組件布局，正確的選擇逆變器MPPT的數(shù)量給很多用戶帶來(lái)了困惑。從解決失配的問(wèn)題角度來(lái)說(shuō)，MPPT數(shù)量越多越有利，從交流側(cè)并網(wǎng)性能來(lái)說(shuō)，并聯(lián)的設(shè)備數(shù)量越少并網(wǎng)電能質(zhì)量、響應(yīng)調(diào)度等性能越好，并聯(lián)設(shè)備數(shù)量少意味著MPPT的數(shù)量減少，因此交直流側(cè)需求之間存在矛盾。

且MPPT數(shù)量越多系統(tǒng)成本越高。需要結(jié)合實(shí)際地形需求選擇合適的方案。


挑戰(zhàn)2：坑洼不平，需要特別重視安裝和維護(hù)的便利性

山丘電站上下坡度較大，碎石較多，安裝維護(hù)十分困難。如果設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)進(jìn)一步加大安裝維護(hù)的難度。圖2所示為某些實(shí)際山丘電站的現(xiàn)場(chǎng)情況，逆變器周圍碎石林立，空手行走已是十分困難，再讓運(yùn)維人員抬著幾十公斤笨重的逆變器行走操作，難上加難，存在嚴(yán)重人員安全風(fēng)險(xiǎn)。筆者在西南某山丘電站走訪時(shí)了解到，經(jīng)常發(fā)生運(yùn)維人員在更換逆變器時(shí)把腳給崴了的情況。因此，電站設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體地形選擇合適的逆變器方案，同時(shí)匯流箱、逆變器等設(shè)備擺放位置需要充分考慮安裝維護(hù)的便利性。

挑戰(zhàn)3：空間狹窄，對(duì)逆變器散熱能力要求高

山丘電站中，光伏電池板最佳傾角是一定的，在角度相對(duì)較大的南坡上，光伏板幾乎是平鋪在山坡上，光伏電池板與坡面之間空間非常狹小。組串式逆變器處在一個(gè)相對(duì)封閉的狹小空間內(nèi)，空氣流通不暢，不利于逆變器散熱，導(dǎo)致逆變器內(nèi)部環(huán)境及器件溫度也相應(yīng)升高，如圖3所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，處于這種凹陷區(qū)域的逆變器溫升比其他地方高6℃以上。因此，逆變器安裝位置需要有利于設(shè)備散熱，同時(shí)還需考慮逆變器自身的實(shí)際散熱能力。

挑戰(zhàn)4：雜草叢生，防火安全需到位

山丘電站植被茂盛，存在火災(zāi)安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)電站起火大部分是由于直流線纜破損引起的。直流線纜破損導(dǎo)致短路，過(guò)大的短路電流使線纜和組件發(fā)熱，隨著時(shí)間的推移，熱量積攢到一定程度就會(huì)產(chǎn)生自燃，引發(fā)火災(zāi)。對(duì)于集中式方案主要是組件和匯流箱之間的電纜，對(duì)于組串式方案，主要是組件和逆變器之間的電纜。

因此，直流側(cè)需要設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)器件。對(duì)于組串式逆變器方案，行業(yè)通用的做法都是在直流側(cè)安裝了光伏專用熔斷器，在故障發(fā)生后短路電流可使熔斷器熔斷，切除故障回路，保證系統(tǒng)安全。反之，對(duì)于無(wú)直流熔斷器的方案，當(dāng)組件和逆變器之間直流電纜產(chǎn)生拉弧時(shí)，根本無(wú)法斷開故障回路，電弧將持續(xù)存在，加大了產(chǎn)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，熔斷器對(duì)光伏系統(tǒng)直流側(cè)的安全起到至關(guān)重要的作用，尤其在山丘電站。

3 大型山丘電站：多路MPPT的集中式逆變器更有優(yōu)勢(shì)

規(guī)模較大的山丘電站存在面積較大的局部區(qū)域，其整體性和連續(xù)性較好，高程差較小，可以方便地通過(guò)支架高度匹配將更多的組件匹配到一個(gè)朝向，因此MPPT的數(shù)量不需要過(guò)多。多路MPPT的集中式逆變器125kW一路MPPT，完全滿足這種地形的需要。如圖5所示的西南某大型山丘電站。

