光伏逆变的最新技术及展望

阳光电源曹仁贤 光伏逆变的最新技术及展望2014 年 11 月 19 日第 14 届中国光伏大会在北京亮马河大厦会议中心成功举办， 阳光电源股份有限公司总经理曹仁贤发表了光伏逆变的最新技术及展望，下面为现场实录非常感谢大会组委给我这么一个机会， 我的报告题目是光伏逆变的最新技术及展望， 分为四大块内容， 一个是技术现状， 第二个是产业的现状， 我们未来的趋势以及最后一个小结。我们现在逆变器的应用主要就是分成四块， 一个是荒漠电站， 还有一些山丘、 鱼塘等等一些土地的附加利用，第三个是工商业屋面，最后是家庭电站。这些电站规模逐步在减小，荒漠电站规模最大，家庭主要在 4000 万以下。从四个应用当中我们现在光伏逆变器这几年技术发展非常快， 在分类上面出现了这四种形态， 第一个是我们所谓的集中逆变器， 给它定义是将光伏组件大规模串并联以后集中逆变馈入电网。 组串逆变器是针对每一串光伏组编逆变馈入电网， 微型是针对每一块光伏组件逆变后独立馈入电网， 功率优化其是每一个组建采用直流汇总。技术现状，具体表现五个方面，光伏逆变器高度依赖于电力电子和微电子技术的发展，如果没有新型的功率器件，没有新型的半导体器件，如果没有高速的性能优越的微处理器，我们这个逆变器是无法去实现更高的性能， 主要围绕着如何提高光伏组件， 光伏方阵的运行效率，减少损耗，提高可靠性，以及整个光伏其他的 PID 等等，还有遮挡灰尘等等，对逆变器本身来说， 聚焦于如何减少自身的损耗和提高设备可靠性。 普遍采用较为复杂的控制技术，以及现代控制里面的一些算法。 现在也是基本着眼于如何提高电网的安全性， 友好性， 并提供一些智能的服务和技术。 现在技术性围绕这五块也做了大量创新， 做了大量工作， 我们看右边的图， 我们的光伏逆变器就是一个桥梁， 在我们的可再生能源和电网之间， 要做好这个桥梁的工作。目前的技术水平，转换效率做到 97到 99， MPPT效率做到 98到 99.9，单机最大功率现在有 2.5 兆瓦，电路结构主要目前是以两电平为主少量为三电平，冷却方式风棱为主，少量为自冷，液冷，功率器件以 IGBT 为主，（英文）为辅，少量的碳化硅器件，在工信部支持下，最近碳化硅器件国产也有些突破。现在目前电压等级在 1000 伏以内。产业的情况，目前依然是 SMA是全球的逆变器的龙头老大， ABB收购了（英文），是目前的第二。 阳光逆变器去年出货量是全球第二， 只是出货量， 但是销售数额一排就前五名也达不到了，因为我们卖的太便宜了。逆变器各种应用情况， 这里引用了 IHS 去年年底的一个报告， 我们可以看一下， 组串逆变器也好， 微型逆变器也好， 大型的逆变器也好， 在全球市场当中基本上来说还是有一定的共性， 就是超过某一定功率的一般来说是配备一些大型的逆变设备， 在中国市场上由于大量的都是大型电站，主要还是以集中逆变器为主，组串逆变器发展也是比较快。其中逆变器应用情况， 是随着规模的扩大， 它的比例没有下降， 功率等级是不断提升当中，目前主力机型都在 1 兆瓦左右， 有单个的也有并联的。组串性逆变器， 目前的现状是组串逆变器发展非常快，特别适合用在中小型项目当中，特别是屋顶，山坡、家庭电缆等等，最大优势在多云的气候， 我们光伏电站接入电网标准里面规定了功率变化率的上升率， 上升率可以控制，通过逆变器的调节，我是可以把功率限制的，所以上升率是可以限制的， 但是如果来了云块功率下降了怎么办， 不管是组串逆变器也好， 大型逆变器也好， 功率下降了突然就下降了，这是电网受不了的地方，为什么装储能。在多云天气来的时候，组串逆变器特别有优势， 因为云块可能有的地方没到达，那个地方可以大量发电，还有运输方便，出现故障也不可能大面积发生停电。 还有一个很重要的直流路径比较短， 直流保护成本低。 