華為:淺析組串式和集中式逆變器可靠性

2014-09-18 14:25:41 太陽能發(fā)電網(wǎng)
光伏電站產(chǎn)品的長期可靠性直接影響投資人收益,在長達25年的投資回報期內(nèi),提高發(fā)電效率、降低產(chǎn)品故障是永恒不變的主題。目前國內(nèi)光伏電站質(zhì)量長期可靠性隱患重重,其中逆變器可靠性更成為了大家關(guān)注的熱點。 2014年的慕尼黑的intersolar論壇上,資深的光伏從業(yè)人士Manfr
  光伏電站產(chǎn)品的長期可靠性直接影響投資人收益,在長達25年的投資回報期內(nèi),提高發(fā)電效率、降低產(chǎn)品故障是永恒不變的主題。目前國內(nèi)光伏電站質(zhì)量長期可靠性隱患重重,其中逆變器可靠性更成為了大家關(guān)注的熱點。
  2014年的慕尼黑的intersolar論壇上,資深的光伏從業(yè)人士Manfred Bachler(曾是全球最大的EPC廠商Phoenix solar的首席技術(shù)官)提出了用組串式逆變器改造現(xiàn)存的集中式逆變器的方案,給出的結(jié)論是5~6年可以收回改造的成本,主要的原因是因為集中式逆變器維護麻煩,可用性差,僅僅在可用度方面就比組串式逆變器差6%。
  近日,行業(yè)內(nèi)對于組串式與集中式逆變器的故障率、可靠性眾說紛紜。那么到底誰更可靠,誰更堅強?本文從以下幾個角度詳細分析,拋磚引玉。
  1.逆變器失效率:集中式高于組串式,是其3倍
  業(yè)界知名的組串式逆變器按照25年的系統(tǒng)可靠運行設(shè)計,采用IP65防護等級,實現(xiàn)內(nèi)外部的環(huán)境隔離,使內(nèi)部器件保持在無塵和穩(wěn)定的運行環(huán)境中,大大降低了溫度、風(fēng)沙、濕氣、鹽霧等外部環(huán)境對器件壽命的影響,因此可靠性大大增強。同時系統(tǒng)無易損部件,無熔絲、無風(fēng)扇等需定期更換器件,實現(xiàn)了系統(tǒng)免維護;整機故障率小于1%。
  而集中式方案一般采用常規(guī)的土建房或集裝箱式機房,防護等級IP54,但因機房普遍采用直通風(fēng)式散熱方案,實際只能達到IP44或者更低,無法阻擋風(fēng)沙、灰塵和腐蝕性氣體進入逆變器。集中式逆變器防護等級只有IP20,內(nèi)部電路器件容易暴露在惡劣的工作環(huán)境下。比如灰塵在逆變器內(nèi)電路板、端子排等的累積會造成爬電距離減小,最終造成放電、起火等安全風(fēng)險;濕塵在PCB或元器件間易形成漏電效應(yīng)和腐蝕效應(yīng),造成信號的異常或高壓拉弧打火,還有可能造成電網(wǎng)對PE的短路,引起逆變器異常關(guān)機或炸毀。同時逆變器風(fēng)扇是易損件,平均使用壽命約為5年左右。業(yè)界集中式逆變器故障率一般超過3%,故障率是組串式逆變器的3倍以上。北方很多電站是在戈壁灘上建設(shè),其實際是典型的鹽堿地,灰塵中含大量的鹽離子成分。在晝夜間歇工作模式下,發(fā)生腐蝕和漏電的概率比常規(guī)的電氣設(shè)備大很多。
  另外從逆變器的輔助電源上比較,集中式輔助電源市場上的失效率一般是2~5%之間,其失效率高的主要原因也是直通風(fēng)散熱,灰塵,鹽霧等會對可靠性有影響。而組串式逆變器輔助電源是自帶的電路,在全密閉環(huán)境下工作,失效概率極低。
  從逆變器歷史來看,SMA在1995年推出的第一款逆變器是組串式逆變器,過了7年,才在2002年推出第一款集中式逆變器。室外組串式逆變器已經(jīng)經(jīng)歷了近20年的實際應(yīng)用考驗,在歐洲用于大型地面電站的歷史比集中式逆變器更久,技術(shù)也更成熟。