多路MPPT的集中式逆變器方案主要優(yōu)勢(shì)包括以下幾個(gè)方面：

1）沿道路周邊放置，安裝運(yùn)維方便快捷，更安全

多路MPPT的集中式逆變器與升壓變放置在運(yùn)維道路兩邊，運(yùn)維車輛或者摩托車可直達(dá)逆變器旁邊。逆變器模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)部件級(jí)更換，降低了運(yùn)維難度，也保障了人員安全；
集中式所使用的匯流箱重量相對(duì)于組串式逆變器更輕，如常用的鋼板材質(zhì)匯流箱大都在30kg以下，高強(qiáng)度塑料材質(zhì)匯流箱還不到20kg，且匯流箱內(nèi)部器件數(shù)量少，維護(hù)相對(duì)組串式逆變器而言更加方便。
“組串式逆變器分散在山丘電站各個(gè)地方，日常巡檢非常麻煩，有時(shí)巡檢還會(huì)發(fā)現(xiàn)蛇、蟲等危險(xiǎn)動(dòng)物。而多路MPPT的集中式逆變器臺(tái)數(shù)少，機(jī)器都布置在運(yùn)維道路兩側(cè)，且可以實(shí)現(xiàn)部件級(jí)更換，日常巡檢和維修都更加方便”西南某山丘電站運(yùn)維人員對(duì)筆者如此說(shuō)道。

2）單路MPPT輸入功率125kW，保證系統(tǒng)發(fā)電量

大型山丘電站大部分區(qū)域組件朝向一致，局部較小區(qū)域不平可通過(guò)支架高度調(diào)整，使得組件朝向敷設(shè)一致，單路MPPT輸入功率125kW設(shè)計(jì)可最大化的降低失配損失。多個(gè)電站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果表明，組件排布在一個(gè)平面的情況下，集中式與組串式方案的發(fā)電量持平。

3）輸入端子配置靈活，可根據(jù)實(shí)際地形接入不同容量的組件

單路MPPT接入兩個(gè)12~14路直流匯流箱，直流輸入路數(shù)配置靈活。電站設(shè)計(jì)人員可依據(jù)實(shí)際組件排布特性，在光照接收能力較差的坡面，適當(dāng)增加直流路數(shù)，減少設(shè)備使用數(shù)量，降低系統(tǒng)初始投資。

4）逆變器數(shù)量大大降低，減少交流側(cè)并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)，提高了調(diào)度快速性可靠性

100MW山丘電站若采用單機(jī)40kW的組串式逆變器，數(shù)量多達(dá)2500多臺(tái)。逆變器臺(tái)數(shù)增多，影響電網(wǎng)調(diào)度快速性，易引發(fā)諧振，加大并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。若采用多路MPPT的集中式逆變器方案，相同容量電站逆變器臺(tái)數(shù)減少，并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)降低。

4 復(fù)雜小型山丘電站：重量輕、可超配、散熱能力好的組串式逆變器優(yōu)勢(shì)明顯

對(duì)于地形特別復(fù)雜，存在嚴(yán)重朝向遮擋的小型山丘電站，可選擇組串式逆變器方案?？紤]到山丘地勢(shì)、現(xiàn)場(chǎng)安裝條件限制，需重點(diǎn)考量組串式逆變器的自身重量和散熱能力。

（1）選擇重量輕的組串式逆變器，降低電站后期運(yùn)維難度

逆變器周圍沒(méi)有道路，車輛無(wú)法將逆變器送到故障點(diǎn)，只有靠人工搬運(yùn)。大部分廠家的組串式逆變器重量達(dá)到了五六十公斤，至少需要2人搬運(yùn)，在地形復(fù)雜的山丘上空手行走都困難，在負(fù)重五六十公斤的情況下上山或下山難度可想而知，稍有不慎就會(huì)造成運(yùn)維人員腳部扭傷。因此，在使用組串式逆變器的應(yīng)用場(chǎng)合，重量成了產(chǎn)品選擇的關(guān)鍵指標(biāo)。逆變器廠家也將降低產(chǎn)品重量作為研發(fā)目標(biāo)之一，不斷進(jìn)行改進(jìn)，目前行業(yè)內(nèi)已推出的組串式逆變器重量最輕的40kW逆變器，僅39kg。