直流是容易拉弧的，很容易发生火灾，逆变器发生在组进的跟前有这个好处。下面几点是它不足的地方， 它的单位造价是高的，运行管理， 由于台数太多了，有的一个电站有几千台，这样的话电网友好性差，比如一些限电的，储能的，穿越的，这些要求也能实现，但是比较费劲，转换效率相对低一些，电网容易发生一些谐振，还有沙尘、严寒，特别是眼光底下暴晒等等，还有待克服。组串逆变器分为三类，单向、小型的，还有双向，相等比较热门的微型。组串逆变器的发展其实非常快，我们看这三款逆变器的转换效率都大于 99，这个在很多人认为是不可能实现的事情，现在都基本上实现了。最高是 99.15。也有一些新型的拓扑电路结构支撑高效的创新活动，这个我不多说了。组串逆变器功率在不断增大， 我们看了前面是 40千瓦单机的， 到后来都是 60千瓦单机，在不久将来可能还会有更大功率的， 单机功率的加大主要还是为了分摊每瓦的成本， 当然逆变器的通讯技术也是越来越发达，多能支撑， 3G甚至 4G，甚至一些互联网。现在在日本在德国， 在澳大利亚， 大量的装备储能的系统， 日本去年到今年，安装了几十万套带家庭储能的光伏发电系统。 接下来一块就是微型逆变器， 这个微型逆变器在美国市场上占了非常大的一个份额， 但是非常奇怪也只有在美国市场是有这么大份额， 主要有一个著名的作用， 微型逆变器公司是在美国， 它的优点是它不可能发生这种失配的情况， 因为每一件组件都有一个逆变设备，这也正是它的缺点，转换效率现在只做到 96，另外每瓦成本都在两三块钱，现在大功率产品每瓦是三毛钱，这个基本上接近 3 块钱。给大家介绍一个新的技术， 既然是微型逆变， 为什么还要升压呢， 把交流电压串联起来，还真是有人做这样的事情， 五年前我去申请这样一个专利， 结果发现现在真有人做这样的事情，这个东西特别好用， 但是前提是你怎么把它所有的东西， 交流怎么串联，当然新的技术也在不断的派生出来。第三点， 我讲讲技术趋势。 电力电子逆变设备， 我们要关注的就是如何把自身的设备和我们系统的性价比提上去，从直流侧，从逆变侧，从电网侧，从系统角度做些布局。我们看看发展的轨迹， 这是以我们阳光为例的， 下一代的大家可以看看从明年开始， 这种氮化镓碳化硅的器件，三电平多电平的转换电路，主平现在有 1000 兆的公共机的主平也在做这样的设备， 使得这个设备做起来变得非常容易。 我预测下一代逆变设备基本上是无损， 无损的话转换效率达到 99，这个肯定能达到，但是下一个目标是 99.5，基本上来说要把太阳能过来宝贵的效率基本都用上， 99.5，我想未来五年一定能突破。右边列几个新的器件，新的这些器件，碳化硅器件，把开关频率可以做到 5000，做到这么高，电感电容都是不需要的，储能很小一点点成本大幅度降低，动态性能也得到改善。我们的电力电子技术，围绕着我们的逆变设备主要就是需要有高性能的 DSP，拓扑，新型的算法，和一些改进。小功率的， 大功率的， 三电平、 四电平、 五电平， 常规的只有两个电平， 不是零就是一，如果创造出第三个电平是多少呢，肯定是正负 0.5 ，正负 0.5 怎么来，就是通过开关器件，通过直流侧中间的分压产生第三个电平， 产生第三个电平最大的好处就是谐波大量减少， 电流大量降低， 成本大幅降低， 转换效率提高。 我们准备做 1500 伏的直流系统， 从今年开始，欧洲美国已经开始在安装一些电站， 不是现在 1000 伏了， 是 1500 伏的直流有两个好处， 所有现在城市轨道交通， 全部是 1500 伏， 可以共用这 1500 伏的技术。 我们现在电站做的越来越大，要提高发电效率，降低损耗，限水这块要特别关注，所以下一步要提高到 1500 伏，提高到 1500 伏其实很简单，关键是这些开关组件、绝缘、电缆等等，如果呈线性增加了投资，还不如不要提高，一定要非线性的把这些成本降下去。