浅析组串式和集中式光伏逆变器的可靠性

编者按：光伏电站产品的长期可靠性直接影响投资人收益，在长达25年的投资回报期内，提高发电效率、降低产品故障是永恒不变的主题。目前国内光伏电站质量长期可靠性隐患重重，其中逆变器可靠性更成为了大家关注的热点。

2014年的慕尼黑的intersolar论坛上，资深的光伏从业人士Manfred Bachler（曾是全球最大的EPC厂商Phoenix solar的首席技术官）提出了用组串式逆变器改造现存的集中式逆变器的方案，给出的结论是5~6年可以收回改造的成本，主要的原因是因为集中式逆变器维护麻烦，可用性差，仅仅在可用度方面就比组串式逆变器差6%。
近日，行业内对于组串式与集中式逆变器的故障率、可靠性众说纷纭。那么到底谁更可靠，谁更坚强？本文从以下几个角度详细分析，抛砖引玉。

逆变器失效率：集中式高于组串式，是其3倍

业界知名的组串式逆变器按照25年的系统可靠运行设计，采用IP65防护等级，实现内外部的环境隔离，使内部器件保持在无尘和稳定的运行环境中，大大降低了温度、风沙、湿气、盐雾等外部环境对器件寿命的影响，因此可靠性大大增强。同时系统无易损部件，无熔丝、无风扇等需定期更换器件，实现了系统免维护；整机故障率小于1%。

而集中式方案一般采用常规的土建房或集装箱式机房，防护等级IP54，但因机房普遍采用直通风式散热方案，实际只能达到IP44或者更低，无法阻挡风沙、灰尘和腐蚀性气体进入逆变器。集中式逆变器防护等级只有IP20，内部电路器件容易暴露在恶劣的工作环境下。比如灰尘在逆变器内电路板、端子排等的累积会造成爬电距离减小，最终造成放电、起火等安全风险；湿尘在PCB或元器件间易形成漏电效应和腐蚀效应，造成信号的异常或高压拉弧打火，还有可能造成电网对PE的短路，引起逆变器异常关机或炸毁。同时逆变器风扇是易损件，平均使用寿命约为5年左右。业界集中式逆变器故障率一般超过3%，故障率是组串式逆变器的3倍以上。北方很多电站是在戈壁滩上建设，其实际是典型的盐碱地，灰尘中含大量的盐离子成分。在昼夜间歇工作模式下，发生腐蚀和漏电的概率比常规的电气设备大很多。

另外从逆变器的辅助电源上比较，集中式辅助电源市场上的失效率一般是2~5%之间，其失效率高的主要原因也是直通风散热，灰尘，盐雾等会对可靠性有影响。而组串式逆变器辅助电源是自带的电路，在全密闭环境下工作，失效概率极低。

从逆变器历史来看，SMA在1995年推出的第一款逆变器是组串式逆变器，过了7年，才在2002年推出第一款集中式逆变器。室外组串式逆变器已经经历了近20年的实际应用考验，在欧洲用于大型地面电站的历史比集中式逆变器更久，技术也更成熟。


图1 逆变器机房的灰尘 图2 逆变器设备内部的灰尘

散热对可靠性的影响：集中式大于组串式

组串式逆变器单个功耗数百瓦，可以实现自然散热设计，且可满足60℃环境温度下可靠运行，集中式逆变器，尤其是10尺集装箱方案，1MW的损耗高达30千瓦，相当于有30个1千瓦的电炉丝在10尺集装箱内部烘烤，单靠几个风扇是很难实现可靠散热的，极大增加了烧机的风险。

据实际测量，西部地面电站，组串式逆变器挂在组件下面，开旷通风好，环境温度21℃时内部温度43.8℃，温升22.8℃，而集中式房内温度23℃，柜体内温度高达53℃，温升30℃。在炎热夏天，机房内温度超过50度是经常的事情，集中式逆变器柜体内温度更高更恶劣。而高温带来的将是器件寿命降低、降额甚至炸机隐患。

