光伏逆变器主要流派与技术路线

光伏逆变器主要流派与技术路线发布日期： 2015-01-05 浏览次数： 35 光伏 发电系统由太阳电池组件（ PV ）方阵、逆变器、交直流配电、计量电器等部分组成。太阳电池组件利用光伏效应原理，将太阳的光能转变为直流电能，该直流电是变化的，不能直接并网或被用电设备直接使用，称之为 “ 粗电 ” （ Raw Electricity ）； 光伏逆变器 将变化的直流电经过 电力电子 技术变换成频率、相位、幅值符合 电力 并网要求且自身具有保护功能的交流电，称之为 “ 精电 ” （ Fine Electricity ），之后经过配电及保护装置便可并网或供交流负载使用。光伏逆变器是光伏系统的核心部件之一，但由于逆变器采用电力电子技术、由大量的电子元器件组成，属于光伏系统中的薄弱环节，因此近几年来，在逆变器的技术方案选择、电子线路设计以及新的应用方面，全球出现不同的技术流派以及一些新的应用。主要有以下几种：1.Central inverter 集中式逆变器，这种是最传统也是目前做的厂家最多的，尤其是光伏逆变器鼻祖的欧洲厂家。欧洲以 SMA 为典型代表，美国以 SatCon 为典型代表。 SMA 为全球光伏逆变器市场占用率最高的厂家，其市场占有率达到 35%~40% 。对于大容量的逆变器，大多数厂家采用集中式逆变器。从其电路结构上说，对小功率逆变器一般采用两级结构，即：第一级 Boost 升压电路加上第二级 DC/AC 逆变电路；中大功率逆变器采用一级结构，即 DC/AC 逆变电路。无论何种电路结构，其功率部分都是放在一个逆变器箱体内。这种逆变器的优点是：（ 1） 适合 MW 级的应用；（ 2）技术成熟；（ 3） $/W 成本较其他解决方案较低。其缺点是：（ 1）一旦出现故障则整机必须停机，所有功率均损失；（ 2）不能对部分太阳能电池板的非有效发电状态如阴影、污物等产生的 mis-match 进行区别，从而影响 MPPT （最大功率点跟踪）效率。2. Modular inverter 模块化逆变器，目前另一流行的技术，采用逆变器模块化并联，每个模块均有MPPT （最大功率点跟踪）功能，对应于一路直流输入；多个并联逆变器模块装在一个机柜里，一般具有热插拔功能。主流厂家包括 Powerone ， Fronius 等。用于并联的模块小的如 Fronius 的 3KW （并联成 50KW ），大的如 Powerone 的 33KW （并联成 330KW ）。其优点是：（ 1）某个模块故障不会影响整机工作，整机还能输出较大功率，从而降低系统风险；（ 2）可以一定程度上解决 mis-match 问题，由于采用多个 MPPT ，对不能正常发电的太阳能组串，其低效率不会影响其他组串发电效率，从而提高系统发电效率；（ 3）在早晚太阳光不强的时候可以自动关掉部分模块，等光强足够再开启所有模块，从而提高整体效率；（ 4）除了技术原因，模块化并联可以使一家公司迅速拓宽产品线功率覆盖范围，用一款模块解决从小功率到中大功率的应用，对于小公司而言，这无疑可以节约很多研发资源和时间。其缺点是：（ 1）成本较集中式逆变器较高，不适合大功率尤其是超大功率场合；（ 2）控制上比集中式要复杂，需要一个单独的监控模块。3.Micro inverter 微逆变器，在北美近几年来流行的一种技术，主要应用在个人屋顶系统。其原理是，将集中式逆变器的技术运用到较小的功率模块上，将大功率逆变器分割成若干个小功率逆变器。在每块太阳能电池板后面装一个微逆变器，功率在 200~350W 左右，直接将该块电池板输出的直流电转换成交流电输出或并网。目前美国做的最成功的公司是 Enphase ，占据微逆变器半壁江山。