其他还有一些技术， 散热的技术，我想跟大家说的是最新技术，是蒸发冷却， 这么高密度大的设备，如何把热量挪走， 蒸发确实是相变的冷却方式， 这种方式很早就有， 现在用在大功率的电子电力上面， 使得逆变器的体积可以缩小三倍。 更好的处理器我就不说了， 我们采用更高性能的处理器来做无非就是提高测量精度， 加快响应速度， 同时提供更好的为这个后端的智能化提供一个比较标准的信息化的平台。 我们看看体积和重量， 大幅度减少， 重量和体积就在这五年当中， 也是减少了 3 倍。单机的功率， 这是我们全球的 SMA逆变器。 我们有往中小型去做，也有往大功率去做，小的做的很小，一两块板，大的做的非常大，到底今后的路线怎么走，我想今后这是个多元化的应用的长河，应该说产品形式在不断丰富当中。有一点， 我想这个趋势是逆变器未来作为一个执行的机构， 作为一块像太阳能电池板一样静止的东西， 应该是要着眼于解决方案， 就是客户知道了哪家好哪家不好， 就把方案都交给你，我们可以看看这里， 在这个房子当中什么都有，就交给你去做，现在这样的，现在是非常满足于客户的要求，因为客户不专业， 但是他要对他的钱负责。 比如晚上怎么办，晚上是不是要把变压器断开，原来我们在配电设施， 晚上有负荷，太阳能晚上开着干吗，晚上你关掉以后白天怎么开， 每天这么开关大家是不是能承受， 电力系统是否能够接受， 但是这些都是着眼于绩效考核的。分布式发电如果装这些，还有地面电站，要装这些大的状况，现在盖房子要征地的， 现在西北经常发生要征一个太阳能电站当中， 要征两亩地来干这个机房， 这个事情是个很大的事情， 因为这个涉及到这么一块小地方， 涉及到很多扯皮的事情， 现在我们说不盖房子了，就是这个解决方案，在那里又环保，又快速，又不要解决征地的问题，为什么说很环保呢， 现在欧洲已经不允许你建水泥房了， 因为水泥这个墩子一百年自己也吸收不掉，但是这个铁房子， 30 年以后你可以把它化掉，还可以卖点废品的钱。关键这一切我们都是为了 PR的指标，我们对这个指标进行了定义，同时我们国际标准也在做， 我们在分布上把光照资源给出掉， 归结起来应该去提高这样的效率， 这里冒出一个问题， 现在超发的超配的太阳能电池板配 1.3 个兆瓦， 逆变器配一个兆瓦的怎么定义， 我们很遗憾， 现在我们每个电站是按照光伏组件的功率定义的， 这是一个非常不正常的现象， 我在这里跟大家呼吁， 任何东西都是要给客户负责， 太阳能电站还是按照直流定义的， 要尽快建立交流定义的功率， 在加拿大我们做的绝大部分电站中午都是限发的， 但是回报率是最高的，我们做的太阳能电池太便宜了。 其他还有些监控，一些新的技术， 我们要使得这个电站能够具有一些初步的诊断，这个设备本身肯定需要武装起来，设备本身的诊断智能化等等，这个是你也就是说是你这个设备应该具备的能力，相当于你作为一个工程师应该掌握英语，现在中学生都掌握电脑。最后一个， 我们逆变器左边是光伏组件， 右边是电网， 如何通过设备提高电网的友好性，是逆变器厂家非常重要的一个活动。 这点大家都满足了， 我们叫做穿越， 大家都爱看穿越剧，一个意思，其实指在电压低，突然很低，零电压高电压等等情况底下能不能给我扛住 625毫秒，甚至更长的，都是可以的。在分布式电站中孤岛保护的问题，如果这个电网停电了，如果在发电可能涉及到电力系统员工的安全问题， 特别是多台并起来的时候， 这个问题非常麻烦， 现在研究的也比较少。当然还有刚才所长讲的频率，这个频率的问题，到底频率高和低， 现在一些标准已经对频率特征已经做了明确规定和描述。 还有谐振的问题， 大家看右边这个地方， 发生谐振了， 这个很容易发生谐振，一谐振里边电容就损坏了。 