西北风沙严重地区，逆变器房中积灰导致防尘网堵塞、散热器散热性能变差，大功耗器件温度急剧上升，引起温度告警，更严重会导致内部IGBT器件损坏，设备不断重启，甚至烧坏。今年上半年以来，几乎每个月都有因为散热问题，集中式方案出现炸机等严重事故。

系统可用度及其对发电量的影响：集中式的损失是组串式的17倍

欧洲应用的顶级组串式逆变器，其MTBF可以做到35万小时，年失效率均在1%以下，部份厂家可以做到低于0.5%，而集中式常规的MTBF一般只能做到5万到10万小时。

集中式一般需要厂家的专业人员到场定位及维修，处理时间长，影响发电量；而组串式逆变器，可直接由现场运维人员进行更换处理，简单快捷，先保证发电，然后再对故障进行分析、维修。组串式任意一台逆变器失效时，其它逆变器可以保持工作，不影响其它的发电量。集中式方案中的任一环节系统设备一旦发生故障，可能整个方阵会停止工作，修复时间视现场定位和备件准备情况而定，一般至少为2-3天，有的长达1周，甚至一个月，对发电量的损失将远远超出对故障损失的预期值。

以10MW电站为例，按平均每天峰值日照时数6小时计算，集中式方案平均每年发电量损失将达到7154KWH，而组串式只有420KWH，相比而言，集中式的损失是组串式的17倍。

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组串式维修成本远低于集中式

集中式逆变器维护必须由专业维护人员进行，对技能要求高，即使是部件损坏，也需要专业运维人员到现场，对故障定位并更换，除部件更换费用外，人工费用，差旅费用都是高昂的维护成本。并且，集中式逆变器如果是整机完全损坏，更换极为麻烦，重型机械设备要入场，逆变器从机房移出非常困难。 受软件和硬件匹配等的影响，集中式逆变器必须使用原厂家的备件，一旦厂家倒闭，未来维护将会被迫中断，业主也只有更换新的产品。而组串式的只需要直接整机更换，不需要专业维护人员，30分钟可以更换完毕。5年维保期内，免费替换，质保期外的故障的机器，可以借助现代物流平台，低成本返厂维修，仅需收取少量维修费用，维护成本远低于集中式大机方案。

目前业界逆变器品牌良莠不齐，最近有人说组串式逆变器5年后需要大量更换的说法是以偏盖全。如果组串式逆变器在设计上没有突破，和集中式逆变器一样，也要风扇冷却和熔丝，防护等级较低，那5年后和集中式一样需要大量更换。但如果选择IP65，自然散热和无熔丝设计的品牌后，这些问题就不存在了。对于组串式逆变器的选择要充分考虑其品质。首选质量可靠，品质优越，能长期保障电站良好运营，并且有大规模应用的逆变器厂家。世界顶级的组串式逆变器，年失效率均在0.5%以下，远低于集中式方案。某些组串式品牌若干年后倒闭或不存在了，也可以重新更换一台其他品牌的组串式逆变器，更换成本较低，对系统整体发电量的影响甚微。

综上所述，组串式逆变器相比集中式，无论是在故障率还是运维成本方面都更占优势，能保证电站长期可靠的运营。在过去10多年逆变器的发展过程中，欧洲的技术领先全球市场2-3年，是技术和市场的风向标，中国、美国和日本等市场，基本上是跟随欧洲的路线，同时吸收欧洲的经验和教训。现在以SMA为代表的技术厂家在美国和欧洲正在力推组串式方案。国内越来越多的光伏电站也正在采用组串式方案。可见，组串式正在成为光伏电站建设的主流方案。当然，在选择组串式设备的厂家时，我们也应该选择质量可靠、口碑好的产品，才能让我们的业主25年真正的放心无忧！