新一代公共事业规模光伏电站

凭借安装和维护成本的降低，将系统直流电压从1000VDC提高至1500VDC的新一代光伏电站结构主导了更具成本效益和生产力的公共事业规模电站领域。Mahesh Morjaria、Kevin Collins、Michael Stavish和Greg Ball等人共同探索了相关技术发展所遇到的挑战，以及为应对这些挑战所进行的努力。

过去几年里，光伏组件价格的迅速下跌在公共事业规模电站的成本下调和降低太阳能购置门槛等方面起到了显著的作用。但是，太阳能必须进一步降低成本，才能实现与传统能源相比具有全面的成本竞争力的目标。例如，美国能源部Sun Shot计划已设定相关目标，在2020年前将公共事业规模光伏系统的安装成本降低至US$1/W以下，从而将太阳能生产成本降低至US$0.06/kWh以下。

自从Sun Shot计划在2010年开始实施以来，美国公共事业规模光伏系统的平均成本从之前的0.21美元/千瓦时下降到0.11美元/千瓦时。对于一个典型的联网公共事业规模光伏系统来说，系统平衡（BOS）成本目前占系统总成本的60％-70％，此前这一数值始终低于50％。因此，进一步降低成本的关键在于改善BOS组成。

在过去十年中，由于美国公共事业规模光伏系统的架构从600VDC变成1000VDC，其成本和效率得到了极大改善。同样地，过渡到1500VDC的过程也带来了更高的效率和更大幅度的成本降低。在直流零部件，如电缆、汇流箱和逆变器等，具有相同的载流量（电流承载能力）时，较高的电压操作可实现更大的输出功率。从而实现更为广泛的中低压变压器和相关开关设备间的合并。并进一步提高系统设计在优化效率和/或成本方面的灵活性。

1500VDC产品及其标准

美国公共事业规模市场采用1000VDC系统这状况是由新世纪最初几年内国际产品的可用性和设备安装的优先性——主要是欧洲地区，所决定的。这些产品最初只具有国际标准认证，但随着时间的推移，越来越多的产品为满足市场需求通过了美国标准的认证。最近，2014年版的美国国家电气规范（US National Electrical Code）已经将其低压阈值由600VDC提高至了1000VDC，消除了在600VDC和1000VDC项目安装中不必要的差别要求。与过去相似，此次电压升至1500VDC的部分原因是由于IEC标准将1500VDC划归至了低电压范围，使得零部件和产品均极易获得。

作为一家以光伏组件生产作为其核心竞争力之一的垂直一体化公司，First Solar公司具有独特的能力能够将其组件的输出特性“调整”至与新1500VDC标准相匹配。在开发这些新一代CdTe薄膜组件（4系列）过程中，公司除了获得额外转换效率，还获得了一个意外的优势。实际上，为1500VDC进行优化的组件在效率和最大输出功率方面，相比于1000VDC的产品具有更加的性能。

此外，First Solar及其BOS零部件供应商正合作开发新一代1500VDC电站产能。这些已被广泛应用在风力发电行业的技术已调整至能够适应光伏直流系统。例如，GE已经在2009年作为风转换器衍生产品而引入欧洲的1MVA ProSolar平台基础上，开发出了新的4MVA ProSolar逆变器/变压器系统。与 1000VDC的电站相比，这些产品可使电站的设计平台具有极大的灵活性，并增加每个逆变器所承载的太阳能电池阵列，或是在维持太阳能电池阵列规模的同时减少电线和电缆使用。1500VDC电站的设计平台可在保持高功率输送的同时降低安装和维护成本。

技术与监管挑战

在向北美以及其他国际目标市场输入新一代电站的流程中，在审批和具体操作方面会遇到许多技术和监管上的挑战。有些挑战是任何新技术在其早期应用过程中都会碰到的。

在这种情况下，无论是组件还是逆变器所具有的现场操作经验均极为有限。由于现有的国际电工委员会（IEC）标准是针对1500VDC系统的设计和安全性进行规范的，在很多地方，尤其是在北美以外的地区，其监管方面的挑战并不高。所面临的挑战较大的市场是美国市场，因为该市场缺乏针对1500VDC系统的现有标准，通常会导致很难从具有司法管辖权的地方政府那里获得电站施工许可。

然而，就像早期向1000VDC设计过渡一样，这些问题均是可以解决的，并且产业并没有预计会出现针对这一设计的应用的长期障碍。标准规范委员会正针对日益增长的大规模光伏电站市场需求采取积极措施。UL最近宣布采用ANSI/UL 62109-1作为《用于光伏发电系统功率转换的美国国家安全标准》，成为美国本土1500VDC 逆变器认证标准，从而迈开了通往正确方向的一步。UL正在努力为组件和其它直流BOS设备采取类似的标准，同时，国家电气规范（NEC）也预计会做出改变，从而更好地适应大型、公共事业规模光伏电站设计平台的独特需求。

独立工程评估

DNV GL进行过一次独立工程研究，以对1500VDC系统及其设计进行评估。表一（参见左侧表格）总结列出了各相关方面的评估结果，并着重强调了与1000VDC系统之间的显着区别。总体来说，1500VDC系统结构在性能、价值和总体技术优点等方面具有优势。虽然发现了一些风险和不确定性，但这些问题在所有先进结构设计的早期应用中均会出现，并为发现任何长期的问题。

光伏电站系统设计

接下来本文将要描述一个基于“交流功率模块”（固定倾角或跟踪阵列）进行设、规模在1MW DC至5MW DC之间的典型1500VDC光伏电站。电站的关键组成零部件与之前在1000VDC公用事业规模光伏电站中所使用的相类似——组件、直流电缆、汇流箱、逆变器和进行交流电压升压的地台式变压器。但是，在这一设计中，各零部件均为满足 1500VDC的要求而专门设计。（参见图一）

