光伏逆变器最新技术进展-王新宇

1© 2018 SUNGROW Confidential 光伏逆变器最新技术发展 报告人 ： 王新宇 博士 日期： 2018/11/08 2 目录 光 伏系统新 挑战01 关键 技术：高压 &大容量02 关键 技术：高功率密度 &高效率03 关键 技术：广泛的电网适应性04 3 1.光伏系统新挑战 4 上网电价屡创新低 • 中国： 0.31 元 /kWh • 印度： 3.77 美分 /kWh • 沙特： 1.79 美分 /kWh • …… 光伏系统的主要挑战 • 美国 2050年 ： 80% • 德国 2050年： 85% • 中国 2050年 ： 60% • …… 渗透率不断增加 组件 逆变器 箱变 电网汇流箱支架 线缆 5 数据来源：彭博社 光伏逐年组件价格 铜价持续走高组件价格持续降低 铜价走势图 1976 1985 2003 2017 2013/06 0.1 1 10 100 2003 1976 2008 2015 2017 1985 百分比美元 /Wp 铜 价 走 势 图私 营 单 位 就 业 人 员 平 均 工 资 32% 33% 35% 36% 37% 38% 39% 40% 34% 2014/06 2015/06 2016/06 2017/06 2018/06 系统成本结构变化对逆变器提出新要求 6 • 安装场景、电站容量各不相同 • 并网电压 不同： 220/400V 10/35KV 形式多样 • 屋顶高温 环境对 设备散热能力要求高 • 潮湿环境， PID现场影响发电量较大 高温高湿 • 位置分散、电站运维管理难度大 • 运维不及时导致发电量损失大 位置分散 环温 50 ℃ 、彩钢瓦 63℃ ，组件大于 70 ℃ 分布式电站主要挑战 7 使 命 ：让人人享用清洁电力 愿 景 ：成为清洁电力转换技术全球领跑者 ＝ 生命周期的 总成本生命周期的 总发电量LCOE 组件 逆变器 箱变 电网汇流箱支架 线缆 逆变技术 • 向前看 • 向内看 • 向后看 我们的使命与技术迭代逻辑 8 关键 技术：高压 &大容量 9 0.000 0.200 0.400 0.600 1000V系统 1.25MW方案 1000V系统 2.5MW方案 1500V系统 2.5MW方案 线缆施工 线缆 通讯 汇流箱安装 汇流箱 箱变土建安装 箱变 逆变器安装 逆变器 注 ： 0.1 0.05 提高系统电压和单个方阵容量降低系统成本 SG2500HV SG80BF （ 1） 1000V系统 1.25MW单元以 SG1250为例， 1000V系统 2.5MW单元以 SG2500为例 ,1500V系统 2.5MW单元以 SG2500HV为例 （ 2）上述成本为 除组件、支架外的电气设备成本及安装成本，价格数据基于国内目前市场行情计算，供参考 10 单管并联 晶元并联 /模块 模块并联 逆变器并联单相桥臂并联 电流容量 P V D C /D C D C /D C电压等级 两电平拓扑 三电平 拓扑 四 电平 拓扑 五电平 拓扑 常规逆变器容量提升方法 11 最大效率： 98.5% 更 高防护： IP66 单机容量 5~10MW 直流侧电压 1500V+ 集成工频变压器隔离升压功能 替代 SVG功能 VSG并网技术 光储融合 35KV高压直挂 …… u a u b u c 高频隔离 DC / DC 35 kV …… …… …… + C SM PV DC / DC 电 池 + C SM PV DC / DC 电 池 + C SM PV DC / DC 电 池 + C SM PV DC / DC 电 池 + C SM PV DC / DC 电 池 + C SM PV DC / DC + C SM PV DC / DC + C SM PV DC / DC + C SM PV DC / DC 电 池 电 池 电 池 电 池 更高系统电压 更大系统容量 更高系统效率 更低系统成本 产品迭代 功能扩展 性能 高压直挂式光伏逆变器 12 关键 技术：高功率密度 &高效率 13 集中式逆变器组串式逆变器 • 逆变器效率已达到较 高水平 ——组 串 式和 集中式逆变器最高效率均达到 99% • 下一步需在保持高效率前提 下进一步 提高功率密度 ， 目标是达到 1W/cm3以上 ， 以应对 分布式接入灵活部署的需求 ， 适应各种复杂应用场景 ， 减少运输 、 安装 、 维护等费用 保持 高效率 前提下 进一步 提升功率密度 14 PV inverters 半导体倾向于较低的 开关频率来降低开关 损耗，相应地也减小 散热器的体积和重量 磁元件倾向 于较高的 开关频率来减小体积 和重量 半导体 - IGBT 磁元件 – 电感 • 辅助电源 • 启动电路 • 电容 • 风扇 • 母排 • … 主要的耗能器件次要的耗能器件 开关频率选择上的进退两难 15 • 软 开关技术在隔离型 DC/DC领域得到广泛引用，为提高功率密度产生巨大贡献 • 逆变器软开关技术在学术领域也 常出现 ， 但在 实际应用中较少 见到 • 逆变器的软开关实现条件较为苛刻，带来通态损耗的上升和成本的上升较为 明显 兼顾功率密度和效率的方案 方向 1：软开关 技术 • 宽禁带半导体器件开关 性能得到突破 ，即使采用较高的开关频率其开关损耗也在 可接受范围内，从而缓解磁性元件的 压力 • 宽禁带半导体器件成本仍然比较高，可以考虑混合型 拓扑 方向 2：宽禁带 半导体器件 • 多电平技术使得功率半导体的频率和磁性元件的等效频率解耦，也就是说可以让 半导体的频率比较低，而磁性元件的等效频率比较 高，有效 缓解两者 的需求矛盾 • 多电平技术拓扑和 控制相对而言较为复杂 方向 3： 多电平 技术 方向 1 方向 2 方向 3 16 额定功率 165 kW 功率密度 1.2 W/cm3 开关频率 40 kHz 最高效率 99.2% 欧洲效率 99% 80cm 70cm 24.5cm 效率曲线 基于 SiC器件的组串式光伏逆变器 17 ANPC 三电平拓扑I-NPC 三电平拓扑 S i I G B T S i D i od e S i I G B T S i D i od e S i I G B T S i I G B T S i I G B T S i I G B T S i I G B T S i I G B T S i C M O S S i C M O S采用 SiC MOSFET与 Si IGBT混合器件拓扑以降低成本 18 散热方法 最高温升 最低温升 温升差别 传统 方法 (℃ ) 45.7 27.7 18.0 相变 散热 (℃ ) 20.1 16.2 3.9 改善 温度 (Δ℃ ) 25.6 11.5 14.1 • 宽禁带半导体的特性可以使得小面积 的 SiC晶元具有和大面积 Si晶 元相同的 导 通 电阻 • 但由此带来 的 问题是： SiC器件的热阻 比 Si器件更 大 采用类似相变 散热等先进散热技术提高逆变 器功率密度 器件 Vds Tj Rthj-c SiC MOSFET C2M0280120D 1200V 150 1.8K/W Si CoolMOS IPW90R120C3 900V 150 0.3K/W Si IGBT IGW40T120 1200V 150 0.45K/W 相 变 散 热 采用不同 散热方法的温升比较 先进散热技术 不同器件热阻 19 关键 技术：广泛的电网适应性 20 强电网 弱电网 逆变器并网点与电网之间的阻抗 阻抗很小，可以忽略 存在相对较大且波动的等效阻抗 并网点电压 等于电网电压 不等于电网电压，且电压出现明显波动或谐波 强 网 特性 弱 网 特性 逆变器要具备广泛的 电网阻抗适应能力 具有时变特性的电网 阻抗 • 大量的分布式发电设备及渗透率的增加 • 电网中级联多级变压器 • 较长的输电线路或末端电网 • …… • 电网改造 • 增大变压器容量 • …… 21 辨识并网 点等效 电网阻抗，是 实现并网逆变器在强弱电网场合下高性 能自适应稳定控制的关键技术 根据阻抗分析的 稳定性理论， Zc(s) ≠Zg(s) 或 Zc(s)=Zg(s)时，需要具有 足够的 相位裕量，系统才稳定 L 1 C 1 C 1 i L 2 gz P C C 新能源 发电DC DC Zg(s)Zc(s) 相位 裕量 系统稳定性理论 22 主动检测方案： 主动在控制中注入非特征次 谐波 + - hc h h c sj  −+ c oc sj  ++ c oc sj  −+ ()Es + + + + + + hu 1u  + 1u  −g u  c ocs jn  −+ c oc s jn  ++ nu  − nu  + + + + + MCCF控制框图 此方案可实现电网阻抗的阻性、感性分量的准确辨识 基于多模块复数滤波器（ MCCF）的电网阻抗辨识方案 系统框图 23 设置如下工况：在 0.65s向电网注入 5次谐波和 7次谐波，分量所占大小均为 5% .10 - 3 L g/H 1.5 0.9 2.1 R g/ Ω - 3 1 5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 t / s 基于 传统复数滤波器（ CCF） 的电网阻抗辨 识方案输出结果出现波动，无法准确收敛 基于 多模块复数滤波器（ MCCF） 的电 网阻抗辨识方案输出结果能够准确收敛 .10 - 3 L g/H 1.5 0.9 2.1 R g/ Ω - 3 1 5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 t / s 电网阻抗辨识效果 24 总结 ——光伏逆变器最新技术发展  高压 & 大容量  高功率密度 & 高效率  广泛 的电网 适应性 组件 逆变器 箱变 电网汇流箱支架 线缆 25© 2018 SUNGROW Confidential THANK YOU!