其优点为：（ 1）使得每块电池板的输出效率最高，且彼此不影响，较好的解决由于阴影等造成的 mis-match问题，提高整体效率；（ 2）安全，由于没有高压部分，较适合住宅屋顶系统；（ 3）安装简单，不需要独立的房间，跟随组件移动，变动起来也方便。其缺点是：（ 1）成本较高，由于每块电池板后面都需要一个逆变器，且逆变器需要满足 IP65 的要求，造成整体成本高；不适合中大功率的场合；（ 2）对可靠性要求非常高。4.DC-DC Booster 或另有叫 DC-DC Optimizer （直直变换优化部件），这种解决与微逆变器有相似之初，其原理是将第一级的 DC/DC Boost 部分从逆变器中拿出来，单独做在电池板后面的 POWER BOX 里，每个 Booster 均带有 MPPT 功能，从而可以实现每块电池板的最大功率电跟踪；这些Booster 输出的直流电再汇总起来，集中输入到逆变器里面。这是种介于集中式逆变器和微逆变器之间的一种解决方案。在前级分布式上像微逆变器，而在后级逆变上又像集中式逆变器。做 DC-DC Booster 的厂家包括美国的 SolarMagic 和以色列的 SolarEdge 。其优点为：（ 1）使每块电池板均有 MPPT ，提高效率；（ 2）后级的逆变器里只有 AC/DC ，输入电压范围窄，控制简单，这一级效率可以做得很高。缺点是：（ 1）有多个 DC-DC Booster ，系统总成本比集中式的偏高；（ 2）虽然提高了电池板一级的转换效率，但由于 DC-DC Booster 数量的增加，理论上会增加自身功耗，使 DC 到 AC 的转换效率下降。5.分布式应用。这种解决方案在逆变器上与集中式中小功率逆变器上没有什么不同，但在应用上则将中小功率逆变器（通常是 5KW~20KW ）分布放在一个或几个电池组串附近，来解决几百至 MW级电站的供电，而不是像集中式那样将逆变器放在一起或一间房子里。其优点是：（ 1）节约电缆；（ 2）一个逆变器的故障不会影响其他逆变器的正常供电，从而提高整体的可靠性；（ 3）不需要像集中式那样为逆变器盖一个房子。其缺点是：（ 1）由于逆变器数量多，使得整体成本比集中式高；（ 2）每个逆变器均要满足室外 IP65 要求，设计难度和逆变器成本均偏高。综上所述，各种流派的逆变器有其一定的适用场合，一般认为：Central inverter 适合大型电站及商用屋顶；Modular inverter 适合商用屋顶及小型电站；Booster 适合小型商用屋顶和住宅屋顶；Micro inverter 适合住宅屋顶。目前，光伏逆变器市场上各种技术派别纷争，而各自都均有其优点和缺点，因此在一定阶段有自己或大或小的生存空间。除集中式是绝对的主流外，其他均属于在一定细分市场中的非主流，但今后的发展到底往哪个趋势走，目前尚无定论。在与欧美的业内人事交流时，他们均表示，这是个非常“ dynamic ”（动态的）市场。上海 电源 系统有限公司在充分研究市场需求、技术发展趋势和自身技术特点的基础上，规划出符合公司市场战略、适应未来技术发展趋势、具有自身特色的技术路线。总的来说，分纵横两条线：横线是客户应用。光伏市场按照客户应用的场合可分为住宅屋顶系统、商用屋顶系统和地面电站系统，为尽可能覆盖不同用户的需求，电源公司的产品在功率等级上逐渐行程系列化产品，经过一年的开发，电源公司已向市场推出 1.5KW 到 100KW 的 9 款系列产品，基本覆盖三个应用市场的需求，目前在研发的 250KW 和 500KW 大功率光伏逆变器将在明年一、二季度推出，届时将全面覆盖不同细分市场的需求；纵线是技术路线。为抓住主流技术，同时进行技术创新，电源公司规划了以集中式逆变器为主、同时预研模块化逆变器以及微逆变器的技术路线，以规避单一技术的风险，从而为客户提供更高的系统效率、更丰富的产品选择、更多的创新技术，将为改变国内厂家以模仿欧洲主流厂家为主的局面做出贡献。