各组件以组串形式进行连接，每列组件数量由1000VDC系统中的10个增加至15个。各组串通过直列保险丝连接至串接带，串接带另一端则连接至汇流箱。一个典型的汇流箱可通过地下馈线电缆对为96列（133kW）组串的逆变器提供电源。1500VDC逆变器为每个汇流箱均配备专用熔断输入，并可针对接地或不接地阵列进行配置。

直流电压的增加和4MVA大规模逆变器的使用导致了直流阵列规模的显著增加。典型的1500VDC系统设计通常会混合5 MWp和5.3MWp直流光伏容量，从而将DC/AC比例控制在1.25-1.33之间。逆变器将所输入的直流电力在550VAC的电压下转变成60Hz的交流电，并通过紧密耦合变压器升压至34.5kV，以与整个电站中其他逆变器进行整合。整合后的逆变器输出功率最终进行再次升压至设定好的输电电压，以便与公共电网互联。

当对两个电站进行对比时（参见图二），阵列规模的增加和逆变器数量的减少所带来的影响十分明显。

图二中左侧图片展示的是典型的2MW直流组件的阵列，右侧图片展示的是典型的5MW直流组件的阵列。本对比图中的功率转换站数量由10个降低至4个（减少60%）。土地利用率也得到改善，减少了维护通道数量和功率转换站所占用的土地面积

1500VDC逆变器

目前1500VDC电站中的逆变器范围从小于1MVA到4MVA不等，以模块化评级形式增加。这种灵活模式有利于根据电站规模确保电站的成本优化，同时与电站容量和可用性要求密切配合。1500VDC系统的逆变器可实现单个组串上电流安培数近50%的增长，这就意味着能够实现更高的功率密度，从而与1000VDC系统的逆变器容量相比，降低了整体安装成本。

总的来说，1500VDC系统的逆变器具有与1000VDC系统逆变器相同的基本拓扑结构——具有为较高直流电压调配过的电源半导体和直流电源电路零部件。这些零部件可根据现有IEC标准进行审查，并可在市场上轻易获得，因为它们与在风力逆变器和工业驱动器中所使用的零部件相类似。1500VDC系统的逆变器具有与1000VDC系统逆变器相同的交流电网接口电路、控制系统、保护机制和电网管理功能。

图三展示了一套使用了1500VDC系统逆变器的GE旗下实地安装的4MW ProSolar单元。其中包括一个专为与逆变器配套而设计的变压器，可进行中压输出。逆变器是作为GE旗下2009年进入欧洲市场的1MVA ProSolar产品的衍生物进行开发的，充分利用了该公司的现场操作经验和相对成熟的技术平台。（参见图三）

1500VDC组件

多家组件供应商正在开发可支持1500VDC系统的产品。First Solar已专为此类系统设计开发了被称为4系列的新一代薄膜CdTe组件。该组件通过了IEC认证。产品经过严格的测试，包括TUV LST（长期连续沙尘暴和PID测试）以确保具有高可靠性和高性能。

现场经验

2014年春，First Solar公司在新墨西哥州戴明市的Macho Springs太阳能电站中运转调试了其第一个1500VDC交流功率站，该电站由First Solar公司运营，归属美国南方电力公司。电站规模为52MW，由34个阵列组成，采用1000VDC结构。该电站后期还增加了一个使用1500VDC架构的阵列，以展示这一新行业标准的可行性、商业化完成度和可接受程度。

该阵列是一个3.6MW DC阵列，使用了First Solar的1500VDC CdTe组件和GE ProSolar逆变器和变压器。由于特定的项目（土地）限制，所设计阵列的大小要小于最优设计。现场测试包括PQ曲线验证、谐波依从性验证、可闻声音极限检测、DC波电流检查和高光启动等。

First Solar公司对电站SCADA收集的数据进行实时分析，以验证系统性能和可靠性。公司还特别对阵列进行了地漏测试，并以Macho Springs电站中1000VDC阵列的结果作为比较参考。电站的运维流程与1000VDC平台相比并没有很大改变，同时，每兆瓦需要进行运维的零部件数量却更少。

图四展示了晴天中一台逆变器的典型性能表现。

正如预期的一样，电站中逆变器输出至与所测得的日照辐射值紧密相关。当逆变器正在产生功率时，直流电压与组件的IV特性保持一致。

图五展示了阴天中一台逆变器的典型性能表现。

再次如预期一般，电站中逆变器输出至与所测得的日照辐射值紧密相关，并且直流电压与组件的IV特性保持一致。

First Solar公司还计划在得克萨斯州的Barilla太阳能电站建造两个1500VDC直流功率模块，归属First Solar公司并由其进行运营。每个阵列均为5MWDC/4MWAC，并将使用GE旗下进一步优化后的逆变器，从而改善效率和温度低于50℃时的“过驱动”操作。这些阵列计划在2014年底进行安装运行，从而在2015年大规模商用部署项目前进一步从小规模系统上获得运营经验。

　　总结

基于1500VDC架构的新一代公用事业规模光伏电站对电站成本及其效率有着显著影响。First Solar公司所开发的，或在未来数年内将要部署的，一些公用事业规模光伏电站中得以体现。促成这一成就的一些关键要素包括：First Solar公司对高压薄膜组件的开发，和GE对全球最大的光伏逆变器（4MVA）的开发。在每个逆变器上加载更多数量太阳能阵列的能力大幅降低了电站的安装和维护成本。BOS成本的降低反过来还有助于实现将太阳能价格降至可负担范围内的首要目标。与此前1000VDC架构的应用转型相似，整个产业有望随着一些技术和监管障碍的克服实现下一阶段的应用。