   
圖1  逆變器機房的灰塵         圖2  逆變器設(shè)備內(nèi)部的灰塵

  2.散熱對可靠性的影響:集中式大于組串式
  組串式逆變器單個功耗數(shù)百瓦,可以實現(xiàn)自然散熱設(shè)計,且可滿足60℃環(huán)境溫度下可靠運行,集中式逆變器,尤其是10尺集裝箱方案,1MW的損耗高達30千瓦,相當(dāng)于有30個1千瓦的電爐絲在10尺集裝箱內(nèi)部烘烤,單靠幾個風(fēng)扇是很難實現(xiàn)可靠散熱的,極大增加了燒機的風(fēng)險。
  據(jù)實際測量,西部地面電站,組串式逆變器掛在組件下面,開曠通風(fēng)好,環(huán)境溫度21℃時內(nèi)部溫度43.8℃,溫升22.8℃,而集中式房內(nèi)溫度23℃,柜體內(nèi)溫度高達53℃,溫升30℃。在炎熱夏天,機房內(nèi)溫度超過50度是經(jīng)常的事情,集中式逆變器柜體內(nèi)溫度更高更惡劣。而高溫帶來的將是器件壽命降低、降額甚至炸機隱患。
  西北風(fēng)沙嚴(yán)重地區(qū),逆變器房中積灰導(dǎo)致防塵網(wǎng)堵塞、散熱器散熱性能變差,大功耗器件溫度急劇上升,引起溫度告警,更嚴(yán)重會導(dǎo)致內(nèi)部IGBT器件損壞,設(shè)備不斷重啟,甚至燒壞。今年上半年以來,幾乎每個月都有因為散熱問題,集中式方案出現(xiàn)炸機等嚴(yán)重事故。
  3.系統(tǒng)可用度及其對發(fā)電量的影響:集中式的損失是組串式的17倍
  歐洲應(yīng)用的頂級組串式逆變器,其MTBF可以做到35萬小時,年失效率均在1%以下,部份廠家可以做到低于0.5%,而集中式常規(guī)的MTBF一般只能做到5萬到10萬小時。
  集中式一般需要廠家的專業(yè)人員到場定位及維修,處理時間長,影響發(fā)電量;而組串式逆變器,可直接由現(xiàn)場運維人員進行更換處理,簡單快捷,先保證發(fā)電,然后再對故障進行分析、維修。組串式任意一臺逆變器失效時,其它逆變器可以保持工作,不影響其它的發(fā)電量。集中式方案中的任一環(huán)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備一旦發(fā)生故障,可能整個方陣會停止工作,修復(fù)時間視現(xiàn)場定位和備件準(zhǔn)備情況而定,一般至少為2-3天,有的長達1周,甚至一個月,對發(fā)電量的損失將遠遠超出對故障損失的預(yù)期值。
  以10MW電站為例,按平均每天峰值日照時數(shù)6小時計算,集中式方案平均每年發(fā)電量損失將達到7154KWH,而組串式只有420KWH,相比而言,集中式的損失是組串式的17倍。
  4.組串式維修成本遠低于集中式
  集中式逆變器維護必須由專業(yè)維護人員進行,對技能要求高,即使是部件損壞,也需要專業(yè)運維人員到現(xiàn)場,對故障定位并更換,除部件更換費用外,人工費用,差旅費用都是高昂的維護成本。并且,集中式逆變器如果是整機完全損壞,更換極為麻煩,重型機械設(shè)備要入場,逆變器從機房移出非常困難.受軟件和硬件匹配等的影響,集中式逆變器必須使用原廠家的備件,一旦廠家倒閉,未來維護將會被迫中斷,業(yè)主也只有更換新的產(chǎn)品。而組串式的只需要直接整機更換,不需要專業(yè)維護人員,30分鐘可以更換完畢。5年維保期內(nèi),免費替換,質(zhì)保期外的故障的機器,可以借助現(xiàn)代物流平臺,低成本返廠維修,僅需收取少量維修費用,維護成本遠低于集中式大機方案。
  目前業(yè)界逆變器品牌良莠不齊,最近有人說組串式逆變器5年后需要大量更換的說法是以偏蓋全。如果組串式逆變器在設(shè)計上沒有突破,和集中式逆變器一樣,也要風(fēng)扇冷卻和熔絲,防護等級較低,那5年后和集中式一樣需要大量更換。但如果選擇IP65,自然散熱和無熔絲設(shè)計的品牌后,這些問題就不存在了。對于組串式逆變器的選擇要充分考慮其品質(zhì)。首選質(zhì)量可靠,品質(zhì)優(yōu)越,能長期保障電站良好運營,并且有大規(guī)模應(yīng)用的逆變器廠家。世界頂級的組串式逆變器,年失效率均在0.5%以下,遠低于集中式方案。某些組串式品牌若干年后倒閉或不存在了,也可以重新更換一臺其他品牌的組串式逆變器,更換成本較低,對系統(tǒng)整體發(fā)電量的影響甚微。
  綜上所述,組串式逆變器相比集中式,無論是在故障率還是運維成本方面都更占優(yōu)勢,能保證電站長期可靠的運營。在過去10多年逆變器的發(fā)展過程中,歐洲的技術(shù)領(lǐng)先全球市場2-3年,是技術(shù)和市場的風(fēng)向標(biāo),中國、美國和日本等市場,基本上是跟隨歐洲的路線,同時吸收歐洲的經(jīng)驗和教訓(xùn),F(xiàn)在以SMA為代表的技術(shù)廠家在美國和歐洲正在力推組串式方案。國內(nèi)越來越多的光伏電站也正在采用組串式方案。可見,組串式正在成為光伏電站建設(shè)的主流方案。當(dāng)然,在選擇組串式設(shè)備的廠家時,我們也應(yīng)該選擇質(zhì)量可靠、口碑好的產(chǎn)品,才能讓我們的業(yè)主25年真正的放心無憂!

作者: 來源:太陽能發(fā)電網(wǎng) 責(zé)任編輯:gaoting

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