（2）光照條件相對(duì)較差，可超配的組串式逆變器進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本

山丘電站多位于三四類光照資源區(qū)，光照條件一般較差，同時(shí)考慮系統(tǒng)組件到逆變器之間約10%的損耗，如果組件容量和逆變器容量按照1:1配置，將導(dǎo)致系統(tǒng)長(zhǎng)期處于輕載工作，根本不會(huì)達(dá)到滿載。系統(tǒng)的利用率降低，間接地增加了系統(tǒng)的初始投資。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，直流側(cè)接入8串的方案比接入6串至少節(jié)省系統(tǒng)成本0.17元/W，即100MW節(jié)約初始投資1700萬(wàn)。因此需要組串式逆變器具備超配能力，即保證直流側(cè)具備足夠的輸入端子，這也是目前行業(yè)內(nèi)40kW的組串式逆變器，直流輸入端子的設(shè)計(jì)至少都是8路以上的根本原因。

（3）“窩在”電池板下方，散熱空間狹小，組串式逆變器自身散熱能力要求高

組串式逆變器散熱能力差，會(huì)導(dǎo)致逆變器降額運(yùn)行，尤其是在山丘電站中“窩在”電池板下方的逆變器。國(guó)內(nèi)某山丘電站現(xiàn)場(chǎng)的組串式逆變器，由于自身散熱能力差，在中午發(fā)電量最佳的時(shí)刻出現(xiàn)了降額運(yùn)行現(xiàn)象，造成發(fā)電量損失超過(guò)1%，直接影響了電站投資收益，圖6為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控后臺(tái)顯示的逆變器在高溫時(shí)限功率運(yùn)行的記錄。

筆者在走訪西南某山丘電站時(shí)發(fā)現(xiàn)，該電站同時(shí)安裝了自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷兩種散熱方式的40kW組串式逆變器，以逆變器上傳至電站監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)器內(nèi)部環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，

1）采用的自然冷卻40kW組串式逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度比強(qiáng)制風(fēng)冷的至少高10℃以上?，F(xiàn)場(chǎng)當(dāng)日的最高環(huán)境溫度僅為20℃，如果炎熱的夏季，實(shí)際溫差更大。溫度每升高10℃，器件壽命將降低一半，如此高的溫升，如何保證高溫下不降額，長(zhǎng)期運(yùn)行后產(chǎn)品的壽命又如何保障呢？正是因?yàn)樽匀焕鋮s的逆變器無(wú)法達(dá)到理想的散熱性能，所以在容量設(shè)計(jì)上總是短斤缺兩。

2）采用自然冷卻40kW組串式逆變器，在周圍散熱空間不同時(shí)內(nèi)部環(huán)境溫度相差高達(dá)11.3℃；而對(duì)于強(qiáng)制風(fēng)冷的機(jī)器僅差3.4℃；
因此，對(duì)于存在嚴(yán)重朝向遮擋的山丘電站采用組串式逆變器時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注機(jī)器的散熱能力，應(yīng)選用散熱能力好，高溫適應(yīng)性好的強(qiáng)制風(fēng)冷逆變器。

5 結(jié)論

筆者結(jié)合目前山丘電設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的建議：

（1）結(jié)合實(shí)際地形情況，進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)最大化發(fā)電量收益的同時(shí)，有效解決設(shè)備安裝維護(hù)的便利性和系統(tǒng)的安全性，有效平衡交直流側(cè)之間需求的矛盾；

（2）逆變器選型上需要綜合考慮各種因素：

對(duì)于地形變化幅度較緩，局部地形較為平坦，無(wú)嚴(yán)重朝向及遮擋問(wèn)題的山丘電站，推薦采用具有多路MPPT的集中式逆變器方案，逆變器靠近道路安裝，方便后期維護(hù)，同時(shí)降低系統(tǒng)成本，提高并網(wǎng)性能；

對(duì)于地形特別復(fù)雜，存在嚴(yán)重朝向遮擋的山丘電站，推薦使用組串式逆變器方案，盡量選擇重量最輕、可超配、散熱性能強(qiáng)、安全可靠的組串式逆變器，以保證系統(tǒng)發(fā)電量，減少安裝維護(hù)難度。