分布式发电中还有一个大问题， 无功要快速调节，现在有很多电站，分布式发电装上去以后，发电还不够电网给他无功的罚款， 一个月罚款罚十几万，发电发十几万，并网点功率数的控制， 必须把传感器，把计量要装到最后的并网点，负责后面的，那个点上的功率数要提上来，实现闭环，这个现在是现实的问题， 如果接在 400 伏配电网上， 现在没有手段把它接上去以后， 整个功率数都下降了，考核体系还没有变，你要接受罚款。还有一个大问题，刚才所长讲了，电压升高了， 现在要搞几万个扶贫项目， 一个村上装几千套 3000 瓦 5000 瓦的系统， 这个肯定是不可行的， 一个村庄上， 我去调研了一次， 一户农村家庭里面白天的负荷总共大概加起来白天只有 60 瓦，这都算是比较大方的人家了，基本上白天都关掉，只有一个冰箱。把这些电站全部接到那上面去， 这个电压曲线就往上升， 没有负荷， 到中午的时候估计会产生一些索赔的现象， 这个电压肯定是高的， 我们有没有方法， 其实我们电力系统有一个很好的方法叫有载调压， 是不是可以做一些无功的奉献，使得电压能够调下去， 但是这个活谁去做， 就是刚才领导讲的， 谁去测量观测最后去执行呢， 如果 10 千伏以下都不管了谁管。 西部在限电，光储系统能不能今后也不要占指标了，水光伏不是不占指标的，光储能不能给予一些优待，这块红的转到绿的给多少钱，储能装置很贵，一瓦时 4 块钱左右，如果你去补一个 10，这个电站当中就是一笔大的投资， 是不是可以， 储能是回避不了的， 肯定是要储的， 什么时候储现在可以示范起来。后面还有一个技术， 大家知道我们要做低电压穿越， 要高电压穿越， 虚拟同步的技术是可以解决现在大家关心的问题， 我们科技部这次也立一个项目， 什么叫虚拟同步呢我们把光伏电站的外特性模拟成跟现在火电的同步机组一样的外特性， 如果达到这样的外特性， 这样一个下垂特性，基本上就可以适应现在电力系统的要求。里面有什么区别呢，虚拟同步，本来电力电子装置一短路就要保护了， 我就要做到跟左边这个同步机组一样的特性， 有没有可能， 完全有可能的，你把电力电子装置做大一点，把储能装置稍微加大一点，如果说分钟级的， 超级电阻也可以， 把非线性系统模型成线性系统奉献给我们的电力系统， 使得我们整个今后的可再生能源穿透率能大幅度提升。还有其他一些接口， 还有西部的电站能不能再发这些无功， 其实完全可以， 现在我们的电站， 每个电站又投了几百万下去的无功补偿装置， 但是这个装备自身已经具备了这样一个功能，重复投资了。当然还有智能化的云的平台，大数据时代要到来了。我们这么多数据，这么多客观不客观的， 每个人都说自己东西好， 没有人说自己东西不好， 那么客观的数据传上去以后，我们保存在云端，大家再评测。最后一个是安全性，首先是安全性上面是 PID，所有组件厂家都说 PID 拿到了认证，拿到认证并不意味着没有 PID，只不过 PID 做的比别人好一些。我在这里给大家举一个例子，在某一个酒厂，做酒的，上面装了 10 兆瓦的太阳能发电，这个酒烧起来以后，蒸汽里面，酒是酸性物质， 使得顶上的太阳能电站， 肯定渗透进去了，最后这个电站失效了， 失效到什么地步呢，一半的发电都没有了，这样的损失谁去承担。还有就是漏电，漏电怎么办。最后一个是着火了， 直流是不容易着火的， 未来大量分布式在用， 家庭楼顶上或者珍贵的车间里面顶上失火，现在已经发生这样的事情， 好几件， 怎么办，我估计就像我们的电动汽车失火一样， 我们会倒退五年， 各方人士都来谴责我们， 我们开始就要把这些工作做好， 进行拉弧的检测，拉弧开始的时候我们能检测到，把它关掉，让它不要着火。逆变器技术飞速发展， 集中逆变器往更大方向发展， 组串逆变器往更加轻便、 更加安全、更加智能化方向发展， 未来我们这个装备逆变器装备将更加聚集于自身效益和可靠性的提高，同时为电网提供诸如、平滑、无功、穿越、支撑、应急等友好服务。光伏电站类型日趋复杂化，多样化，因此需要针对不同类型的电站的实际情况因地制宜， 科学设计，合理选择逆变设备。我的报告就这么多，谢谢各位。